S7-400软件冗余在水处理自动控制系统中的应用

　　[摘要]基于PLC的过程控制，使用软件冗余控制系统，双CPU通过以太网进行数据交换通讯，检查数据通讯及远程IO通讯，系统运行过程中出现故障可及时切换CPU。应用表明，人机界面的以太网通讯和数据交换通讯可同时进行，实现CPU的自动切换，保证系统可靠运行。
　　[关键词]软件冗余；自动控制；水处理
　　[中图分类号]TP29
　　[文献标识码]A
　　[文章编号]1005-6432(2009)52-0061-02
　　
　　1　引言
　　
　　改革开放以来，我国引进了国际上较为先进的自动化控制理念和技术，经过10多年的努力，以PLC构成的监控系统已成为自动化的主流。采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，对所有泵、阀和排水设备实现编程控制，根据工艺要求可以实时控制高、低压水泵、阀门、冷却塔风机等设备的连锁动作，使水的流量、压力、温度满足工业用水要求，以达到自动控制水处理过程的目的。
　　
　　2　系统描述
　　
　　本系统的UPS电源柜和PLC控制柜安装于循环泵站操作员室内，使用两台工业计算机做画面监控；该系统主要由以下几个工艺流程组成：净环水系统、浊环水系统、10kV高压泵组、软水站、过滤间等。由于该水系统为炼钢系统中重要的辅助设备，主要用于炼钢系统的设备冷却，其冷却效果的好坏将直接影响炼钢质量，况且该大型水系统需要保证3个炉子的正常生产，虽然工艺简单，其中每个系统的工艺流程原理几乎相同，但其安全保护的作用十分重要，稍有设备故障随时可能导致炼钢系统停产，因此。该水处理的控制系统运用了双CPU的软件冗余控制。
　　
　　3　系统硬件
　　
　　3.1　PLC控制系统
　　根据系统工作需要，PLC采用西门子S7-400系列可编程控制器来构建控制系统，选用两块416-2DP的CPU，通过编程的方式，主工作站和备用工作站通过以太网模块进行数据信息的传递，实现双机热备冗余系统；运用CPU上的DP接口连接23个ET200M远程I/O站，控制器与ET200M的通讯方式采用Profibus-DP冗余网连接，ET200M中选用IM153-2接口模块，其中1#-4#远程机架连接的I/O为模拟信号和设备控制信号点，5#-23#为现场安装的操作箱；现场需要控制的设备数量为90多台，数量大，使用Profibus-DP的方式连接现场的操作箱，不仅使施工和调试工作量减少，而且有利于今后的维护和检修。
　　S7-400机架上的电源为交流220V，其余的I/O模块和ET200M通讯接口模块都使用直流24V，在1#-4#远程机架连接的I/O模块中，3个8点RTD模块，13个8点AI模块，9个32点DI，4个32点DO；5#～23#远程机架配置的模块相对少些，每个操作箱都分别配1个16点DI，1个8点DO和1个4点AO，供机旁操作使用。
　　
　　3.2　监控站
　　监控站使用研华工业控制计算机和西门子的监控软件WinCC V6.0，实现整个系统的工艺流程、设备运行状态的显示和监控、实时趋势和历史趋势、报警等功能，两台上位监控计算机所运行的画面完全相同，保证系统的可靠性，其中一台出现故障并不会对监控系统造成影响。
　　
　　4　自动化软件设计
　　
　　该水处理自动化控制系统的软件包括上位机、下位机两个部分。
　　
　　4.1　下位机软件设计
　　下位机采用西门子公司开发的STEP7 V5.4软件对PLC进行组态配置和编程。
　　该项目需要通过编程的方式实现双机热备，通过学习西门子公司提供的软件冗余资料，在组织块O835和OB100里根据实际情况进行相应的参数设置，即能实现该功能，实现CPU的自动切换，保证系统可靠运行。
　　编程主要包括模拟信号的获取与处理、建立FC功能块(相同控制原理的设备可同时调用该功能块)和相应的DB数据块、通过FB调用FC实现具体的控制功能，并将数据存到指定的DB数据块中。这种功能的广泛应用，节约了大量的程序空间和故障查询时间，降低了编写程序的复杂程度，使程序结构条理更清晰。
　　
　　4.2　上位机软件设计
　　为保证计算机系统的稳定，上位机安装Windows 2000，HMI软件为西门子公司的监控软件WinCC V6.2，上位机上能显示各个管道上的温度、压力、流量的实时数据，并且将重要数据记录为可查询的历史趋势，可设置需要报警的点，通过声光报警的方式提示操作人员，并将每个报警加入报警记录。
　　各个受控设备都有指定颜色来指明该设备当前状态，并在点击该设备弹出的操作画面上也有文本显示该设备的当前状态。
　　对具有相同操作方式的设备，我们只做一个弹出操作画面，通过设置标签组的方式实现当点击具体的某台设备时弹出的操作画面就是操作这台设备的，弹出画面的标题栏写明当前所操作的设备的名称。
　　该功能的实现，大大减少了画面的数量，提高了画面切换时的响应速度，使开发该监控画面的工作量大大减少，维护和修改该监控画面变得非常方便和简单。
　　
　　5　实现的功能
　　
　　泵站内所有设备都有“集中”和“机旁”两种操作方式，在“集中”操作的时候，计算机上可选择“手动”和“自动”两种模式。在“机旁”或“集中”操作时，所有的连锁和投备关系即使满足条件都不会进行保护动作；只能是在“集中”操作时，并且上位将操作模式设为“自动”，则连锁和投备关系满足条件时会进行相应的动作，保证系统在正常工况下运行；而当有设备故障时，有声光报警提示。①在一用一备或两用一备的泵组中，当泵堵转或过载热继跳闸时实现了备用设备自投功能。②冷却塔风机根据回水温度自动切换高速旋转或低速旋转，在达到冷却效果保证正常生产的同时，尽可能地为酒钢节省能源。③排污泵组在设置的水位上限自动启动，到达设置的水位下限自动停止，实现了自动排污功能。这些功能的实现无形中提高了操作人员的劳动生产率，减轻了操作人员的工作量。
　　
　　参考文献：
　　[1]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团深入浅出西门子WinCC V6.0[Z].北京：北京航空航天大学出版社，2004(5).
　　[2]于庆广.可编程序控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，200