西門(mén)子PLC冗余系統(tǒng)在天然氣長(zhǎng)輸管道中的應(yīng)用

田文韜，遲百川，張巖巖

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)榆濟(jì)管道有限責(zé)任公司，山西晉中 030600）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)和居民使用天然氣的總量日益增多，天然氣在我國(guó)能源中發(fā)揮著越來(lái)越重要的角色，保證天然氣的正常供給和天然氣管道的正常運(yùn)行，成為管道公司、下游用戶(hù)越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。天然氣運(yùn)輸?shù)摹懊}”是管道，核心動(dòng)力是壓縮機(jī)，而壓縮機(jī)系統(tǒng)的核心則是PLC 控制系統(tǒng)。

1 壓縮機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

壓縮機(jī)系統(tǒng)通常包括壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、空冷器系統(tǒng)等。各個(gè)系統(tǒng)相互配合，共同為壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)主要作功單元是機(jī)組本體，通過(guò)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)提升天然氣壓力，為天然氣的長(zhǎng)途運(yùn)輸提供動(dòng)力。電機(jī)與齒輪箱分別為機(jī)組的驅(qū)動(dòng)設(shè)備與傳動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)本體的驅(qū)動(dòng)。

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)啟停操作、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯控制、人機(jī)對(duì)話(huà)等功能的主要設(shè)備，操作人員可以通過(guò)控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控壓縮機(jī)工藝、潤(rùn)滑油、密封氣、振動(dòng)、位移、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)壓縮機(jī)的工況進(jìn)行調(diào)整。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)以及循環(huán)水系統(tǒng)是機(jī)組的輔助系統(tǒng)。潤(rùn)滑油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及齒輪箱的軸承潤(rùn)滑、清潔、降溫。儀表風(fēng)系統(tǒng)為機(jī)組干氣密封、電機(jī)正壓通風(fēng)提供清潔的壓縮空氣，為動(dòng)力閥門(mén)提供清潔、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)氣體。循環(huán)水系統(tǒng)為機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、潤(rùn)滑油以及變頻器的冷卻。

壓縮機(jī)電力系統(tǒng)主要是通過(guò)變電、配電，滿(mǎn)足壓縮機(jī)主電機(jī)及輔助系統(tǒng)所需電力，為整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力供應(yīng)。

壓縮機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)系統(tǒng)相互配合，缺一不可，在壓縮機(jī)正常運(yùn)行中都起到了重要作用。特別是壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，作為壓縮機(jī)系統(tǒng)的“大腦”，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的變化，并作出正確判斷，下達(dá)調(diào)整指令，保證壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 PLC簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）是用于自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制的數(shù)位邏輯控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算數(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。

PLC 具有以下特點(diǎn)：①可編程性；②可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；③配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；④易學(xué)易用；⑤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造量小，維護(hù)方便，容易改造；⑥體積小，重量輕，能耗低。

3 冗余系統(tǒng)組成及重要性

3.1 常見(jiàn)的西門(mén)子S7-400H自動(dòng)化冗余系統(tǒng)組成

圖1 所示為西門(mén)子公司S7-400H 系列PLC 的常用冗余容錯(cuò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖1 常用冗余容錯(cuò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

為了滿(mǎn)足冗余容錯(cuò)控制，需要配置兩套相同的系統(tǒng)，主要包括中央處理單元（CPU）、UR2-H 機(jī)架、電源、同步模塊、冗余光纖、通信模塊、I/O 模塊等。

中央處理單元即CPU，是PLC 的核心，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器等構(gòu)成。

UR2-H 機(jī)架是冗余PLC 的機(jī)架，帶有背板總線(xiàn)，既可以用作中央機(jī)架，也可以作為擴(kuò)展機(jī)架，支持安裝兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，其中每個(gè)子系統(tǒng)9個(gè)插槽，可以安裝電源模塊、CPU 模塊、通信模塊、同步模塊等。

