西門子PLC冗余系統在天然氣長輸管道中的應用

田文韜，遲百川，張巖巖

（國家管網集團榆濟管道有限責任公司，山西晉中 030600）

隨著我國經濟的快速發展，企業和居民使用天然氣的總量日益增多，天然氣在我國能源中發揮著越來越重要的角色，保證天然氣的正常供給和天然氣管道的正常運行，成為管道公司、下游用戶越來越關心的問題。天然氣運輸的“命脈”是管道，核心動力是壓縮機，而壓縮機系統的核心則是PLC 控制系統。

1 壓縮機系統簡介

壓縮機系統通常包括壓縮機機組系統、控制系統、電力系統、循環水系統、儀表風系統、潤滑油系統、空冷器系統等。各個系統相互配合，共同為壓縮機的平穩運行提供保障。

壓縮機機組系統主要作功單元是機組本體，通過轉子的高速旋轉提升天然氣壓力，為天然氣的長途運輸提供動力。電機與齒輪箱分別為機組的驅動設備與傳動設備，實現壓縮機本體的驅動。

壓縮機控制系統是實現壓縮機啟停操作、數據傳輸、邏輯控制、人機對話等功能的主要設備，操作人員可以通過控制系統，遠程實時監控壓縮機工藝、潤滑油、密封氣、振動、位移、溫度等關鍵參數，并對壓縮機的工況進行調整。

潤滑油系統、儀表風系統以及循環水系統是機組的輔助系統。潤滑油系統實現壓縮機、驅動電機以及齒輪箱的軸承潤滑、清潔、降溫。儀表風系統為機組干氣密封、電機正壓通風提供清潔的壓縮空氣，為動力閥門提供清潔、穩定的驅動氣體。循環水系統為機組的冷卻系統，實現驅動電機、潤滑油以及變頻器的冷卻。

壓縮機電力系統主要是通過變電、配電，滿足壓縮機主電機及輔助系統所需電力，為整個壓縮機系統提供動力供應。

壓縮機系統中各個系統相互配合，缺一不可，在壓縮機正常運行中都起到了重要作用。特別是壓縮機控制系統，作為壓縮機系統的“大腦”，需要實時監控現場工藝參數的變化，并作出正確判斷，下達調整指令，保證壓縮機安全平穩運行。

2 PLC簡介及特點

可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）是用于自動化實時控制的數位邏輯控制器，廣泛應用于工業控制領域。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算數操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械和生產過程。

PLC 具有以下特點：①可編程性；②可靠性高，抗干擾能力強；③配套齊全，功能完善，適用性強；④易學易用；⑤系統的設計、建造量小，維護方便，容易改造；⑥體積小，重量輕，能耗低。

3 冗余系統組成及重要性

3.1 常見的西門子S7-400H自動化冗余系統組成

圖1 所示為西門子公司S7-400H 系列PLC 的常用冗余容錯系統拓撲圖。

圖1 常用冗余容錯系統拓撲圖

為了滿足冗余容錯控制，需要配置兩套相同的系統，主要包括中央處理單元（CPU）、UR2-H 機架、電源、同步模塊、冗余光纖、通信模塊、I/O 模塊等。

中央處理單元即CPU，是PLC 的核心，主要由運算器、控制器、寄存器等構成。

UR2-H 機架是冗余PLC 的機架，帶有背板總線，既可以用作中央機架，也可以作為擴展機架，支持安裝兩個獨立的子系統，其中每個子系統9個插槽，可以安裝電源模塊、CPU 模塊、通信模塊、同步模塊等。

電源模塊（Power Supply）將AC 220 V 外部電壓轉換為DC 24 V 工作電壓，為CPU 和外部控制電路提供可靠的電源。

同步模塊用于連接兩個CPU，安裝在CPU 中并通過同步光纜互連。

通信模塊（Communication Processor），負責提供與網絡之間的物理連接，建立網絡連接并通過網絡進行數據通信，提供CPU 和用戶程序所需的通信服務。

I/O 模塊是CPU 與外界聯系的中轉站，輸入部件把從現場采集的信號（開關量、模擬量）轉換成CPU 能夠接收和處理的數字量，輸入寄存器反映輸入信號狀態；輸出部件接收CPU 輸出的數字命令，并把它轉換成負載能夠接收的電流或電壓信號，輸出點反映輸出鎖存器狀態。

3.2 冗余系統存在的重要性

隨著我國工業的快速發展，自動化控制系統在工業生產中應用越來越廣泛，自動化控制系統在生產中的重要性也越來越高。因此，用戶對自動化系統的可靠性、故障停修時間等提出了更高的要求，冗余冗錯技術很好地滿足了這些要求，極大地降低了生產停機時間，保證了正常生產的持續進行。

PLC 本身具有很高的可靠性，為了提高自動化控制系統的安全性、穩定性、可靠性，防止由于某一元件故障而產生生產事故，根據PLC 系統的特點，又設計出了冗余容錯系統，采用兩套相同獨立配置的硬件、軟件或設計等，保證在其中一套系統出現故障時，另一套系統能立即啟動，保證生產運行不中斷。

