PLC系统在造纸厂生产过程和传动控制中的冗余设计浅析

1 引言

造纸厂PLC控制系统主要用于集散控制和传动控制，如下图1所示。集散控制主要包括制浆流程、造纸流程和仓储流程；传动控制则以造纸机的分部传动为主。

图1 造纸PLC控制系统所针对的主要生产工艺

在造纸生产工艺的控制要求中，需要做到以下三点：

（1）造纸设备在启停和运行过程中发生危机设备和人身安全的故障时，需要自动采取保护和联锁，防止事故的产生和避免事故扩大，从而保证正常启停和安全运行；

（2）通过对造纸设备工作状态和运行参数的严密监视，发生异常时，即时发出报警信号，必要时自动启动或者切除某些设备或者系统，维持原负荷运行或减负荷运行直至安全退出运行；

（3）造纸自动化的集散控制要求更快的速度、更有效控制与监测、更高的数据处理能力和抗风险能力，以及更高的集成能力。在这种情况下，仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系统才能够比较有效地解决设备安全问题，才能保障整个系统的安全与效率。

在冗余控制系统中，整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。

本文将主要讨论造纸厂PLC系统的冗余配置和应用。

2 西门子PLC控制系统的冗余配置

2.1 冗余原理配置

造纸厂的西门子冗余系统由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、扩容非常有用。图2为西门子冗余结构示意。

图2 西门子PLC冗余结构示意

根据保护系统所需的输入输出点数、节点容量、系统功能等要求，可以使用两个西门子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特别应当注意的是冗余系统应当使用有源总线模板的导轨及有源总线模板。其中冗余系统中主备系统的切换时间按照以下公式计算：主备系统的切换时间=故障诊断检测时间+同步数据传输时间+DP从站切换时间。

如果CPU的故障是停机或断电，则故障诊断为大约100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字节的数据所需的时间大约为200～300ms，8个DP从站的切换时间在100ms左右。

无论控制程序循环扫描到哪里，当前激活的系统（即主系统）随时都会接收并处理报警，这样，在主系统A与备用系统B进行切换过程中产生的报警存在被丢失的可能。在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掌握对从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）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。

2.2 S7-300冗余程序的设计

（1）系统配置

中小纸机的控制系统可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造纸机。它是由两套S7-300系统组成，实现主机冗余和通讯冗余，两套CPU315互为热备，当系统正常时一个工作、另外一个处于备投状态，两个CPU315中的数据保持一致；当运行中的CPU315出现故障时，另外一个CPU315自动投入运行，确保系统的正常运行。

系统采用多个分布式输入输出I/O站ET200M，每个ET200M上有两个网络结构模块IM153-2，通过ProfiBus-DP总线与CPU连接。上位监控采用CP5613通讯卡与S7-300连接。图3为PLC系统原理。

图3 PLC系统原理

图3中，造纸机的自动化控制系统能够实现：主机架电源、背板总线等冗余；PLC处理器冗余；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）；ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。

中小型纸机的PLC自动化冗余控制系统可以实现以下功能：

① 上浆流送系统；

② 损纸系统；

③ 化学品系统；

④ 水系统；

⑤ 蒸汽冷凝系统；

⑥ 仓储系统；

⑦ 传动控制系统等。

（2） 硬件组态

先在“Hw Conifg”中分别下装硬件，然后打开“Netpro”，建立同步联接。

再分别向两个CPU下装。

（3） 软件编程

为了使系统在DP从站故障时不会造成CPU停机，除了OB86外还需使用以下组织块。

OB80 主—从切换时循环时间超出；

OB82 冗余备份DP从站上的某一模件的诊断报警；

OB83 DP从站接口上的模件连接中断/重新连接报警；

OB85 当DP从站接口故障时运行出错；

OB87 通讯故障；

OB122 外设访问出错。

输出地址连续，不包括CP和FM模件。

每个DP从站最大输出范围32个字节。

2.3 S7-400系统配置

对于高速中大纸机，为保证高度的可靠性和稳定性必须采用高速度、大容量的冗余控制器，如西门子S7-400H。图5为典型的冗余系统网络结构图。它通过以太网络将上位计算机系统和现场控制点紧密的结合为一个整体，构成一个完整的系统。在这样高速传输网络上，可以很方便的利用PLC系统所特有的功能，实现对整个造纸控制系统的集散控制和传动控制功能。

图5 系统网络结构图

本系统是基于西门子全集成自动化概念的系统，同时采用上位机WINCC作为操作和监控的人机界面，其冗余功能包括：

（1）控制器冗余，可以实现双控制器冗余切换功能，S7-400H CPU之间用光纤连接，实时保持在线备份，当主CPU出现故障时，另外一个CPU在线自动接替主CPU进行工作，切换时间为毫秒级；

