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西门子PLC冗余技术在糖厂压榨自控系统的应用

来源:广西工业职业技术学院作者:李 可 成发表时间:2020-06-16 14:55:12

 【摘 要】 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC),一种可以将控制指令随时输入内存进行储存和执行功能,配备有微处理器,可实现自动化控制的数字运算控制器。随着糖厂的多个工序段广泛应用PLC自控系统,人们对PLC自控系统的可靠性要求也越来越高。当硬件系统的PLC出现故障导致系统崩溃,那会损失大量的现场设备,并且带来严重的安全隐患。PLC的可靠性虽然很高,但故障率依旧不是零,为了能够稳定可靠的长期运行系统,自控系统中应用冗余控制技术就显得格外重要。

 
          冗余控制(Redundancy of control system)是一种采用一定的设备或元器件,或者成倍量的设备、元器件的方式,组成控制系统的控制方式。当某种设备或元器件因为故障而产生损坏的时候,它可以自动切换硬、软件使用备用的设备或元器件,代替损坏的设备或元器件,从而维持系统的正常运行,将因为意外停机的控制设备造成的损失降到好低。这种控制方式被广泛应用在PLC以及其他机器设备上,以防因为断电或者其他种种因素,导致产生巨大的损失。 
 
1 西门子S7-1500 PLC冗余系统
          冗余控制技术在甘蔗糖厂的压榨过程中有着重要的作用,甘蔗糖厂的生产工序地衣道环节就是压榨过程,压榨车间的正常运转,对均衡稳定整个糖厂的正常运作有着至关重要的作用。对于提高压榨自控系统的设备利用率,提高抽出率和安全率有着重大影响。冗余控制系统运行中可以将硬件或者软件设置成准备状态,当系统产生故障的时候,这些被调节成准备状态的备用设备就能够及时的切换,保证系统可持续工作。 
 
1.1 西门子S7-1500冗余PLC 的硬件
          全新Simatic S7-1500 R/H系列冗余控制系统是有西门子进行研发。它使用标准型 Simatic S7-1500 CPU,采用透明化编程方式,同时使用TIA Portal STEP 7 编程语言进行编程,可使程序从标准系统迁移到冗余系统,十分简洁方便,无需多余工作。Simatic S7-1500 R/H具有非常高的实用性,对于数据可起到保护作用防止丢失,还可做到避免停机。此外,该系列控制系统采用PROFINET 系统冗余的方式,可以充分利用 PROFINET 的诸多特点,图1是S7-1500冗余CPU外观图。全 新 Simatic S7-1500 冗 余 控 制 器 具 有 CPU1513R、CPU1515R 和 CPU1517H 这 三 种 CPU。 其 中 ,CPU1513R 和CPU1515R可应用于中小型项目中。如有突发情况,比如其中一个 CPU 失效,其工作内容可由另外的 CPU 自行接替并进行运作,避免了数据丢失的问题。此外,基于PROFINET系统冗余的通讯方式还可以提高设备的可用性。支持Profinet S2冗余功能的现场设备(例如 ET 200SP/MP)通过 PROFINET 连接到冗余CPU,从而构成PROFINET冗余通讯,如遇到网络中断的突发情况,也可保证现场设施设备进行有效的运作。CPU1517H性能优越稳定可适用于大型项目。该系列CPU带有专门的光纤同步模块,可以实现快速、平滑的切换。未来,CPU1517H还将开发支持PROFINET冗余网络。
S7-1500冗余CPU外观图
1.2 S7-1500R冗余网络
          图 2 所示是 Simatic S7-1500R 冗余网络结构示意图,两个CPU 通过 PROFINET IO 环连接到 I/O 站,也经由该环进行同步。如果 CPU 发生故障,备份 CPU 自动接管过程。数据不会丢失,且该过程很快就能够继续执行。PROFINET IO MRP 环确保即使发生现场总线中断,仍可访问所有节点。该工程组态相当于一个标准 CPU,TIA Portal 和冗余 CPU 处理程序与数据的同步,不会给用户带来额外工作量。
S7-1500R冗余网络结构示意图
 
