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西門子PLC冗余技術在糖廠壓榨自控系統的應用

來源:廣西工業職業技術學院作者:李 可 成發表時間:2020-06-16 14:55:12

 【摘 要】 可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC),一種可以將控制指令隨時輸入內存進行儲存和執行功能,配備有微處理器,可實現自動化控制的數字運算控制器。隨著糖廠的多個工序段廣泛應用PLC自控系統,人們對PLC自控系統的可靠性要求也越來越高。當硬件系統的PLC出現故障導致系統崩潰,那會損失大量的現場設備,并且帶來嚴重的安全隱患。PLC的可靠性雖然很高,但故障率依舊不是零,為了能夠穩定可靠的長期運行系統,自控系統中應用冗余控制技術就顯得格外重要。

 
          冗余控制(Redundancy of control system)是一種采用一定的設備或元器件,或者成倍量的設備、元器件的方式,組成控制系統的控制方式。當某種設備或元器件因為故障而產生損壞的時候,它可以自動切換硬、軟件使用備用的設備或元器件,代替損壞的設備或元器件,從而維持系統的正常運行,將因為意外停機的控制設備造成的損失降到好低。這種控制方式被廣泛應用在PLC以及其他機器設備上,以防因為斷電或者其他種種因素,導致產生巨大的損失。 
 
1 西門子S7-1500 PLC冗余系統
          冗余控制技術在甘蔗糖廠的壓榨過程中有著重要的作用,甘蔗糖廠的生產工序地衣道環節就是壓榨過程,壓榨車間的正常運轉,對均衡穩定整個糖廠的正常運作有著至關重要的作用。對于提高壓榨自控系統的設備利用率,提高抽出率和安全率有著重大影響。冗余控制系統運行中可以將硬件或者軟件設置成準備狀態,當系統產生故障的時候,這些被調節成準備狀態的備用設備就能夠及時的切換,保證系統可持續工作。 
 
1.1 西門子S7-1500冗余PLC 的硬件
          全新Simatic S7-1500 R/H系列冗余控制系統是有西門子進行研發。它使用標準型 Simatic S7-1500 CPU,采用透明化編程方式,同時使用TIA Portal STEP 7 編程語言進行編程,可使程序從標準系統遷移到冗余系統,十分簡潔方便,無需多余工作。Simatic S7-1500 R/H具有非常高的實用性,對于數據可起到保護作用防止丟失,還可做到避免停機。此外,該系列控制系統采用PROFINET 系統冗余的方式,可以充分利用 PROFINET 的諸多特點,圖1是S7-1500冗余CPU外觀圖。全 新 Simatic S7-1500 冗 余 控 制 器 具 有 CPU1513R、CPU1515R 和 CPU1517H 這 三 種 CPU。 其 中 ,CPU1513R 和CPU1515R可應用于中小型項目中。如有突發情況,比如其中一個 CPU 失效,其工作內容可由另外的 CPU 自行接替并進行運作,避免了數據丟失的問題。此外,基于PROFINET系統冗余的通訊方式還可以提高設備的可用性。支持Profinet S2冗余功能的現場設備(例如 ET 200SP/MP)通過 PROFINET 連接到冗余CPU,從而構成PROFINET冗余通訊,如遇到網絡中斷的突發情況,也可保證現場設施設備進行有效的運作。CPU1517H性能優越穩定可適用于大型項目。該系列CPU帶有專門的光纖同步模塊,可以實現快速、平滑的切換。未來,CPU1517H還將開發支持PROFINET冗余網絡。
S7-1500冗余CPU外觀圖
1.2 S7-1500R冗余網絡
          圖 2 所示是 Simatic S7-1500R 冗余網絡結構示意圖,兩個CPU 通過 PROFINET IO 環連接到 I/O 站,也經由該環進行同步。如果 CPU 發生故障,備份 CPU 自動接管過程。數據不會丟失,且該過程很快就能夠繼續執行。PROFINET IO MRP 環確保即使發生現場總線中斷,仍可訪問所有節點。該工程組態相當于一個標準 CPU,TIA Portal 和冗余 CPU 處理程序與數據的同步,不會給用戶帶來額外工作量。
S7-1500R冗余網絡結構示意圖
 
