PLC软件冗余系统在燃油锅炉中的应用

PLC软件冗余系统在燃油锅炉中的应用产品部门：AS所属行业：锅炉及原动机械制造业来源：李强1王磊1（1.西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西西安710048；）摘要：在油站输油管道加热系统的高安全性、可靠性要求下，设计采用冗余技术保障控制系统高效运行，降低故障带来的损失。本文介绍了西门子公司基于S7-300系列可编程控制器（PLC）开发的软件冗余技术。该系统稳定性高、构成灵活、成本相对较低、具有很好的应用前景。关键词：可编程逻辑控制器；软件冗余；通信ApplicationofPLCSoftwareRedundancyintheHeatingsystemofsteamboilerLiQiang1WangLei1(1.FacultyofAutomationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China；)Abstract:Onrequestofhighsecurityanddependabilityheatingsystemofpipe-laying,designadoptsoftwareredundancytechniqueensurehighefficiencyrunningofcontrolsystem,reducesystemmalfunction.ThispaperintroducesthesoftwareredundancybasedonS7-300serialprogrammablecontrollersofSIEMENS.Thesystemhavecapabilityofhighstability,structure’sagility,lowcost,andgoodapplicationforeground.Keywords:PLC;SoftwareRedundancy;communication在重要的工业生产领域和军用产品设计中，采用冗余技术提高控制系统可靠性的做法越来越普遍。常规的冗余就是采用成倍增加元件的方式来参与控制，以期能够将因控制设备的意外而导致的停机降到最少。燃油锅炉是输油管道加热系统中的加热设备，锅炉的无故障运行是整个输油管道网络正常工作的保证。在锅炉控制系统中，设计采用两组独立运行的西门子PLC软件冗余控制系统，保证加热系统的可靠、连续、安全运行。冗余常见的方式是中央处理器冗余、I/O冗余和通讯冗余。中央处理器单元冗余（即一用一备或一用多备），在主处理器单元失效时，备用处理器单元自动投入运行，接管控制。在控制权的交互方式上又可分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换，不用编程。除了成对的使用处理器外，还用专用的热备模块，热备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余均采用光纤通讯，通讯速度快，系统稳定，切换时间更短，但是成本也比较高。软件冗余方式只需要成对的处理器，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成十分灵活，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式还是非常经济有效的。1．控制系统构成：1.1监控系统整体设计本控制方案设计采用了SIMATICWinCC组态软件来实现过程控制的上位机组态，WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统。下位机控制系统设计采用两套独立的西门子SIMATICS7-300系列PLC实现冗余控制，其编程软件STEP-7功能强大，模块化结构，优化了用户程序。监控系统构成实现如图1：图1冗余监控系统Fig.1Softwareredundancymonitoringsystem1.2PLC软件冗余控制系统软件冗余是Siemens实现冗余功能的一种低成本解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中。1.2.1系统结构Siemens软件冗余系统的软件、硬件包括：1套STEP7编程软件（V5.x）加软冗余软件包(V1.x)；2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统；3条通讯链路，主系统与从站通讯链路（PROFIBUS1）、备用系统与从站通讯链路（PROFIBUS2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI或PROFIBUS或Ethernet）；软冗余能够实现：1．主机架电源、背板总线等冗余；2．PLC处理器冗余；3．PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余）；4．ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行，这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整、更换非常有用。1.2.2系统工作原理在软冗余系统进行工作时，A、B控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。下面我们看一下软冗余系统中PLC内部的运行过程（图2）：图2冗余工作原理Fig.2Theworkingprincipleofsoftwareredundancy1.3PLC控制系统设计利用信号采集模块实时采集锅炉的输油管进出口温度和压力，根据设定起炉、转火、停炉温度值控制燃烧机的自动启动、转火、停止等操作。