2 压榨自控系统
2.1 系统软硬件配置
          综合考虑可靠性和经济成本等原因,采用性价比高的西门子S7-1500系列CPU1515R双CPU软冗余控制系统。在S7-1500冗余PLC中,不支持本地机架模块的扩展组态,包括电源模块、通信模块、IO模块、工艺模块。对于电源模块因为本地机架没有扩展模块,不需要 PS 电源扩展背板电源,可以安装 PM 电源为PLC供电,根据相应的IO模块配合信号的数量,ET200MP通过IO模块联结主控制器以远程子站的传输方式进行连接,具体如图3所示。
压榨自控系统硬件配置图
          在冗余系统中,每个 CPU 都有一个冗余 ID。在 STEP 7 中,通过冗余 ID 将项目树分配给实际的 CPU。两个 CPU 中ding端的 CPU 通常为冗余 ID 为“1”的 CPU。底部 CPU 的冗余 ID 为 “2”。如果 CPU 带有的硬件配置,同时用户更改了该 CPU 的冗余 ID,则还需更改该 CPU 的名称和 IP 地址。除了各 CPU 的设备 IP 地址之外,还可为 S7-1500R/H 冗余系统分配系统 IP 地址。通过系统 IP 地址,可与其它设备(如,HMI 设备、CPU、PG/PC)进行通信。这些设备通常基于系统 IP地址与冗余系统的主 CPU 进行数据通信。这样,可确保在冗余操作中原来的主 CPU 发生故障后,通信伙伴可在 RUN-Solo 系统状态下与新的主 CPU(之前的备用 CPU)进行数据通信。 
 
2.2 控制压榨机高位槽料位
          控制压榨机高位槽料位其实就是控制压榨机转速,压榨机通过离散型侧梁高槽料位是通过采用欧姆龙电容式接近开关实现的,模糊控制对测得的高位槽料位。实时监控对电机电流和电机轴瓦温度的两个重要参数,将其作为设备连锁的原因是要保护信号,可以避免电流过大或者温度过高,以此调整输出的功率,有效的保护电机并达到安全生产的目的。 
 
2.3 混合汁箱液位、流量控制
          (1)压出汁箱液位控制(Pressure out tank level control):液位变送器连续检测压汁盒液位。结合各座压力机的总体情况和渗透性,采用变频技术对调速传动泵进行控制,以保证被压果汁盒内的液体量不满足溢流。同时设有液位超限报警功能,防止液位超限,及时报警。
          (2)通过在混合果汁箱液位、流量等因素的影响下,采用混合果汁均匀流泵系统(Mixed juice uniform flowpump system),采用工业计算机(PLC)技术建立数学模型,建立了良好的交通控制模式,实现混合果汁均匀流泵。为了克服手动控制的问题,疏散和流量波动的现象往往很大。系统为每个团队生成一个流量历史曲线,并根据该曲线进行存储、查询功
能。
          (3)混合汁箱液位控制:通过液位变送器对混合果汁盒水进行连续检测,考虑混合果汁的量和输送流量等因素,建立数学模型,保持液位的稳定,保持混合果汁盒内含有F1不满溢流,且稳定与硫熏稳定[3]。 
 
2.4 渗透水控制
          渗透水流量控制(Seepage flow control):测量渗透流量,与核子秤实时压榨量相结合,应用渗透流量控制系统,根据生产需要设置渗透比,自动控制电动阀门的开启,实现自动加水量。该系统通过分组制作渗透流程图,具有存储和检索功能。利用液位转换器(Liquid level converter)连续测量渗透罐液位,控制冷水水量,使渗透罐液位(Infiltration tank level)基本恒定。同时,当水位超过限位时,系统自动报警。连续入渗温度由温度传感器测量,供水阀门根据冷水添加量自动控制,保持恒定的水温,限制水的温度,并自动触发系统中的警报[4]。 
 