2 壓榨自控系統
2.1 系統軟硬件配置
          綜合考慮可靠性和經濟成本等原因,采用性價比高的西門子S7-1500系列CPU1515R雙CPU軟冗余控制系統。在S7-1500冗余PLC中,不支持本地機架模塊的擴展組態,包括電源模塊、通信模塊、IO模塊、工藝模塊。對于電源模塊因為本地機架沒有擴展模塊,不需要 PS 電源擴展背板電源,可以安裝 PM 電源為PLC供電,根據相應的IO模塊配合信號的數量,ET200MP通過IO模塊聯結主控制器以遠程子站的傳輸方式進行連接,具體如圖3所示。
壓榨自控系統硬件配置圖
          在冗余系統中,每個 CPU 都有一個冗余 ID。在 STEP 7 中,通過冗余 ID 將項目樹分配給實際的 CPU。兩個 CPU 中ding端的 CPU 通常為冗余 ID 為“1”的 CPU。底部 CPU 的冗余 ID 為 “2”。如果 CPU 帶有的硬件配置,同時用戶更改了該 CPU 的冗余 ID,則還需更改該 CPU 的名稱和 IP 地址。除了各 CPU 的設備 IP 地址之外,還可為 S7-1500R/H 冗余系統分配系統 IP 地址。通過系統 IP 地址,可與其它設備(如,HMI 設備、CPU、PG/PC)進行通信。這些設備通?;谙到y IP地址與冗余系統的主 CPU 進行數據通信。這樣,可確保在冗余操作中原來的主 CPU 發生故障后,通信伙伴可在 RUN-Solo 系統狀態下與新的主 CPU(之前的備用 CPU)進行數據通信。 
 
2.2 控制壓榨機高位槽料位
          控制壓榨機高位槽料位其實就是控制壓榨機轉速,壓榨機通過離散型側梁高槽料位是通過采用歐姆龍電容式接近開關實現的,模糊控制對測得的高位槽料位。實時監控對電機電流和電機軸瓦溫度的兩個重要參數,將其作為設備連鎖的原因是要保護信號,可以避免電流過大或者溫度過高,以此調整輸出的功率,有效的保護電機并達到安全生產的目的。 
 
2.3 混合汁箱液位、流量控制
          (1)壓出汁箱液位控制(Pressure out tank level control):液位變送器連續檢測壓汁盒液位。結合各座壓力機的總體情況和滲透性,采用變頻技術對調速傳動泵進行控制,以保證被壓果汁盒內的液體量不滿足溢流。同時設有液位超限報警功能,防止液位超限,及時報警。
          (2)通過在混合果汁箱液位、流量等因素的影響下,采用混合果汁均勻流泵系統(Mixed juice uniform flowpump system),采用工業計算機(PLC)技術建立數學模型,建立了良好的交通控制模式,實現混合果汁均勻流泵。為了克服手動控制的問題,疏散和流量波動的現象往往很大。系統為每個團隊生成一個流量歷史曲線,并根據該曲線進行存儲、查詢功
能。
          (3)混合汁箱液位控制:通過液位變送器對混合果汁盒水進行連續檢測,考慮混合果汁的量和輸送流量等因素,建立數學模型,保持液位的穩定,保持混合果汁盒內含有F1不滿溢流,且穩定與硫熏穩定[3]。 
 
2.4 滲透水控制
          滲透水流量控制(Seepage flow control):測量滲透流量,與核子秤實時壓榨量相結合,應用滲透流量控制系統,根據生產需要設置滲透比,自動控制電動閥門的開啟,實現自動加水量。該系統通過分組制作滲透流程圖,具有存儲和檢索功能。利用液位轉換器(Liquid level converter)連續測量滲透罐液位,控制冷水水量,使滲透罐液位(Infiltration tank level)基本恒定。同時,當水位超過限位時,系統自動報警。連續入滲溫度由溫度傳感器測量,供水閥門根據冷水添加量自動控制,保持恒定的水溫,限制水的溫度,并自動觸發系統中的警報[4]。 
 