（2）通讯冗余，ProfiBus-DP网采用两个分别独立的网络结构，组成ET200M I/O站冗余通讯，实现与双控制器的冗余通讯；

（3）电源冗余，10A直流电源冗余配置，用于CPU和模块供电。

S7-400H的冗余控制系统在造纸厂应用中可以采用客户/服务器的结构，以集中的、从上到下的组态方式实现造纸控制系统的友好人机界面。它具有开放的结构，可以同管理级进行通讯，也可以同现场总线技术融为一体。

3 施耐德PLC控制系统的冗余配置

3.1 系统配置

除了西门子PLC冗余系统，在造纸厂控制系统考虑可靠性、安全性、兼容性的因素情况下，PLC还可以选用施耐德公司Quantum Unity系列产品。由图6可知该造纸系统由光缆、工业交换机、冗余PLC构成100M以太冗余环网，冗余PLC系统对流送系统、水系统、蒸汽冷凝系统、损纸系统等进行控制，交换机选用TP-TX/TX系列499NES07100，集线器选用3TP/2FL系列499NEH00410。

图6 系统配置

3.2 系统软件配置及功能

3.2.1 冗余系统的切换

造纸控制系统采用的是冗余PLC系统，其切换功能包括：当主控PLC发生故障时，自动将数据流、程序逻辑切换到冗余备用PLC；当系统启动时，自动决定PLC的主/备状态；当主控PLC从故障中恢复后，自动解决PLC间的状态冲突。

为了确保在实际运行的冗余切换问题，必须对冗余CPU切换进行测试，包括两种：

一种是利用CPU控制器前面板键盘热备子菜单进行切换：

（1）键盘切换

① 操作主控制器键盘；

② 进入PLC操作菜单；

③ 进入热备子菜单；

④ 进入热备模式；

⑤ 将运行状态改为离线状态；（注意：确保备用控制器切换为主控制器）

⑥ 将离线状态改为运行状态。（注意：确保液晶显示屏显示“运行备用”）

另外一种是利用命令寄存器系统位％SW60.1或％SW60.2进行切换在切换过程中，必须观察切换对I/O模块的影响：

（2）寄存器切换

① 连接主控制器；

② 观察主控制器的顺序是A还是B（注意：用以下基中一个办法来进行观察）;

主控制器前面板键盘（PLC操作/热备/热备顺序）

Unity Pro状态对话械（当在线连接时参考Unity Pro窗口底部）

③ 存取命令寄存器系统位；

%SW60.1（如果连接的主控制器顺序是A）

%SW60.2（如果连接的主控制器顺序是B）

④ 将位设备为0（注意：确认备用控制器已切换为主控制器）；

⑤ 连接新的主控制器。

⑥ 存取命令寄存器系统位。选择与步骤3中相同的位；

⑦ 将位设置为1（注意：确保备用控制器显示“运行备用控制器”）；

⑧ 确保主控制器和备用控制器片于“运行主控制器”模式和“运行备用控制器”模式。

3.2.2 冗余系统的数据处理

在造纸系统冗余PLC系统运行中，在主控PLC和备用PLC之间自动同步实时数据（如图7所示）；主控PLC发生故障时，自动将数据流切换到备用PLC，并将所有故障和切换信息记录到备用PLC。这种实时更新以扫描周期为基准，在每一个扫描周期后，主控PLC都会向备用PLC发送以下信息：定位变量、所有非定位变量、所有DFB和EFB类型实例、SFC变量区、系统位与字。

图7 冗余系统数据处理

4 结束语

PLC系统在造纸厂生产过程和传动控制中的冗余设计选型和应用需要按照以下原则进行：

（1）按过程控制系统的控制规模和复杂程度

控制规模越大、复杂程度越高，则优先选择冗余系统和高速CPU系统，因为它能保证安全可靠性，并能对大量的模拟量数据信息进行实时处理、分析和运算，能完成各种复杂、繁琐的调节控制计算。

（2）按投资规模和项目经济效益合理选择

在一些中小型造纸厂项目中，投资规模较小，则应优先选用相对低廉、性价比好的中型PLC，包括国产中型PLC，因为目前的国产PLC也开始有了冗余系统。

（3）考虑到系统连续性、兼容性及通讯指标

如原造纸厂项目已有PLC控制系统，要考虑到系统的连续性和兼容性。因为这些PLC厂家能在很多方面做到兼容性，并确保程序的顺利转换和冗余控制。

（4）考虑到系统生产厂家的技术服务性

由于在造纸工业设备中，各PLC厂家的产品结构、销售策略、市场占有方向各不相同，合并或兼并后，将会对最终用户产生大的影响，因此在选择时必须周全考虑。如选择有造纸背景的PLC厂商、选择与原DCS系统一致的PLC厂商等。