冗余技術(shù)在焚燒爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃琦蘭 陳智宇 張洪志

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；2.大港油田原油運(yùn)銷公司)

冗余技術(shù)在焚燒爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃琦蘭1陳智宇1張洪志2

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；2.大港油田原油運(yùn)銷公司)

基于某焚燒爐的工藝流程和控制要求，通過配置電源模塊、CPU模塊、冗余模塊、通信模塊及相關(guān)I/O模塊等硬件，并進(jìn)行軟件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了焚燒爐控制系統(tǒng)的冗余功能。投運(yùn)后，既滿足了焚燒爐運(yùn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，又提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

冗余功能 焚燒爐 S7-300 PLC

隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)部門對(duì)裝置控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求[1]。在工業(yè)生產(chǎn)的惡劣環(huán)境下，偶爾會(huì)出現(xiàn)設(shè)備、通信和軟件運(yùn)行故障，如果自控系統(tǒng)故障，那么在生產(chǎn)中造成的損失可能是非常巨大的。冗余技術(shù)是提高控制系統(tǒng)可靠性的最有效的方法之一[2]。冗余即通常所說的熱備，一般是雙機(jī)熱備，在少數(shù)情況下甚至需要多機(jī)熱備，冗余技術(shù)一般都是通過軟件或硬件冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。冗余技術(shù)的目的是使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不受局部故障的影響，允許在不停機(jī)狀態(tài)下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行維修。合理的冗余設(shè)計(jì)是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的一種行之有效的方法。

筆者基于某搬遷擴(kuò)建項(xiàng)目的焚燒爐控制系統(tǒng)，以S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹冗余技術(shù)在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 工藝簡介

寧波阿克蘇諾貝爾過氧化物搬遷擴(kuò)建項(xiàng)目，使用焚燒爐和余熱鍋爐處理廢水和廢油，要求每小時(shí)至少產(chǎn)生10t的蒸汽量。在上游生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢油經(jīng)燃油定量泵增壓后經(jīng)由燃燒器進(jìn)入焚燒爐，廢水經(jīng)過泵的加壓后由廢水噴嘴霧化之后也進(jìn)入焚燒爐，廢油和廢水充分燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫冉?jīng)過省煤器預(yù)熱水后再經(jīng)過余熱鍋爐，使余熱鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽后從煙囪排出(圖1)。

圖1 廢油廢水處理流程簡圖

焚燒爐系統(tǒng)以廢油為主要燃料，正常開車時(shí)，點(diǎn)火材料為柴油，裝置區(qū)所有的燃料均來自界外區(qū)，為了保證廢油流量連續(xù)穩(wěn)定，保證燃燒器的正常燃燒，燃燒器所用的廢油都來自于廢油儲(chǔ)罐，燃料系統(tǒng)中裝有壓力指示、流量控制及緩沖罐上設(shè)液位指示等，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其中燃燒設(shè)備選用全自動(dòng)廢油燃燒器。燃油由定量泵計(jì)算后進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯，以油膜形式甩出杯唇，在由風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)逆向沖刷下形成油霧，而后與風(fēng)充分混合后進(jìn)入燃燒室燃燒，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷的變化對(duì)風(fēng)量/廢油量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)燃燒。常溫空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入焚燒爐中。在整個(gè)流程中設(shè)置有多處安全聯(lián)鎖，生產(chǎn)要求控制系統(tǒng)運(yùn)行必須穩(wěn)定可靠，不能發(fā)生因?yàn)橄到y(tǒng)軟硬件故障致使焚燒流程系統(tǒng)停機(jī)，甚至整個(gè)工廠的生產(chǎn)陷入停頓狀況的嚴(yán)重事故。

2 系統(tǒng)冗余配置

通常根據(jù)冗余的實(shí)現(xiàn)方式將冗余分為硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余就是通過對(duì)系統(tǒng)的重要部件進(jìn)行備份而實(shí)現(xiàn)的冗余；軟件冗余主要通過程序?qū)崿F(xiàn)主備切換和數(shù)據(jù)同步。與硬件冗余相比，軟件冗余雖然在切換速度、系統(tǒng)維護(hù)和可靠性方面不及硬件冗余，但是軟件冗余具有非常大的成本優(yōu)勢(shì)，而且軟件冗余完全可以滿足絕大多數(shù)控制系統(tǒng)對(duì)于可靠性的要求。

2.1 軟冗余程序設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程和生產(chǎn)管理特點(diǎn)，并結(jié)合客戶需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式控制系統(tǒng)，使用雙電源、雙CPU、兩套通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建冗余系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)中央操作站、一臺(tái)冗余控制站、一個(gè)遠(yuǎn)程I/O控制站，中央操作站選用工業(yè)PC機(jī)，完成控制系統(tǒng)的報(bào)警、監(jiān)視、操作、記錄、存儲(chǔ)及報(bào)表生成等功能，與冗余控制站之間的通信采用Industrial Ethernet協(xié)議。

在硬件上需要增加以太網(wǎng)通信模塊CP343-1和工業(yè)交換機(jī)；采用PS-307電源模塊給冗余控制站供電，控制器選用CPU315-2DP，它們之間的通信采用MPI協(xié)議，冗余控制站的CPU通過DP口使用Profibus-DP通信協(xié)議與各自的ET-200從站通信[3]。操作站軟件選用WinCC6.2 SP3，PLC軟件選用SIMATIC Manager STEP7(V5.4)，操作系統(tǒng)軟件選用Microsoft Windows XP。

