西门子PCS7系统模拟量输入信号显示异常问题的研究

何 翠

（广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007）

西门子PCS7系统模拟量输入信号显示异常问题的研究

何 翠

（广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007）

介绍了中铝广西分公司煤气厂使用的西门子PC S7系统，并对其中模拟量输入模块的使用过程进行了重点介绍，对系统调试当中出现的模拟量输入信号显示跳变问题进行了深入的分析研究，经过大量研究和实验，找出了发生故障的原因并予以解决，同时提出了一种全面解决问题的方案。

西门子PC S7系统；跳变；单端接；地抗干扰；屏蔽；隔离器

煤气厂担负着给本企业的碳素、氧化铝等焙烧炉供应高、中压煤气，以及为电解铸造、碳素成型、碳素煅烧等供应低压煤气的任务，是整个企业生产能否正常运行的基础。为提高煤气厂自动化水平、保障期安全生产运行，2004年中铝广西分公司在煤气厂的造气炉、排送机等岗位，选用了两套德国西门子公司的PCS7过程控制系统。该系统是德国西门子公司推出的一种应用于大型生产过程领域的、功能丰富的新型集散控制系统，它基于现场总线技术，集成了传统DCS和PLC控制系统的优点，将两者的功能有机的结合在一起。

PCS7系统的特点是：所有硬件都基于统一的硬件平台，所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同样统一的软件平台。是一种适用于现在、面向未来的开放型、全集成、高度安全的过程控制系统。煤气厂安装该系统后，技术人员进行了调试，但期间该系统许多四线制电流输入的模拟量输入信号显示异常。如不定期地跳变、或一直不停地显示“无穷大”，使得操作人员很难准确了解实际的生产运行情况和工艺状况。针对这一问题，技术人员组织攻关小组进行了深入仔细的研究，经过大量的实验，找到了解决具体问题的方法。目前该系统运行正常，其成功应用大大提高了煤气厂的安全运行和生产自动化水平，减少了热工维护人员的工作量。

1 系统构成

西门子PCS7系统的构成如图1所示：双冗余两块CPU模块通过通讯处理器CP443-1和各操作站挂在冗余的工业以太网总线上。CPU同时通过自己的DP口、各DP站（远程IO站）通过冗余总线接口模块IM153-2挂在PROFIBUS-DP现场总线上。

图1 系统结构图

正常情况下，两台CPU共同运行，两台服务器与主CPU上交换数据，当主CPU或其通讯模块、电源模块或其中的一路工业以态网总线出现故障时，两台服务器自动无扰动切换到另一路CPU上交换数据。客户机从主服务器上读取数据，当主服务器有故障时，自动无扰动切换到从服务器读取数据，完成和操作站以及各DP站通讯，保障系统安全运行。该CPU模块的任务是把从各DP站的输入模块读取的各种工艺参数、操作员指令等送入事先编好的程序中进行运算。其运算的结果通过各DP站的输出模块送给现场执行机构执行。各个操作站可以显示各运行参数值、监视生产运行状况和操作各工艺设备的运行状况，调整的运行状况、察看历史记录及报警显示等功能。

2 系统调试

2.1 调试初期问题的发现

西门子PCS7系统安装以后，初期的系统接入的信号比较少，各模拟量输入参数均显示正常。随着大量信号的陆续接入，技术人员发现有些信号不定时的从“0”到“无穷大”跳动显示，有些参数一直显示“无穷大”。此时操作人员不能获得准确的各种数据状态和生产运行信息，无法组织生产，经观察，各跳变信号均为四线制模拟量输入信号。

2.2 工作原理分析

所有的模拟量输入信号都采用4～20MA的标准信号制信号。模拟量输入模块为S7-300系列的6ES7331-7KF02，8通道，模-数转换精度为12位，兼顾了转换速度和转换精度，是西门子公司比较经典的模块。根据不同的要求，可组态成电压输入、四线制电流输入、二线制电流输入、热电阻输入和热电偶输入方式,组态为四线制电流输入方式。

该模块的端子接线图如图2所示，各端子含义如下：

L+：DC24 V+;

M：DC24 V-;

M+：输入信号+端;

M-：输入信号-端;

Mana：模拟测量电路的参考电压。

图2 模块的端子接线图

3 问题的查找及分析

技术人员通过如下几个方面的检查，得到相应的结果：

（1）经检查，运行中的各模块的组态、各变送器、阀门、变频器等工艺设备接线无误，且各点接触良好，排除了接线不良和接线工艺的问题；

（2）技术人员用中间变量代替实际物理量，此时信号显示正常，确定了监控软件无问题；

（3）技术人员分别从接线柜端子排上逐一检查，现场用模拟器输入信号显示正常；

（4）经过在线检查硬件组态，系统提示模块运行正常，排除了模块本身的问题；

（5）直接把各信号接到电流表，电流表显示的电流值对应真实的工况，又排除了各传感器的问题；

（6）把输入信号通过隔离器送入模块，显示正常。

通过以上的排查，技术人员因此分析认为：故障原因是信号有高频电磁干扰。

4 问题的解决方法

经过多次的检查和讨论研究，技术人员决定从以下两方面入手进行分析和试验，解决信号异常问题。

4.1 排除干扰

安装初期系统在试运行阶段，现场有些地方还在施工，如有一台大容量的电焊机在附近作业。经试验，电焊机无论工作与否，原来跳变的信号继续跳，不跳的照样不跳，即信号显示依然异常，排除了大容量电焊机工作投切造成的影响。其它机械和电气设备都是正常生产时必须运行的设备。分析认为：即使干扰源来自这些设备，也只能想办法消除和克服，不能移除设备。

