西門子S7-400H冗余系統(tǒng)在工業(yè)硅電爐中的應(yīng)用

劉凌夫

（大連重工機(jī)電設(shè)備成套有限公司工程技術(shù)設(shè)計院，遼寧大連，116013）

0 引言

工業(yè)硅作為整個硅產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，用途十分廣泛，主要用于冶金、化工、電子等行業(yè)。近年來，隨著工業(yè)發(fā)展對工業(yè)硅需求的增加，我國工業(yè)硅產(chǎn)量逐年增長。工業(yè)硅電爐自動化控制系統(tǒng)廣泛使用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器。日常冶煉過程中，CPU組件故障、硬件故障或軟件錯誤導(dǎo)致的CPU故障、從站接口模塊故障或總線電纜斷線等故障會導(dǎo)致控制系統(tǒng)PLC停機(jī)，電爐冶煉過程停止，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。為提高控制系統(tǒng)的可靠性，使用西門子S7-400H冗余控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以將出現(xiàn)故障的系統(tǒng)切換到另一個備用系統(tǒng)上以保持控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，大幅提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

1 S7-400H冗余系統(tǒng)概述

■1.1 系統(tǒng)簡介

S7-400H是西門子采用冗余配置的容錯自動化系統(tǒng)，滿足高度可靠性的要求，適用于重新啟動成本較高、停產(chǎn)代價高昂以及僅需要很少監(jiān)控和維護(hù)的應(yīng)用。S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余性原理[1]，無故障時兩個子系統(tǒng)都處于運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時正常運(yùn)行的控制器就會接管并繼續(xù)進(jìn)行過程控制。

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冗余系統(tǒng)的主要組件如CPU、電源模塊和CPU之間連接的硬件都是雙重的。系統(tǒng)主要由2個H-CPU、2根同步光纖、4個同步模塊、2個電源模塊、分布式I/O設(shè)備ET200M、交換機(jī)和工控機(jī)組成。冗余系統(tǒng)主站由兩個子系統(tǒng)[2]組成，安裝在一個UR2-H機(jī)架內(nèi)，每個子系統(tǒng)配置一個CPU和一個電源模塊。每個CPU有兩個同步模塊，兩個CPU每對同步模塊通過一根同步光纖連接。ET200M通過冗余PROFIBUS與兩個子系統(tǒng)的CPU進(jìn)行通信。只有一個PROFIBUS DP接口的設(shè)備可通過Y Link作為切換式外設(shè)[3]連接至冗余系統(tǒng)。每臺工控機(jī)上配置西門子以太網(wǎng)卡，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與S7-400H PLC進(jìn)行通信。

■1.3 系統(tǒng)主要功能

冗余系統(tǒng)的主要功能包括CPU數(shù)據(jù)通訊、事件同步、故障響應(yīng)、自檢等。為了確保無擾動切換，需要CPU鏈路之間快速可靠的數(shù)據(jù)交換與同步。兩個CPU自動接收相同的用戶程序、相同的數(shù)據(jù)塊、過程映像和相同的內(nèi)部輸入，同步更新CPU數(shù)據(jù)[1]。當(dāng)兩個CPU的內(nèi)部狀態(tài)不同時，例如在直接I/O訪問、中斷、報警和用戶定時器更新時，就會進(jìn)行同步操作[1]。系統(tǒng)自檢包括CPU之間的連接、CPU模塊、處理器和存儲器等。在啟動時，每個子系統(tǒng)都進(jìn)行全面自檢。整個自檢過程分布于幾個循環(huán)周期中，對CPU施加的負(fù)荷較小[1]。