2.5 磷酸自控、石灰乳箱液位控制
          磷酸自控(Phosphate self-control):按照壓榨工作車間安裝的核子秤的瞬間甘蔗入榨計量值(The measured value of sugarcane press)、按生產調度人員設置的磷酸比例,由自控系統自動控制變頻器(Automatic control frequency converter)、磷酸計量泵(Phosphoric acid metering pump),實現了對混合果汁中磷酸的自動定量控制。石灰乳罐內液位控制:根據石灰乳罐內液位,利用工業計算機(PLC)技術,建立數學模型,得出好優液位控制方式;液位變送器連續檢測石灰乳盒的液位。通過控制石灰乳給料閥,使石灰乳槽不滿足溢流,使石灰乳槽液面保持基本穩定。 
 
2.6 軸溫監控
          軸溫監控(Temperature monitoring):為了確保重要機械設備的軸承溫度在生產過程中,如撕裂機、壓機、減速機、等,可以測量軸承溫度在線實時數據收集、監測和管理,超限報警,自動生產歷史曲線記錄,可以隨時詢問使用軸溫度監測和報警系統,從而提前警報安全隱患,避免重大事故的發生,提高安全生產水平。 
 
2.7 榨機轉速控制
          榨機轉速控制(Speed control of press):料位檢測設備安裝在五臺沖床ding槽上,利用沖床自動控制系統,根據ding槽高度和沖床負荷,對沖床速度進行非常好的的自動控制。非接觸蔗絲料位傳感器(Non-contact sugarcane wire level sensor),對高位槽內真實料位進行檢測,是國內首創技術。 3 PLC的控制功能選擇
 
3.1 運算功能
          PLC具有邏輯運算、定時和計數功能,普通PLC的運算功能也具有數據移位(data shift)和比較的運算功能。復雜的操作功能有代數操作、數據傳輸等,在大型PLC中還具有仿真量PID操作等高級操作功能。隨著開放式系統(open system)的出現,PLC已經具備了通信功能,有些產品可以與下位機、同位機、上位機進行通信,有些產品還具有與Internet和工廠進行數據通信的功能。從實際應用的角度出發,在設計和選型時應選擇合理的計算功能。在大多數情況下,好需要的功能是邏輯操作(logic operation)和定時計數(timer counter)功能。一些應用需要數據傳輸和比較,代數運算只需要這個函數來檢測和控制模擬量。 3.2 控制功能控制功能有PID控制操作、前饋補償控制操作(Feedforwardcompensation control operation)、比例控制操作(Proportional control operation)等功能,應根據控制要求確定。PLC 的主要功能是順序邏輯控制(sequential logic control),因此,對模擬量的控制多數情況下往往采用單回路或多回路控制器(multiloop controller),有時完成所需的控制功能,還采用專用的智能輸入輸出單元,可以提高PLC的處理速度和存儲容量。 
 
3.3 編程功能
(1)離線編程:PLC和編程器共用一個CPU。當程序員處于編程模式(Edit Programming)時,CPU 只向程序員提供服務,不控制現場設備。編程完成后,程序員將切換到運行模式,CPU控制現場設備,無需編程。如果想要降低系統的成本,可以使用離線編程(off-line programming),使用和調試不是很舒服。
(2)在線編程(online programming):CPU 和程序員有各自好立的主機,CPU控制站點,程序員在一個掃描周期內與CPU交換數據,程序員將準備好的在線程序發送給主機。下一個掃描周期,主機根據接收到的程序運行。成本高,但系統調試和操作方便,在大中型PLC中經常使用。五種標準化編程語言:三種圖形化語言:功能 模 塊 圖(Function Block)、序 列 功 能 圖(sequence functionchart)、梯形圖(ladder diagram)。兩種文本語言:語句表(statement list),結構化文本(Structured Text)。
 
4 結束語
冗余控制技術在甘蔗糖廠的壓榨過程中有著重要的作用,甘蔗糖廠的生產工序地衣道環節就是壓榨過程,壓榨車間的正常運轉,對均衡穩定整個糖廠的正常運作有著至關重要的作用。對于提高壓榨自控系統的設備利用率,提高抽出率和安全率有著重要影響。西門子S7-1500系列PLC中,根據CPU的性能參數的不同,分為 S7-1500R 和 S7-1500H 兩種類型的冗余 PLC。 S7-1500H的組態限制較高,常應用在對切換時間和性能表現有更高要求的冗余系統;S7-1500R側重于 CPU 冗余的應用,已經滿足糖廠壓榨生產線自動控制系統的應用。
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