電源模塊（Power Supply）將AC 220 V 外部電壓轉(zhuǎn)換為DC 24 V 工作電壓，為CPU 和外部控制電路提供可靠的電源。

同步模塊用于連接兩個(gè)CPU，安裝在CPU 中并通過(guò)同步光纜互連。

通信模塊（Communication Processor），負(fù)責(zé)提供與網(wǎng)絡(luò)之間的物理連接，建立網(wǎng)絡(luò)連接并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，提供CPU 和用戶(hù)程序所需的通信服務(wù)。

I/O 模塊是CPU 與外界聯(lián)系的中轉(zhuǎn)站，輸入部件把從現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)（開(kāi)關(guān)量、模擬量）轉(zhuǎn)換成CPU 能夠接收和處理的數(shù)字量，輸入寄存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)；輸出部件接收CPU 輸出的數(shù)字命令，并把它轉(zhuǎn)換成負(fù)載能夠接收的電流或電壓信號(hào)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。

3.2 冗余系統(tǒng)存在的重要性

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的重要性也越來(lái)越高。因此，用戶(hù)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性、故障停修時(shí)間等提出了更高的要求，冗余冗錯(cuò)技術(shù)很好地滿(mǎn)足了這些要求，極大地降低了生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間，保證了正常生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行。

PLC 本身具有很高的可靠性，為了提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，防止由于某一元件故障而產(chǎn)生生產(chǎn)事故，根據(jù)PLC 系統(tǒng)的特點(diǎn)，又設(shè)計(jì)出了冗余容錯(cuò)系統(tǒng)，采用兩套相同獨(dú)立配置的硬件、軟件或設(shè)計(jì)等，保證在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套系統(tǒng)能立即啟動(dòng)，保證生產(chǎn)運(yùn)行不中斷。

冗余節(jié)點(diǎn)是指帶冗余組件的故障安全系統(tǒng)。各冗余節(jié)點(diǎn)可視為一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)中的某個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)或整個(gè)系統(tǒng)的可靠性受到限制。冗余節(jié)點(diǎn)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)決定了整個(gè)系統(tǒng)的可用性。

對(duì)于2選1系統(tǒng)，冗余節(jié)點(diǎn)的一個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)不會(huì)削弱整個(gè)系統(tǒng)的可操作性。但當(dāng)位于不同線(xiàn)路上的冗余節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)子單元均發(fā)生故障（完全失效），則整個(gè)系統(tǒng)將不能再運(yùn)行。

4 冗余自動(dòng)化系統(tǒng)的量化評(píng)估

一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)能否在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，其實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性等都需要被滿(mǎn)足，其中可靠性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中極其重要的原則。對(duì)于一些可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行。這就要求在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的重要性程度，考慮適當(dāng)?shù)膫浞莺腿哂?；在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。其中冗余自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性的量化評(píng)估通常基于可靠性參數(shù)和可用性參數(shù)。

4.1 可靠性參數(shù)

PLC 可靠性參數(shù)主要有 MTBF（平均故障間隔時(shí)間，Mean Time Between Failure）和MDT（平均停機(jī)時(shí)間，Mean Down Time）?？筛鶕?jù)正在運(yùn)行的系統(tǒng)參數(shù)或者通過(guò)計(jì)算所使用組件的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

S7-400H 系統(tǒng)的MTBF 由系統(tǒng)單元的MDT 確定，該時(shí)間實(shí)際上由錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)間加上修理或替換故障模塊所用時(shí)間組成。如圖2所示。

圖2 影響系統(tǒng)MTBF的因素

S7-400H 系統(tǒng)的MDT 由下列幾項(xiàng)時(shí)間因素確定：①檢測(cè)錯(cuò)誤所要求的時(shí)間；②查找錯(cuò)誤原因所要求的時(shí)間；③故障排除和重啟動(dòng)系統(tǒng)所要求的時(shí)間。

MDT 和MTBF 之間的相關(guān)性：MDT<

通過(guò)冗余模塊的使用，顯著延長(zhǎng)了系統(tǒng)的MTBF，縮短了系統(tǒng)的MDT。S7-400H CPU 結(jié)合了集成的高質(zhì)量自檢和錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，幾乎允許檢測(cè)和定位所有的錯(cuò)誤。

