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造紙廠(chǎng)PLC控制系統的冗余配置與應用
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1引言
造紙廠(chǎng)PLC控制系統主要用于集散控制和傳動(dòng)控制，如下圖1所示。集散控制主要包括制漿流程、造紙流程和倉儲流程；傳動(dòng)控制則以造紙機的分部傳動(dòng)為主。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/330787.htm
圖1造紙PLC控制系統所針對的主要生產(chǎn)工藝
在造紙生產(chǎn)工藝的控制要求中，需要做到以下三點(diǎn)：
?。?）造紙設備在啟停和運行過(guò)程中發(fā)生危機設備和人身安全的故障時(shí)，需要自動(dòng)采取保護和聯(lián)鎖，防止事故的產(chǎn)生和避免事故擴大，從而保證正常啟停和安全運行；
（2）通過(guò)對造紙設備工作狀態(tài)和運行參數的嚴密監視，發(fā)生異常時(shí)，即時(shí)發(fā)出報警信號，必要時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)或者切除某些設備或者系統，維持原負荷運行或減負荷運行直至安全退出運行；
（3）造紙自動(dòng)化的集散控制要求更快的速度、更有效控制與監測、更高的數據處理能力和抗風(fēng)險能力，以及更高的集成能力。在這種情況下，僅靠提高控制系統硬件的可靠性來(lái)滿(mǎn)足上述要求是遠遠不夠的，因為PLC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系統才能夠比較有效地解決設備安全問(wèn)題，才能保障整個(gè)系統的安全與效率。
在冗余控制系統中，整個(gè)PLC控制系統（或系統中最重要的部分，如CPU模塊）由兩套完全相同的系統組成。兩塊CPU模塊使用相同的用戶(hù)程序并行工作，其中一塊是主CPU，另一塊是備用CPU；主CPU工作，而備用CPU的輸出是被禁止的，當主CPU發(fā)生故障時(shí)，備用CPU自動(dòng)投入運行。
本文將主要討論造紙廠(chǎng)PLC系統的冗余配置和應用。
2西門(mén)子PLC控制系統的冗余配置
2.1 冗余原理配置
造紙廠(chǎng)的西門(mén)子冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開(kāi)始時(shí)，A系統為主，B系統為備用，當主系統A中的任何一個(gè)組件出錯，控制任務(wù)會(huì )自動(dòng)切換到備用系統B當中執行。這時(shí)，B系統為主，A系統為備用，這種切換過(guò)程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統運行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯，操作人員也可以通過(guò)設定控制字，實(shí)現手動(dòng)的主備系統切換，這種手動(dòng)切換過(guò)程，對于控制系統的軟硬件調整、更換、擴容非常有用。圖2為西門(mén)子冗余結構示意。
圖2西門(mén)子PLC冗余結構示意
根據保護系統所需的輸入輸出點(diǎn)數、節點(diǎn)容量、系統功能等要求，可以使用兩個(gè)西門(mén)子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特別應當注意的是冗余系統應當使用有源總線(xiàn)模板的導軌及有源總線(xiàn)模板。其中冗余系統中主備系統的切換時(shí)間按照以下公式計算：主備系統的切換時(shí)間=故障診斷檢測時(shí)間+同步數據傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。
如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字節的數據所需的時(shí)間大約為200～300ms，8個(gè)DP從站的切換時(shí)間在100ms左右。
無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當前激活的系統（即主系統）隨時(shí)都會(huì )接收并處理報警，這樣，在主系統A與備用系統B進(jìn)行切換過(guò)程中產(chǎn)生的報警存在被丟失的可能。在冗余系統進(jìn)行工作時(shí)，A、B控制系統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對從站中的I/O控制權。A、B系統中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶(hù)程序段和冗余（redundant backup）用戶(hù)程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶(hù)程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶(hù)程序段，而跳過(guò)冗余用戶(hù)程序段。
2.2 S7-300冗余程序的設計
（1）系統配置
中小紙機的控制系統可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造紙機。它是由兩套S7-300系統組成，實(shí)現主機冗余和通訊冗余，兩套CPU315互為熱備，當系統正常時(shí)一個(gè)工作、另外一個(gè)處于備投狀態(tài)，兩個(gè)CPU315中的數據保持一致；當運行中的CPU315出現故障時(shí)，另外一個(gè)CPU315自動(dòng)投入運行，確保系統的正常運行。
系統采用多個(gè)分布式輸入輸出I/O站ET200M，每個(gè)ET200M上有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構模塊IM153-2，通過(guò)ProfiBus-DP總線(xiàn)與CPU連接。上位監控采用CP5613通訊卡與S7-300連接。圖3為PLC系統原理。
圖3PLC系統原理
圖3中，造紙機的自動(dòng)化控制系統能夠實(shí)現：主機架電源、背板總線(xiàn)等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )冗余（包括通訊接口、總線(xiàn)接頭、總線(xiàn)電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。
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