根据温度、压力报警设定值，控制锅炉紧急停炉和故障报警等处理。控制系统组成：一组CPU315-2DP处理器（带PROFIBUS-DP接口）；2组ET200M模块（各自带2个IM352接口）；一组SM321DI开关量输入模块；一组SM322DO开关量输出模块；3组SM331AI模拟量输入模块。一组CP343-1以太网通信处理器模块。1.4WinCC与S7-300的通信实现根据控制方案的设计，采用WinCC组态作为上位机监控，用西门子的S7_300作为下位机执行机构，我将采用以太网的标准Tcp/IP协议实现WinCC与S7-300的通信，将现场的状态参数、控制参数等上传到监控层。这个变量传递的过程可以用图3来说明：图3变量监控过程Fig.3Courseofvariablemonitoring1.5WinCC组态冗余的实现通过两台独立计算机同时运行项目功能完全相同的WinCC组态项目，构成并行服务器来实现组态冗余结构，两台服务器通过以太网连接，并与PLC连接。每台服务器都带有其自身的过程连接和可用的数据归档，工作PLC站将过程数据和消息同时发送到两台冗余服务器。如果一台服务器发生故障，另一台将继续接收和归档来自PLC工作站的过程值和消息。出现故障的服务器重新工作后，冗余服务器为故障时间的归档执行同步，通过将丢失的数据重新传送到出故障的服务器，来消除故障引起的归档差别。冗余服务器的组态实现：1．必须在两个冗余服务器上组态功能完全相同的WinCC组态项目（建议使用WinCC项目复制器）。2.对于WinCC冗余，需要同步服务器（建议使用设备的时间同步）。3.配置冗余用户归档，实现用户归档同步。4.组态在线消息同步。5.打开冗余编辑器，在“冗余伙伴服务器”项，输入冗余服务器的名称，并在“用户归档”项下，激活“用户归档的同步”。本系统通过动态向导设置读取IP冗余地址，实现主S7-300数据监控。1.6软冗余程序的设计软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7，在A站的Block中插入OB1（主循环程序块）、OB35（定时中断组织块）、OB100（暖启动调用程序块）、OB80（在主系统与备用系统切换时间超时，调用该块）、OB82（DP-SlaveET200站上的IM153-2模块出错报警，调用该功能块）、OB83（DP从站的接口模块与主站链接断开或链接重新建立时调用该块）、OB86（主从站通讯出错调用该块）、OB87（通讯失败调用该块）、OB122（外围设备访问出错调用该块）、OB121等组织块，并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。首先，用户需要在初始化程序中（OB100）定义冗余部分的数据区，该数据区可以包括：一个过程映像区，一个定时器区，一个计数器区和一个数据块区，S7-300同步的最大数据量为8kBytes。本控制系统将每台锅炉的温度、压力采集值和运行状态参数分别放置在不同的DB数据块，并定义为需要冗余的数据块。使用的是OB35的默认属性，即每100ms中断触发一次，可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB101S’WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段，实现冗余功能。当执行‘SWR_START’程序块时，系统分配这些数据区，不能用S7的定时器和计数器，只能使用IEC标准的定时器和计数器。OB35中的程序段也可以在OB1中实现，只是不使用中断的方式，而使用主循环的方式。调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功，原因是CP342-5之间的FDL链接建立的不正确或物理链路不通，或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的ID号不一致。2．结束语：以上简要介绍了SIEMENS软件冗余系统的系统组成、工作原理、程序编制，整个系统组成简单、构成灵活、程序编制比较容易。系统在某输油站投入运行以来,保证了系统无故障停机运行,提高了工作效率,降低了维护费用，以其可靠性、灵活性、便利性受到用户好评。参考文献：[1]SIEMENS.SoftwareRedundancyforS7-300[M].2005.[2]SIEMENS.SIMATICWinCCconfigurationmanual[M].2003.[3]浙江大学自动化中心(AutomationcenterofZheJiang).可编程序控制器系统(Programmablecontrolsystem)[M].浙江大学出版社(ZheJiangUniversityPress),2000.[4]冯太合(FengTai-he).可编程控制系列书西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP7(SIEMENSS7-300serialPLCandinternetapplicationsSTEP7)[M].华南理工出版社(SouthChinaUniversityofTechnologyPress),2004.[5]许志军(XuZhi-jun).工业控制组态软件及应用(Softwareandapplicationofindustrialcontrolconfiguration)[M].机械工业出版社(IndustrialmachinePress),2005.