2 電爐主要設(shè)備與工藝簡介

工業(yè)硅在電爐內(nèi)以硅石為礦石，碳質(zhì)原料為還原劑，采用連續(xù)性生產(chǎn)方式冶煉制得。工業(yè)硅電爐主要由爐體、爐體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、煙罩、煙氣導(dǎo)出裝置、電爐短網(wǎng)、加料系統(tǒng)、空氣注入系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、爐底冷卻系統(tǒng)、爐前設(shè)備和電爐變壓器組成。加料系統(tǒng)向電爐內(nèi)補(bǔ)給爐料，料倉爐料通過料管進(jìn)入爐內(nèi)。短網(wǎng)將電爐變壓器低壓側(cè)輸出的冶煉所需的大電流傳導(dǎo)入爐內(nèi)。電流以通過電極、爐料、電極三角回路產(chǎn)生的電阻熱和通過電極、電弧、熔池星型回路產(chǎn)生的電弧熱兩種方式產(chǎn)生熱量，進(jìn)行工業(yè)硅的冶煉。冶煉過程中，爐體旋轉(zhuǎn)有利于松動爐料，增加透氣性，擴(kuò)大坩堝區(qū)，減少搗爐操作，延長爐襯使用壽命。煙罩收集煙氣，通過煙氣導(dǎo)出裝置導(dǎo)出?？諝庾⑷胂到y(tǒng)為電爐內(nèi)部注入空氣，使電爐內(nèi)部一氧化碳完全燃燒。注入的空氣對電極、爐門、料管密封，防止逸塵及一氧化碳上浮。液壓系統(tǒng)是電極升降、壓放和把持器等液壓執(zhí)行器的動力源。水冷系統(tǒng)對處于高溫條件下工作的煙罩、短網(wǎng)、水冷電纜、銅瓦、底部環(huán)和保護(hù)屏等設(shè)備進(jìn)行冷卻。工業(yè)硅冶煉溫度較高，由于熱傳導(dǎo)，爐底溫度也會很高，爐底冷卻風(fēng)機(jī)適時對爐底進(jìn)行冷卻。爐前設(shè)備主要由爐前排煙系統(tǒng)和燒穿系統(tǒng)組成。燒穿系統(tǒng)的燒穿母線將燒穿動力電傳導(dǎo)至燒穿器，用于打開出硅口。爐前排煙系統(tǒng)的集煙罩收集出爐煙塵，煙塵由排煙風(fēng)機(jī)通過煙道引至除塵袋室。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)工業(yè)硅電爐工藝控制需求，整個冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按功能分為三層，從上至下分別為監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場層?，F(xiàn)場層主要設(shè)備是分布式I/O從站，從站基本配置包括通訊接口模塊、各種I/O信號模塊、通訊模塊和功能模塊。現(xiàn)場層采集車間各層設(shè)備儀表數(shù)據(jù)并上傳至控制層，接收控制層指令控制各層電機(jī)、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂茖又饕O(shè)備是電爐主站兩個中央控制器，是實現(xiàn)系統(tǒng)冗余和電爐控制的關(guān)鍵?？刂茖邮潜O(jiān)控層與現(xiàn)場層之間的樞紐，與監(jiān)控層通信并接收監(jiān)控層的命令，對現(xiàn)場層設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)控層主要由操作員站、工程師站和打印機(jī)組成。操作員站采集監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運(yùn)行，具有故障報警、數(shù)據(jù)歸檔、報表生成等功能。工程師站主要用于軟件組態(tài)編程、下載調(diào)試和系統(tǒng)診斷。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件配置

工業(yè)硅電爐S7-400H冗余系統(tǒng)的CPU選用412-5H PN/DP CPU，電源模塊選用10A 407電源模塊。分布式ET200M I/O設(shè)備使用S7-300 PLC的信號模塊、功能模塊和通訊模塊進(jìn)行擴(kuò)展。切換式配置的冗余系統(tǒng)每個ET200M從站使用兩個153-2接口模塊，Y Link包含兩個153-2接口模塊和一個Y型耦合器。工業(yè)硅電爐常用的信號模塊包括32×24VDC數(shù)字量輸入模塊、32×24VDC 0.5A數(shù)字量輸出模塊、8×12Bit模擬量輸入模塊、8×12Bit模擬量輸出模塊等。通過配置有源背板總線模塊，ET200M從站模塊支持帶電熱插拔功能。每臺工控機(jī)上配置西門子CP1623以太網(wǎng)卡。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■5.1 PLC編程

使用西門子STEP 7組態(tài)軟件編寫工業(yè)硅電爐冗余系統(tǒng)PLC程序，PLC編程主要包括硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和程序編寫。

5.1.1 硬件組態(tài)

STEP 7組態(tài)軟件中新建項目，插入一個“SIMATIC H Station”。在硬件組態(tài)界面中添加UR2-H機(jī)架，插入10A 407電源和412-5H PN/DP CPU并設(shè)定CPU的PROFIBUS等參數(shù)。在冗余PROFIBUS上插入ET200M站，在ET200M站上添加SM300 I/O模塊并設(shè)定模塊的輸入/輸出地址等參數(shù)。在冗余PROFIBUS上插入DP Link站，在該站非冗余PROFIBUS上添加只有一個PROFIBUS DP接口的設(shè)備。SIMATIC H Station硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 SIMATIC H Station硬件組態(tài)

在項目中插入“SIMATIC PC Station”。在硬件組態(tài)界面的PC Station中插入Application和CP1623并設(shè)定CP1623的以太網(wǎng)等參數(shù)。在STEP 7界面的PC站的操作員站屬性中設(shè)置WinCC項目在操作員站的存儲路徑。配置PC站，確認(rèn)目標(biāo)工控機(jī)名稱與本地網(wǎng)絡(luò)連接。

5.1.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面中，為操作員站插入與SIMATIC H Station的S7容錯連接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

