西门子PLC冗余系统在锅炉保护中的应用.pdf

第 2 2 卷第 3 期 2 01 5 年 6 月 仪器仪表用户 NS T RUM E N l 0N EI C V O1 ． 2 2 2 01 5 N o． 3 西 门子P L C 冗余系统在锅炉保护中的应用 霍锐 ，王敦坤 1 - 湖北 工业大学 ，武汉 4 3 0 0 6 8 ；2 ． 徐 州燃 控科 技股份有 限公司，江苏 徐州 2 2 1 0 0 4 摘要 通过对用户的锅炉保护系统F S S S 的改造，分析了P L C冗余技术主要原理及应用。通过采用西门子3 0 0 P L C的 冗余配置设计提高了控制系统的稳定性 ，实现了锅炉保护系统的安全运行。经过系统的调试运行 ，P L C系统可在 I O O r c L s 内完成主站与从站的冗余切换 ，完全满足系统安全要求。 关键词西门子P L C ；冗余；安全 中图分类号T P 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 5 0 3 0 0 8 0 0 4 Ap p l i c a t i o n o f S i e me n s P LC r e d u n d a n t s y s t e m i n t h e b o i l e r p r o t e c t i o n Hu o Ru i ， Wa n gDu n k u n 1 ． H u b e i U n i v e r s i t y O f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ； 2 ． X u z h o u C o m b u s t i o n C o mr o l T e c h ． C o ． ， L t d ， J i a n g s u X u z h o u 2 2 1 0 0 4 Abs t r a c t T h r o u g h t h e mo d i f i c a t i o n o f f u r n a c e F S S S ， t h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e ma i n t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f P L C r e d u n d a n c y t e c h n o l o g y ． B y u s i n g S i e me n s 3 0 0 P L C r e d u n d a n c y d e s i g n ， i t i mp r o v e s c o n t r o l s y s t e m s t a b i l i t y ， a n d e n h a n c e s b o i l e r p r o t e c t i o n s y s t e m s a f e t y o p e r a t i o n ． T h r o u g h t h e c o mmi s s i o n i n g ， P L C c o u l d s wi t c h t h e r e d u n d a n c y b e t we e n ma i n s t a t i o n a n d s u b s t a t i o n wi t h i n l O O ms t h a t me e t t h e s e c u r i t y r e q u i r e me n t ． Ke y W o r d s s i e me n s P LC；r e d u n d a n c y ；s a f e t y 锅炉保护系统F S S S 是锅炉安全运行必不可少的控制 系统，它时刻监控着燃烧器系统的各种运行参数和报警信 息，通过联锁逻辑分析 ，完成必要动作，以保护锅炉运行 的安全。由于F S S S 系统是锅炉非常重要的保护系统 ，在锅 炉运行过程中如果信号检测出现偏差或者程序运行响应迟 缓 ，都可能引起更加严重的事故发生 ，所以在保护系统设 计阶段有限考虑冗余配置。针对国内大型锅炉 ，F S S S 系统 基本上已经通过分散控制系统 D C S来完成了，在机组 信息控制管理集成化方面已经取得了满意的应用业绩。但 是采用D C S 完成系统改造的前提是需要投入很大数额的资 金才可以实现。针对 中小企业，对于进行D C S 改造所需的 少则几十万多则上千万的设备改造投资成本来说 ，显然是 有很大困难 的。