李宏利

【摘要】介紹西門子PCS7 DCS控制系統(tǒng)在纖維后處理項(xiàng)目中的冗余應(yīng)用。簡(jiǎn)要講述了系統(tǒng)的組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)供電、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)配置、單站結(jié)構(gòu)的冗余方案進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】PROFIBUS_DP現(xiàn)場(chǎng)總線；單站；冗余；PCS7；控制器； Y-LINK

1、引言

唐山三友集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)化纖有限公司坐落于河北省唐山市曹妃甸新區(qū)，毗鄰京津唐大都市群，是纖維素纖維專業(yè)生產(chǎn)廠家。公司利用先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及設(shè)備制造能力，在業(yè)內(nèi)首創(chuàng)了單線產(chǎn)能8萬(wàn)噸/年的世界最大生產(chǎn)線，創(chuàng)造了單線產(chǎn)能最大、設(shè)備最先進(jìn)、差別化率最高、產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)、綜合能耗最低等行業(yè)之最，成為國(guó)內(nèi)最大的纖維素纖維生產(chǎn)、研發(fā)基地之一。其中纖維后處理項(xiàng)目是為了除去或減少粘膠纖維紡絲成形后含有的殘硫雜質(zhì)，如硫酸、硫酸鹽、二硫化碳及硫磺等。避免它們?cè)诶w維中的存在，影響絲條質(zhì)量，如絲條的殘留不僅使纖維變?yōu)榈S色，手感粗硬、發(fā)脆，還影響強(qiáng)力。烘干時(shí)對(duì)纖維起破壞作用或降低纖維的物理機(jī)械性能和染色性能，某些雜質(zhì)在成品纖維中的存在會(huì)影響紡織加工的順利進(jìn)行和織物的外觀，降低織物的使用性能。該項(xiàng)目過(guò)程控制采用了西門子PCS7 V7.1 SP1 版本的DCS控制系統(tǒng)，在PCS 7 系統(tǒng)中，采用的是參考單站架構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC軟件和硬件，支持總線冗余和組件冗余，支持在線組態(tài)修改和故障診斷。由于該裝置屬于危險(xiǎn)化學(xué)品行業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程具有易燃易爆，有毒有害的特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)計(jì)了多處聯(lián)鎖回路確保安全。一旦控制系統(tǒng)哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)給生產(chǎn)和安全帶來(lái)嚴(yán)重后果，為此針對(duì)DCS控制系統(tǒng)，我們考慮設(shè)計(jì)一整套冗余控制方案，即系統(tǒng)供電冗余、控制器冗余、通訊網(wǎng)絡(luò)冗余。

2、系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目DCS控制系統(tǒng)構(gòu)成：操作員站（OS）系統(tǒng)使用的是參考單站，他是由三臺(tái)單站組成。各個(gè)單站分別獨(dú)立運(yùn)行，各自完成從AS采集數(shù)據(jù)，歸檔和報(bào)警的功能，單站同時(shí)還是操作員進(jìn)行操作的人機(jī)界面。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，指定一臺(tái)操作員站同時(shí)具備工程師站（ES）功能，用于項(xiàng)目組態(tài)。中央處理器使用的是西門子CPU417H，在制造自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中，對(duì)所有中、高端的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CPU417H功能非常強(qiáng)大。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS_DP網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與中央處理器之間的通訊；PROFIBUS_DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中央處理器與通訊卡件之間的冗余通訊。

3、冗余供電方案

該項(xiàng)目整套DCS控制系統(tǒng)及附件都采用的冗余供電方式，其中220v電源是通過(guò)冗余UPS進(jìn)行不間斷供電，24V電源是通過(guò)兩個(gè)朝陽(yáng)電源（220V/24V）并聯(lián)加二極管實(shí)現(xiàn)冗余供電。UPS采用30KVA的梅蘭日蘭MGE Galaxy 300型號(hào)，其特點(diǎn)：雙電源輸入，容許一路或兩路獨(dú)立電源的標(biāo)準(zhǔn)安裝；自動(dòng)內(nèi)部旁路，按照滿載設(shè)計(jì)的內(nèi)置靜態(tài)維修旁路在嚴(yán)重過(guò)載時(shí)通過(guò)由市電供電來(lái)防止斷電。最多可并聯(lián)2個(gè)單元，以實(shí)現(xiàn)冗余，連接的設(shè)備可由并聯(lián)的兩臺(tái)UPS供電，以增加系統(tǒng)冗余性?？焖匐姵爻潆娔芰?，可使運(yùn)行時(shí)間達(dá)到4小時(shí)以上，長(zhǎng)延時(shí)充電器縮短了充電時(shí)間，防止電池深度放電。我廠實(shí)現(xiàn)冗余供電的原理圖如下：