4.2 可用性

可用性是系統(tǒng)在給定時(shí)刻操作的可能性?？梢酝ㄟ^(guò)冗余增大可用性。系統(tǒng)的可用性以百分比表示。它由平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和平均修復(fù)時(shí)間MTTR（MDT）定義?？梢允褂孟铝泄接?jì)算雙通道（2選1）容錯(cuò)系統(tǒng)的可用性：×100%。

4.3 總結(jié)

當(dāng)前，已經(jīng)有成百上千個(gè)冗余自動(dòng)化系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用組態(tài)各不相同。根據(jù)該領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，采用MTBF 具有95%的可靠性。對(duì)于帶有冗余CPU 417-5H 的系統(tǒng)組態(tài)，計(jì)算出的系統(tǒng)MTBF 值約為230年。

5 冗余PLC常見(jiàn)故障及處理辦法

5.1 冗余CPU無(wú)法進(jìn)入冗余狀態(tài)，備用CPU無(wú)法運(yùn)行

冗余CPU 在進(jìn)入冗余模式運(yùn)行前，Master CPU先運(yùn)行，然后Standby CPU 要和Master CPU 進(jìn)行同步，同步完成后Standby CPU 運(yùn)行，進(jìn)入冗余狀態(tài)。

同步過(guò)程中，主CPU 一直處于RUN 狀態(tài)，而備用CPU 將經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：Link-UP 和UPDATE。同步過(guò)程中主CPU 檢查并更新備用CPU 的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。Link-UP 階段主要同步CPU 中Load Memory和Work Memory 中的用戶(hù)程序；UPDATE 階段主要同步CPU 中的數(shù)據(jù)，包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、M 內(nèi)存區(qū)、輸入和輸出、DB 塊和診斷緩沖區(qū)等。如圖3所示：

圖3 冗余同步過(guò)程

（1）Link-UP 和UPDATE 階段出現(xiàn)錯(cuò)誤，則無(wú)法完成同步，CPU 無(wú)法進(jìn)入冗余狀態(tài)，具體原因主要從以下方面查找：

①兩個(gè)CPU 上內(nèi)存卡不同；

②兩個(gè)CPU 上的Firmware 版本不一致；

③同步模塊是否正常，同步光纖是否正確連接；

④CPU 的機(jī)架號(hào)是否正確設(shè)置；

⑤檢查CPU 是否有強(qiáng)制變量；

⑥冗余CPU 中H parameters 設(shè)置是否合適。

（2）處理辦法主要是：

①檢查兩個(gè)CPU 上內(nèi)存卡，若型號(hào)不一致，更換為相同的內(nèi)存卡；

②檢查CPU 上的Firmware，若版本不一致，下載相同的版本；

③檢查同步模塊是否有損壞，若損壞，更換新的同步模塊；檢查同步光纖是否正常，若中斷，更換新的同步光纖；

④檢查CPU 的機(jī)架號(hào)與背板位置是否相對(duì)應(yīng)；

⑤取消CPU 上強(qiáng)制變量設(shè)定；

⑥檢查CPU 中H parameters 設(shè)置。

5.2 冗余控制器上REDF報(bào)警燈閃爍

冗余控制器上REDF 報(bào)警指示燈用于指示冗余系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤、故障時(shí)，報(bào)警指示燈閃爍，運(yùn)行操作人員可根據(jù)不同情況進(jìn)行排查。可參照表1，

表1 冗余控制器上REDF報(bào)警燈不同含義

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣行業(yè)也迎來(lái)了良好的發(fā)展契機(jī)，PLC 控制系統(tǒng)在天然氣長(zhǎng)輸管道工程中發(fā)揮著巨大的作用，為增壓/輸氣場(chǎng)站的自動(dòng)化運(yùn)行提供了保障，節(jié)省了大量的人力、物力。PLC 控制系統(tǒng)的冗余配置，極大地減少了故障停機(jī)時(shí)間，保證了長(zhǎng)輸管道安全平穩(wěn)運(yùn)行，減少了設(shè)備的故障率，減輕了運(yùn)行人員維護(hù)、保養(yǎng)、維修工作量。