因此，采用价格 比较低廉的P L C 来完成保 护系统的设计 ，显然是非常经济可行的。 某项 目用户在锅炉大修中进行了保护系统升级 ，选用 了西门子3 0 0 P L C ，通过冗余系统配置完成了技术改造。系 统改造后有效地保证了锅炉安全可靠运行。结合实际应用实 例，本文就该控制系统的软件和硬件构成进行了详细阐述。 1配置方面 7 3 1 5 2 D P 冗余配置是一种被业界普遍认可的P L C 控制 方案。该种配置方案具有硬件投资成本少，容易组态及编 程，性能灵活可靠的特点 ，并且其安全性和稳定性能完全 满足系统改造要求。要完成系统的设计 ，需要满足以下软 件和硬件配置 ’2 】 1 I S T E P 7 V 5 ．4 或更高版本 编程软件，并且需配 置软冗余软件包。 2 2 套c P U 3 1 5 2 D P 单元 。 3 2 套C P 3 4 3 以太网模块。 4l 套E T 2 0 o M扩展机架和相应的I ／ O 模块。 53 套电源模块，为主机架和扩展机架供电。 6需要建立的通讯连接网络MP I 网络用于实现编程 和调试 ；D P 网络1 用于主站与扩展从站的数据传输；D P 网 络2 用于备用站与扩展从站的数据传输 ；以太网网路用于支 持主站与备用站的数据交换。 硬件回路组态配置见图1 。 冗余系统由两套完全相同的P L C 系统组成，默认为一 主一备 。当主站中的某些组件报错或者操作员手动强制 切换时，系统指令会 自动切换到备用站中执行 ，备用站则 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 2 1 1 作者简介霍锐 1 9 8 4 一，男，江苏徐州人 ， 硕士研究生在读 ， 研究方向电气与电子工程。 8 2 仪器仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 2 卷 立的现场总线完成与I ／ 0 卡件的数据传输。基于硬件配置的特 点，此系统必须采用有源总线底板模块完成从站] J O 组态。 2 工作 方式 当系统运行时，在冗余工作模式下 ，P L C 的主站系统 和备用站系统均处于正常运行模式下，两套P L C 的硬件配 置相互独立运行互不影响 ，但是P L C 的程序执行则由主系 统的C P U实现进行控制。主站和备用站中的程序都包含冗 余程序和非冗余程序，但是主站可以完成全部的程序执行 任务，备用站仅仅负责完成非冗余程序的运行和处理 】 。 由于系统采用 了以太 网数据传输模式 ，主站C P U将 数据 同步到备用站C P U 所执行程序扫描循环过程仅仅用时 l O O ms 就完成了。由此可见 ，针对小型锅炉的安全运行需 求 ，采用西f q 3 O O P L C 冗余系统配置完全可以保证锅炉保护 系统的安全可靠稳定运行。 3上位机系统设计 本项 目上位机由工控主机系统和工业以太网交换机组 成。以太网交换机既保证了主站和备用站的数据交换 ，又 实现了P L C 与工控机的数据传输。工控机中安装 了西门子 3 0 0 编程软件S I MA T I C Ma n a g e r ll 操作画面组态软件Wi n c e ， 通过管理员权限分配 ，可以为不同操作员设定不同的操作 权 限和功能 。 3 ． 1冗余程序的组态与设计 在工控机上应安装完前述章节提到的相关软件并完成 软件的授权管理。具体的组态过程如下 l 1 在P L C 编程软件的硬件组态模式页面，需要插入两 个s 7 3 0 0 工作站，组态两套C P U。对两套C P U建立各 自的 P r o fi b u s D P 网络。速率设置为默认值1 ． 5 M，他们的站地址需 要设置为相同值，默认值为2 ，D P 站设置为默1 ． Ma s t e r 式。 2 之后分别建立以太网C P 3 4 3 的参数设置。在设置参 数前首先需要配置好同步链路 ，然后再为他们分别设置不 同的MP I 地址，并分配各 自不同的以太网通讯接口地址，包 括 MA C 地址、I P 地址， 以太网模块硬件地址。 3在主站和备用站中各 自插入一个E T 2 0 0 从站包括 I M1 5 3 2 模块和I ／ O 模板，D P 的地址设为相同。 4存盘编译网络组态 ，即生成系统的网络结构，如图 2 所示 。 可见，网络结构 中包括了4 条链路 MP I 链路 ；主站与 从站链路 ；备用站与从站链路 ；主站和备用站间的E t h e r n c t 链路。 5 程序运行离不开各模块之间的协调工作，需要在主 站中建立如下模块，才能保证系统的正常运行。 