4、網(wǎng)絡(luò)冗余方案

西門子PCS7自動(dòng)控制系統(tǒng)共分為三層網(wǎng)絡(luò)，上層普通以太網(wǎng)，中層環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)，下層PROFIBUS_DP網(wǎng)。下層PROFIBUS_DP網(wǎng)分為兩段DP網(wǎng)絡(luò)，一段DP網(wǎng)連接冗余控制器和冗余ET200M卡站，每個(gè)卡站的兩個(gè)冗余通訊卡通過(guò)PROFIBUS_DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接到兩個(gè)冗余控制器上；另一段DP網(wǎng)連接西門子CP443-5擴(kuò)展型通訊處理器和Y-LINK組件，Y_LINK的作用為把 CP443-5擴(kuò)展型通訊處理器下冗余的profibus DP轉(zhuǎn)成單DP鏈路，去連接DP鏈路不冗余的設(shè)備，主要用于控制后處理項(xiàng)目中的電機(jī)。中層環(huán)網(wǎng)本身就是冗余通訊，當(dāng)環(huán)網(wǎng)的某一節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)就變成單通訊網(wǎng)照常工作。環(huán)網(wǎng)通過(guò)西門子交換機(jī)（SIMATIC NET Industrial Ethernet Switch SCALANCE X212-2）進(jìn)行連接，由于西門子交換機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能診斷功能，因此PCS7控制系統(tǒng)報(bào)警畫面中能夠監(jiān)控整個(gè)環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行情況，保證了控制器的冗余和通訊冗余。上層以太網(wǎng)與我們常用的局域以太網(wǎng)連接相似，可以將操作站分別通過(guò)交換機(jī)與客戶機(jī)及工程師站連接，每個(gè)客戶機(jī)作為單獨(dú)的參考單站互不影響，如果在生產(chǎn)中某個(gè)客戶機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，我們只需要對(duì)這個(gè)客戶機(jī)進(jìn)行修理，其他客戶機(jī)正常使用，這樣就不會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)造成影響。

5、單站冗余結(jié)構(gòu)

單站冗余結(jié)構(gòu)通過(guò)西門子公司的PCS7配套軟件實(shí)現(xiàn)，每個(gè)單站具有完全相同的功能和操作員界面。我們?cè)谠O(shè)置的時(shí)候無(wú)需對(duì)多個(gè)單站的OS畫面等進(jìn)行重復(fù)組態(tài)，只需在以一個(gè)單站為模板創(chuàng)建副本即可，作為模板的單站一般設(shè)為工程師站。

6、其他注意事項(xiàng)

我廠DCS控制系統(tǒng)冗余方案把工程師站也當(dāng)做了單站使用，主要是因?yàn)楣こ處熣静恍枰恢痹诰€，即使壞掉也不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，有足夠的時(shí)間維修；沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置歸檔服務(wù)器，使用單站各自歸檔互不影響，同時(shí)為了使各個(gè)單站之間的歸檔數(shù)據(jù)時(shí)間保持一致，我們通過(guò)PCS7軟件實(shí)現(xiàn)使時(shí)間同步功能。電腦長(zhǎng)期運(yùn)行不免出現(xiàn)故障，我廠都會(huì)對(duì)電腦報(bào)1至2臺(tái)備件，對(duì)電腦硬盤進(jìn)行鏡像備份，對(duì)程序進(jìn)行單獨(dú)備份。AS控制器的EPROM程序存儲(chǔ)器也采用雙鋰電池供電，確保交流電失電時(shí)能夠不丟失控制程序。在每日定時(shí)巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池失效報(bào)警時(shí)要及時(shí)更換防止意外發(fā)生。PCS控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求溫度濕度要符合標(biāo)準(zhǔn)，因此安裝空調(diào)和采取防塵措施對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)必要的。我們要定期對(duì)系統(tǒng)卡件進(jìn)行除塵。

7、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的西門子PCS7 V7.1 SP1版本DCS控制系統(tǒng)能夠較好實(shí)現(xiàn)上述冗余功能，我廠與2010年在纖維后處理項(xiàng)目中投入了該套系統(tǒng)，到目前為止運(yùn)行穩(wěn)定可靠、確保了生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]王仁祥，王小曼.S7 300/400入門與進(jìn)階.北京：中國(guó)電力出版社，2009年3月