由圖2所示的系統(tǒng)冗余配置圖可以看出，軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套相對(duì)獨(dú)立的PLC系統(tǒng)組成[4]。其中Industrial Ethernet通信用來實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控和程序下載，MPI通信是連接主站控制系統(tǒng)CPU和備站控制系統(tǒng)CPU的數(shù)據(jù)同步線，主站與從站使用Profibus通信方式。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)方面的冗余：主機(jī)架電源冗余、PLC處理器冗余、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)冗余[5]和ET200M站的通信接口模塊IM153-2冗余。在開始時(shí)，系統(tǒng)一般默認(rèn)A站為主站，B站為備用站，當(dāng)A站中的相關(guān)組件出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將控制權(quán)自動(dòng)切換到備用站B中執(zhí)行，此時(shí)B站為主站，而A站則成為備用站。可見，主站與備站是相對(duì)的，并不是設(shè)定好的，這種切換過程包括電源、CPU、通信電纜和IM153-2的整體切換[6]。

圖2 系統(tǒng)冗余配置示意圖

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主控制系統(tǒng)和備用控制系統(tǒng)的切換還可以通過手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的手動(dòng)切換對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。軟冗余的軟件編程由硬件組態(tài)(圖3、4)和冗余程序兩部分組成，在冗余系統(tǒng)中需要對(duì)主站和備用站兩套系統(tǒng)分別進(jìn)行組態(tài)[7]，由冗余性質(zhì)可知，兩套系統(tǒng)除了通信地址外所有的硬件組態(tài)和系統(tǒng)程序都應(yīng)該基本相同。

圖3 主站組態(tài)結(jié)果

圖4 從站組態(tài)結(jié)果

冗余系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)共配置有4個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，具體為：主站與從站的通信鏈路，備用站與從站的通信鏈路，主站與備用站的數(shù)據(jù)同步通信鏈路，主站或備用站與PC機(jī)的通信鏈路[8]。主控制系統(tǒng)與備用控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)主從通信，其CPU地址應(yīng)該相同，ET200M上的IM153-2的地址也應(yīng)相同。此外必須要保證同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的不同通信設(shè)備地址的唯一性[9]。本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中ET200M上IM153-2的地址設(shè)定為3；用于主從通信的Profibus-DP的地址設(shè)置為2；用于主站與從站之間數(shù)據(jù)同步的MPI地址分別設(shè)定為2和3；分別插在主從站中CP343-1模塊的以太網(wǎng)通信接口的IP地址為192.168.0.1和192.168.0.2。

圖5 冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 上位機(jī)組態(tài)

在組態(tài)軟件WinCC中創(chuàng)建TCP/IP連接，并生成相應(yīng)的Tag變量。WinCC軟件本身提供了基本的冗余切換程序包。在本系統(tǒng)中使用生成的C腳本程序自動(dòng)讀取PLC內(nèi)部分配好的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)主站或從站的數(shù)據(jù)監(jiān)控。WinCC腳本程序在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)主備控制系統(tǒng)PLC的CPU模塊中的相關(guān)狀態(tài)字判斷出哪個(gè)CPU模塊所在的控制站是主站[10]，并且WinCC將組態(tài)的外部變量自動(dòng)連接到主站。當(dāng)冗余切換狀況發(fā)生時(shí)，WinCC會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)IP地址的冗余切換，從而保證焚燒爐上位機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 結(jié)束語

當(dāng)主備兩套系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過手動(dòng)設(shè)置主站的CPU模塊或PLC系統(tǒng)電源模塊故障，冗余系統(tǒng)可以在100ms以內(nèi)實(shí)現(xiàn)主備系統(tǒng)的切換，在切換過程中，繼電器輸出正常，模擬量的數(shù)據(jù)傳輸正常，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作正常，沒有出現(xiàn)因?yàn)镻LC硬件故障而造成焚燒爐系統(tǒng)停機(jī)的現(xiàn)象。上位機(jī)WinCC的數(shù)據(jù)刷新準(zhǔn)確及時(shí)，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)都采用UPS供電，提升了控制系統(tǒng)的可靠性，保證焚燒爐和鍋爐的安全運(yùn)行，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

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ApplicationofRedundancyTechniquesinIncineratorControlSystem

HUANG Qi-lan1, CHEN Zhi-yu1, ZHANG Hong-zhi2
(1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity; 2.OilTransportationandMarketingCompany,DagangOilfieldCorporation)

Considering the technological process and control requirement of a incinerator, equipping it with power modules, CPU, redundant modules, communication modules and I/O modules and configuring software was implemented to realize redundancy function of the incinerator control system. The actual application shows that, this system can satisfy the safety standards for the incinerator operation and improve the stability of the control system.

redundancy function, incinerator, S7-300 PLC

TH862+.7

B

1000-3932(2017)02-0191-04

2016-06-07，

2016-12-02)

黃琦蘭(1966-)，副教授，從事工業(yè)自動(dòng)控制的研究，czy9870@163.com。