OB 1 它是程序循环组织模块，可以调用F B、S F B、 F C 等程序 ，并使他们循环执行。 O B 3 5 它是循环中断组织模块，时间间隔可以自由设 定 ，最小时间间隔不能小于5 5 ms 。 O B 8 0 它是故障中断组织模块 ，本模块具有处理时间 故障后的重新运行等功能 ，当冗余系统切换时间超时时， 调用该块。 O B 8 2 它是故障中断组织模块，本模块负责监测扩展 从站上的模块状态，当有部件出错报警，该模块负责发} H 报 错信息；如果程序中没有创建本模块，C P U 进入停止模式。 O B 8 3 它是故障中断组织模块，当从站与主站被断开 或恢复连接后会 自动调用本模块进行报警 ；如果程序中没 有创建本模块 ，C P U 进人停止模式。 O B 8 5 它是故障中断组织模块 ，当程序运行出现故障 系统会调用该模块发出报警信息；如果程序中没有创建本 模块，C P U 进入停止模式。 O B 8 6 它是故障中断组织模块 ，当主站与从站在数据 传输过程中出错时调用该模块进行报警处理 ；如果程序中 没有创建本模块，C P U 进入停止模式。 O B 8 7 它是故障中断组织模块 ，当出现MP I 通讯或者 其他通讯过程中的数据同步出错时，会发出报警信息 ；如 果程序中没有创建本模块 ，C P U 进入停止模式。 O B I O 0 它是启动中断组织模块，用于处理C P U暖启动 事件。 6在暖启动调用程序块O B1 0 0 中调用F C 1 0 0 函数进行 软冗余部分数据区的初始化。西门子3 0 0 运行时时钟扫描周 期为每次l O O ms ，可以最大同步8 k B y t e s 数据量。在F B1 0 1 块中封装 了冗余功能的程序段 ，因此需要在OB 3 5 里调用 F B1 0 1 功能块 ，实现冗余功能。冗余程序编制时，需要在 程序中建立数据存储模块，并需要为临时数据进行保存处 理 ，本案中使用了D B 5 0 数据模块作为系统数据存储块 ，并 为其分配了MW6 和MW8 用于临时数据存储。 O B 1 中程序如下 CALL” SW R _ZYK”，DB5 0 DB _W O_ NO DB1 0 C AL L _ P OS I T O N T R UE RETURN VAL M W 6 EXT _ I NFO M W 8 程序实现冗余切换时执行以下语句 UDB5 0． DBX9． 1 SPB MN EX 当系统执行程序时 ，备用站会 自动绕过冗余程序语 句，并在跳转程序块执行前调入实际需要运行的程序段 ， 该段需要运行的程序段即为冗余程序段。 7 冗余数据的交换程序语句 CALL” S W R ZYK”， DB50 DB _W ORK NO DB1 0 CALL _ POS I TI ON F ALSE RETURN VAL MW I O EXT I NFO M W 1 2 本段程序用来调用函数模块F BI O 1 ， 并实时接收和发送 第3 期 霍锐 西 门子P L C 冗余 系统在锅炉 保护中的应用 8 3 冗余段的所有数据 。当发现C P U 状态位为F A I S E 时 ，则表 示当前C P U 不是主站，系统立即停止冗余程序段的执行。 8 故障诊断程序语句 在O B 8 6 模块 中完成F C 1 0 2 的调用程序 ，主要用来判断 总线的故障状态信息。如果D P 总线出现故障信息，本功能 模块则会发出详细的故障诊断信息。 CALL” SW R DI AG’’ DB W ORK 1 OB8 6 一 EV CL AS S OB8 6 一 EV CLAS S OB8 6 _ FL T I D OB8 6 一 F ’ L T I D RET UR N _V AL．． M W 1 4 3 ． 2 wI N C C 组态画面的设置 若要实现与P L C 的数据通讯，需要对T C P ／ I P 完成参数设 置和变量的建立工作“ 】 。由于WI N C C 支持脚本生成功能， 所以工程师可以通过动态向导设置完成这些代码语句的调 试工作。根据主站和备用站上的C P 3 4 3 以太网模块设置好的 I P 地址 ，在 自动生成的脚本语句中完成通讯地址的对应设 置。本案的主站I P 地址为1 9 2 ． 1 6 8 ． 0 ． 2 1 ，已经在T C P ／ I P 选项 中配置好，备用站地址为1 9 2 ． 1 6 8 ． 0 ． 