4.2 提高抗干扰能力

经讨论尝试安装隔离器的方法，虽排除了对模块的干扰，但安装和设计都已经完成，且由于接线柜等地方的空间和生产进度等时间的限制，无法给每个信号通道都安装隔离器。

（1）消除等电线连接电流对模拟信号的干扰

技术人员再次检查各线路，由于各个信号线的屏蔽层在控制室端都辫绑起来，并与各柜子的基础和机壳绝缘的接地母板连接，最终连在单独的接地桩上，经测量接地电阻也符合要求；在现场端却也接在与基础相连的电气接地上，查阅西门子模拟量模块6ES7331-7KF02的技术规范要求得知：所有的屏蔽层都必须单端接地，且必须接在单独的接地装置上。最后技术人员按照要求，仔细检查每一根屏蔽电缆，把所有的现场端都悬空、包好；在控制室侧的线不动，发现此时有一部分信号显示正常了。

分析认为：按原来的接法信号电缆两端存在电位差，造成系统的单独接地与电气接地之间由于电磁干扰，使这个电位差在屏蔽层中产生等电线连接电流，形成了对模拟信号的干扰，单端接地则解决了这类干扰带来的故障。

（2）消除Ecm值超范围对转换电路的干扰

西门子技术手册关于模块技术规范要求：“M-”与“Mana”之间的电位差，即Ecm值小于2.5VDC。实测Ecm值为2.3 V～7 VDC不等，远远大于规范要求。根据规范要求，此时技术人员将“M-”与“Mana”及“M”之间短接起来，经过此接线方式信号显示正常。

由于该西门子模块的8个通道的模-数转换、数字化被测量等值向总线底版的传送是逐个且按顺序进行的，即按照原理：模拟量输入通道是顺次转换的。转换执行过程中，转换电路始终认为各个通道的信号的“M-”电位是相同的，只有这样，各个通道才能公用一个转换器，而且得到的转换结果为同一标准。但在生产实际中四线制输入信号的设备，如变送器、阀门和变频器等由于供电有可能取自三相电源中的不同相别，各信号所处位置的干扰源不尽相同，干扰强度大小也不同，造成各个输入通道的“M-”与“Mana”的电压差不同。因此实测的结果发现有些点的Ecm值大大超出允许范围。因此必须按照技术规范的要求把各“M-”端和“Mana”端及“M”之间短接起来，使各信号的参考电压在同一点上，故障得以排除。

分析认为：调试初期给各个通道输入由电池供电的模拟器信号时，或输入经过信号隔离器隔离的信号时，显示没有发生异常跳变，是因为此时的输入信号与交流电是隔离的，和“Mana”之间是没有电压的，则不会存在各个通道的Ecm值超范围。而二线制模块的输入信号本身就是由该模块来供电的，各个通道的Ecm值都一致，不会存在各个通道的Ecm值超范围的问题。

5 结束语

系统安全运行必须具备较好的抗干扰能力，在安装和接线过程中必须严格按照设备厂家的技术规范要求，如接地方法和接地装置是一个比较复杂的问题，各个国家、各家公司对各自系统的接地要求都不完全相同，要应用规范合理的方法解决具体的问题。本案中用短接线解决Ecm值超范围的问题也有其不足之处：一般情况下由于接线柜本身各个模块的接线端子的空间比较狭小，如要增接较多的短接线，工艺上不美观，且一旦工作人员触碰到引起松动，将会影响到系统的运行安全。实践经验证明，在每个信号通道都安装隔离器能彻底滤掉电磁干扰，让模块工作于一种相对良好的环境状态。

Research of the Problem of Siemens PCS7 System Analog Input Signal Unmoral display

HECui
(Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning530007，China)

Introduces using the Siemens PCS7 system of the gas plant of Aluminum corporation of China limited Guangxibranch,and focuses on the analog input module the use of the process,analog input signals jumping problem in the process of the system debuggingwasanalyzed and studied carefully,After a greatdeal of study and experiments,the reasons of the failurewas found and solved,and a finalway to settle these problemswas found.

the siemens PCS7 system；jumping；single-ended ground；anti-interference；shield；isolator

TP273

B

1672-545X（2014）03-0232-03

2014-01-07

何 翠（1966—），女，广东阳江人，副教授，研究方向为电气自动化方向的教学、科研和产品开发。