2.5 磷酸自控、石灰乳箱液位控制
          磷酸自控(Phosphate self-control):按照压榨工作车间安装的核子秤的瞬间甘蔗入榨计量值(The measured value of sugarcane press)、按生产调度人员设置的磷酸比例,由自控系统自动控制变频器(Automatic control frequency converter)、磷酸计量泵(Phosphoric acid metering pump),实现了对混合果汁中磷酸的自动定量控制。石灰乳罐内液位控制:根据石灰乳罐内液位,利用工业计算机(PLC)技术,建立数学模型,得出好优液位控制方式;液位变送器连续检测石灰乳盒的液位。通过控制石灰乳给料阀,使石灰乳槽不满足溢流,使石灰乳槽液面保持基本稳定。 
 
2.6 轴温监控
          轴温监控(Temperature monitoring):为了确保重要机械设备的轴承温度在生产过程中,如撕裂机、压机、减速机、等,可以测量轴承温度在线实时数据收集、监测和管理,超限报警,自动生产历史曲线记录,可以随时询问使用轴温度监测和报警系统,从而提前警报安全隐患,避免重大事故的发生,提高安全生产水平。 
 
2.7 榨机转速控制
          榨机转速控制(Speed control of press):料位检测设备安装在五台冲床ding槽上,利用冲床自动控制系统,根据ding槽高度和冲床负荷,对冲床速度进行非常好的的自动控制。非接触蔗丝料位传感器(Non-contact sugarcane wire level sensor),对高位槽内真实料位进行检测,是国内首创技术。 3 PLC的控制功能选择
 
3.1 运算功能
          PLC具有逻辑运算、定时和计数功能,普通PLC的运算功能也具有数据移位(data shift)和比较的运算功能。复杂的操作功能有代数操作、数据传输等,在大型PLC中还具有仿真量PID操作等高级操作功能。随着开放式系统(open system)的出现,PLC已经具备了通信功能,有些产品可以与下位机、同位机、上位机进行通信,有些产品还具有与Internet和工厂进行数据通信的功能。从实际应用的角度出发,在设计和选型时应选择合理的计算功能。在大多数情况下,好需要的功能是逻辑操作(logic operation)和定时计数(timer counter)功能。一些应用需要数据传输和比较,代数运算只需要这个函数来检测和控制模拟量。 3.2 控制功能控制功能有PID控制操作、前馈补偿控制操作(Feedforwardcompensation control operation)、比例控制操作(Proportional control operation)等功能,应根据控制要求确定。PLC 的主要功能是顺序逻辑控制(sequential logic control),因此,对模拟量的控制多数情况下往往采用单回路或多回路控制器(multiloop controller),有时完成所需的控制功能,还采用专用的智能输入输出单元,可以提高PLC的处理速度和存储容量。 
 
3.3 编程功能
(1)离线编程:PLC和编程器共用一个CPU。当程序员处于编程模式(Edit Programming)时,CPU 只向程序员提供服务,不控制现场设备。编程完成后,程序员将切换到运行模式,CPU控制现场设备,无需编程。如果想要降低系统的成本,可以使用离线编程(off-line programming),使用和调试不是很舒服。
(2)在线编程(online programming):CPU 和程序员有各自好立的主机,CPU控制站点,程序员在一个扫描周期内与CPU交换数据,程序员将准备好的在线程序发送给主机。下一个扫描周期,主机根据接收到的程序运行。成本高,但系统调试和操作方便,在大中型PLC中经常使用。五种标准化编程语言:三种图形化语言:功能 模 块 图(Function Block)、序 列 功 能 图(sequence functionchart)、梯形图(ladder diagram)。两种文本语言:语句表(statement list),结构化文本(Structured Text)。
 
4 结束语
冗余控制技术在甘蔗糖厂的压榨过程中有着重要的作用,甘蔗糖厂的生产工序地衣道环节就是压榨过程,压榨车间的正常运转,对均衡稳定整个糖厂的正常运作有着至关重要的作用。对于提高压榨自控系统的设备利用率,提高抽出率和安全率有着重要影响。西门子S7-1500系列PLC中,根据CPU的性能参数的不同,分为 S7-1500R 和 S7-1500H 两种类型的冗余 PLC。 S7-1500H的组态限制较高,常应用在对切换时间和性能表现有更高要求的冗余系统;S7-1500R侧重于 CPU 冗余的应用,已经满足糖厂压榨生产线自动控制系统的应用。
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