2 2 ，需要在脚本语句中 设置 ，语句如下 I f I n i t F i r s t T RUE { me ms e t Ms g C r e a t e ， 0 ， s i z e o f MS G ～ R TC RE A T E S T R U C T ； Ms g C r e a t e ． d wMs g S t a t e MS G S T AT E COME ； Ms g C r e a t e ． w T e x t Va l u e Us e d 1 s p r i n t f Ms g C r e a t e ． m t T e x t V a l u e [ 0 ] ． s z T e x t ，“ F S S S ” ； S e t T a g C h a r T A G O ，“ I P ， 1 9 2 ． 1 6 8 ． 0 ． 2 2 ⋯ 0 2 ， 0 2 ” ； I n i t Fi r s t FALS E } WI N C C 上位机软件的程序工作时，会将主站和备用站 的C P U内运行的状态字读出来，然后将主站C P U 上变量信息 连接到相应的显示和操作控件上。当主站和备用站C P U 因 故发生主备系统切换时，上位机会 自动完成相应I P 地址的 互换指令 ，保证合理操作画面上的相关数据的有效统一 ， 完成必要参数的连续监控。 4锅炉F S S S 运行情况 锅炉在投人运行之前 ，需要检测送风机运行信号 、引 风机运行信号、所有燃料阀门的关闭信号 、汽包水位正常 信号 ，并且还要确认其他各种报警信号是否已经消除。满 足全炉膛吹扫条件后 ，就可以完成为期5 分钟的全炉膛吹扫 过程 ，以保证炉膛完成足够的新鲜空气的置换过程。全炉 膛吹扫成功后 ，才可以根据运行工艺要求进入锅炉的点火 过程。真正考验锅炉F S S S 保护功能的还是主燃料跳闸信号 监测和MF T 动作输出的及时性。当出现引起危害锅炉安全 运行的信号时，F S S S 系统应果断发出锅炉主燃料跳闸指令 MF T Ma s t e r F u e l T r i p信号，并迅速切断所有燃料阀门， 阻止任何燃料进人炉膛 ，同时将最先引起MF T 的原因信号 记录下来 ，第一时间将其传送到光字牌报警显示。能引 起M F T 跳闸的信号主要有送风机停止信号、引风机停止信 号、炉膛压力过高、炉膛压力过低 、汽包水位过高 、汽包 水位过低 、燃料中断、全炉膛熄火以及紧急停车等。经过 一 年多的系统运行 ，锅炉保护系统的所有逻辑和功能运行 正常，数据通讯流畅，热备状态切换响应迅速 ，完全达到 了预期设计标准。 5结束语 采用西门子3 0 0 冗余模块完成的F S S S 保护系统大大节约 了成本投入 ，系统投用后给企业带来了可观的经济效益。 系统调试运行后，数据传输稳定，抗干扰能力强 ，上位机 画面数据刷新及时，没有出现丢失数据的现象。经过几个 月的不间断运行，不论是主站和备用站的故障切换 ，还是 维护人员的故意认为切换，主站和备用站的切换过程响应 及时，没有设备误动作情况出现 ，有效地保证了锅炉的安 全可靠运行 。 参考文献 [ 1 】 陈勇． 西门子P L C 软冗余技术在啤酒生产自控系统中的应用卟 自动化技术与应用， 2 0 1 3 8 4 9 - 5 1 ． [ 2 J 陈蕊． 西门子s 7 3 0 0 软冗余系统在高炉喷煤制粉中的应用[ y I ．数 字技 术与应用， 2 0 1 4 7 1 5 1 5 ． [ 3 】 张晓慧， 袁敏． P L C 软冗余在氮气连续供应自控系统中的研究与 应用Ⅱ I _计算机与现代化， 2 0 1 2 2 6 1 6 5 ． 【 4 】 毕林， 黄文彬 基于西门子C P U 3 1 5 --2 P N／D P 的软冗余系统在 化肥废水处理中的应用Ⅱ 1 l 自动化信息， 2 0 1 3 1 6 0 6 1 ． [ 5 】 乔卫国． P L C 冗余技术在莱钢RH 精炼炉中的应用[ 『 1 l制造业自 动化，2 0 0 9 1 0 1 5 2 1 5 4 ． [ 6 】 何瑜． 西门子冗余系统在焦化炼焦生产中的应用卟 自动化与仪 器仪表， 2 0 1 3 1 1 O 4 1 O 6 ． [ 7 ] S i e m e n s P L C 系统软件冗余的说明与实现[E B ／ OL I h t t p ／ ／ we n ku ． ba i d u． c o m ／ l i n k u r l Kt N e 4 ER M x y W i S 一2 Td 3 c d Rb y YS 5 AS 4 h S V0 b l Y j WXCe z J x C H1 WHq M2 2 N1 3 一 d 8 s h o Ur w J j lQ0 d n wND1 B l k z 1 4 Z一 _ k n v b e x j CF _ l B a x h k j Wj i C．