5.1.3 程序編寫

工業(yè)硅電爐PLC程序主要由組織塊OB、功能塊FB、功能FC、數(shù)據(jù)塊DB、系統(tǒng)功能塊SFB和系統(tǒng)功能SFC組成。組織塊包括主程序掃描組織塊OB1和各類中斷組織塊。中斷組織塊中包括與冗余功能有關(guān)的塊，例如OB70（I/O冗余故障）和OB72（CPU冗余故障）。工業(yè)硅電爐程序復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化編程[4]方法，將電爐程序內(nèi)容按電爐設(shè)備分類，在各類設(shè)備功能塊、功能和共享數(shù)據(jù)塊中根據(jù)工藝控制要求編寫該類設(shè)備程序和數(shù)據(jù)。同類多個設(shè)備的控制使用功能塊的多重實例。在該類設(shè)備功能塊或功能中通過一個功能塊控制多個相同設(shè)備，每個設(shè)備的數(shù)據(jù)保存在一個或多個背景數(shù)據(jù)塊中。除了自己編程外，使用CPU提供的可在用戶程序中調(diào)用的預(yù)編程系統(tǒng)功能塊和功能。

工業(yè)硅電爐程序主要功能包括電極位置自動調(diào)節(jié)、電極消耗補(bǔ)充、電爐自動求料上料、煙罩爐門與料管閘閥遙控開關(guān)、煙道鐘罩閥開關(guān)、爐底冷卻、爐體旋轉(zhuǎn)、液壓系統(tǒng)設(shè)備啟停、與除塵系統(tǒng)等其它工段通信交換數(shù)據(jù)等。

■5.2 上位機(jī)軟件組態(tài)

使用西門子WinCC V7組態(tài)軟件進(jìn)行工業(yè)硅電爐冗余系統(tǒng)上位機(jī)軟件組態(tài)，軟件組態(tài)主要包括通信與變量組態(tài)、畫面組態(tài)、過程值歸檔組態(tài)、報警組態(tài)和報表組態(tài)。

圖4 電爐主畫面

圖5 電極畫面

PLC程序硬件組態(tài)時，在PC站的操作員站屬性中設(shè)置WinCC項目在操作員站的存儲路徑并編譯PC站后，在WinCC項目“命名連接”通道下生成一個名為“S7$Program”的連接。工業(yè)硅電爐WinCC項目變量數(shù)量較多，將變量按設(shè)備分組，便于變量的查找。在WinCC用戶管理器中為用戶分配WinCC功能的訪問權(quán)限，用戶需在起始畫面登錄后再進(jìn)入操作畫面，確保電爐生產(chǎn)操作安全可靠。電爐操作畫面包括電爐主畫面、電爐變壓器畫面、電極畫面、水分配器畫面、液壓系統(tǒng)畫面、歷史趨勢畫面、報警信息畫面等。通過操作畫面菜單欄上的按鈕，可將當(dāng)前操作畫面切換至其它畫面。操作畫面實時顯示工藝流程、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表參數(shù)和冶煉數(shù)據(jù)歷史變化趨勢等信息。用戶通過操作畫面設(shè)置系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行。電爐主畫面、電極畫面和水分配器畫面如圖4～圖6所示。使用 WinCC過程值歸檔功能，采集和歸檔電爐冶煉的過程數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)保存在歸檔數(shù)據(jù)庫中，為 WinCC項目的趨勢和報表提供歷史數(shù)據(jù)。使用 WinCC消息系統(tǒng)功能，在報警記錄界面中實時顯示系統(tǒng)設(shè)備的報警和故障等信息，并將這些信息歸檔。在消息系統(tǒng)中將“電爐波紋管壓力低”、“液壓系統(tǒng)壓力低”等重要消息單獨(dú)創(chuàng)建消息等級，并分配錄制的語音文件，可在消息到達(dá)時直接語音告知操作員報警的內(nèi)容。使用WinCC自帶的DataMonitor選件，定時以Microsoft Excel文件形式生成并發(fā)布電爐冶煉歷史數(shù)據(jù)報表。

圖6 水分配器畫面

6 結(jié)語

本文通過建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，配置系統(tǒng)硬件，編寫PLC程序，組態(tài)上位機(jī)軟件，詳細(xì)闡述了西門子S7-400H冗余系統(tǒng)在工業(yè)硅電爐中的應(yīng)用?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善，安全穩(wěn)定，操作維護(hù)方便，減少了工人的工作量和勞動強(qiáng)度，降低了企業(yè)的人力成本，最大限度釋放機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)使控制系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)，保證了整個電爐冶煉過程的連續(xù)性，有效減少了因控制系統(tǒng)故障停爐造成的重大經(jīng)濟(jì)損失，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。