冗余節點是指帶冗余組件的故障安全系統。各冗余節點可視為一個獨立節點，當某節點中的某個組件發生故障時，并不會導致其它節點或整個系統的可靠性受到限制。冗余節點鏈中最薄弱的環節決定了整個系統的可用性。

對于2選1系統，冗余節點的一個組件發生故障時不會削弱整個系統的可操作性。但當位于不同線路上的冗余節點中的兩個子單元均發生故障（完全失效），則整個系統將不能再運行。

4 冗余自動化系統的量化評估

一個自動化控制系統能否在工業生產中得到應用，其實用性、可靠性、經濟性、可擴展性等都需要被滿足，其中可靠性是控制系統設計過程中極其重要的原則。對于一些可能會產生危險的系統，必須要保證控制系統能夠長期穩定、安全、可靠的運行。這就要求在硬件設計時，應根據設備的重要性程度，考慮適當的備份和冗余；在軟件設計時，應采取相應的保護措施。其中冗余自動化系統穩定可靠性的量化評估通?；诳煽啃詤岛涂捎眯詤?。

4.1 可靠性參數

PLC 可靠性參數主要有 MTBF（平均故障間隔時間，Mean Time Between Failure）和MDT（平均停機時間，Mean Down Time）?？筛鶕谶\行的系統參數或者通過計算所使用組件的故障率進行統計分析。

S7-400H 系統的MTBF 由系統單元的MDT 確定，該時間實際上由錯誤檢測時間加上修理或替換故障模塊所用時間組成。如圖2所示。

圖2 影響系統MTBF的因素

S7-400H 系統的MDT 由下列幾項時間因素確定：①檢測錯誤所要求的時間；②查找錯誤原因所要求的時間；③故障排除和重啟動系統所要求的時間。

MDT 和MTBF 之間的相關性：MDT<

通過冗余模塊的使用，顯著延長了系統的MTBF，縮短了系統的MDT。S7-400H CPU 結合了集成的高質量自檢和錯誤檢測機制，幾乎允許檢測和定位所有的錯誤。

4.2 可用性

可用性是系統在給定時刻操作的可能性。可以通過冗余增大可用性。系統的可用性以百分比表示。它由平均故障間隔時間（MTBF）和平均修復時間MTTR（MDT）定義。可以使用下列公式計算雙通道（2選1）容錯系統的可用性：×100%。

4.3 總結

當前，已經有成百上千個冗余自動化系統在現場應用，應用組態各不相同。根據該領域的經驗，采用MTBF 具有95%的可靠性。對于帶有冗余CPU 417-5H 的系統組態，計算出的系統MTBF 值約為230年。

5 冗余PLC常見故障及處理辦法

5.1 冗余CPU無法進入冗余狀態，備用CPU無法運行

冗余CPU 在進入冗余模式運行前，Master CPU先運行，然后Standby CPU 要和Master CPU 進行同步，同步完成后Standby CPU 運行，進入冗余狀態。

同步過程中，主CPU 一直處于RUN 狀態，而備用CPU 將經過兩個階段：Link-UP 和UPDATE。同步過程中主CPU 檢查并更新備用CPU 的存儲器中的內容。Link-UP 階段主要同步CPU 中Load Memory和Work Memory 中的用戶程序；UPDATE 階段主要同步CPU 中的數據，包括定時器、計數器、M 內存區、輸入和輸出、DB 塊和診斷緩沖區等。如圖3所示：

圖3 冗余同步過程

（1）Link-UP 和UPDATE 階段出現錯誤，則無法完成同步，CPU 無法進入冗余狀態，具體原因主要從以下方面查找：

①兩個CPU 上內存卡不同；

②兩個CPU 上的Firmware 版本不一致；

③同步模塊是否正常，同步光纖是否正確連接；

④CPU 的機架號是否正確設置；

⑤檢查CPU 是否有強制變量；

⑥冗余CPU 中H parameters 設置是否合適。

（2）處理辦法主要是：

①檢查兩個CPU 上內存卡，若型號不一致，更換為相同的內存卡；

②檢查CPU 上的Firmware，若版本不一致，下載相同的版本；

③檢查同步模塊是否有損壞，若損壞，更換新的同步模塊；檢查同步光纖是否正常，若中斷，更換新的同步光纖；

④檢查CPU 的機架號與背板位置是否相對應；

⑤取消CPU 上強制變量設定；

⑥檢查CPU 中H parameters 設置。

5.2 冗余控制器上REDF報警燈閃爍

冗余控制器上REDF 報警指示燈用于指示冗余系統的狀態，當系統發生錯誤、故障時，報警指示燈閃爍，運行操作人員可根據不同情況進行排查。可參照表1，

表1 冗余控制器上REDF報警燈不同含義

6 結束語

隨著我國經濟的快速發展，天然氣行業也迎來了良好的發展契機，PLC 控制系統在天然氣長輸管道工程中發揮著巨大的作用，為增壓/輸氣場站的自動化運行提供了保障，節省了大量的人力、物力。PLC 控制系統的冗余配置，極大地減少了故障停機時間，保證了長輸管道安全平穩運行，減少了設備的故障率，減輕了運行人員維護、保養、維修工作量。