造紙廠PLC控制系統(tǒng)的冗余配置與應(yīng)用
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造紙廠PLC控制系統(tǒng)主要用于集散控制和傳動控制，如下圖1所示。集散控制主要包括制漿流程、造紙流程和倉儲流程；傳動控制則以造紙機的分部傳動為主。
圖1造紙PLC控制系統(tǒng)所針對的主要生產(chǎn)工藝
在造紙生產(chǎn)工藝的控制要求中，需要做到以下三點：
?。?）造紙設(shè)備在啟停和運行過程中發(fā)生危機設(shè)備和人身安全的故障時，需要自動采取保護和聯(lián)鎖，防止事故的產(chǎn)生和避免事故擴大，從而保證正常啟停和安全運行；
（2）通過對造紙設(shè)備工作狀態(tài)和運行參數(shù)的嚴密監(jiān)視，發(fā)生異常時，即時發(fā)出報警信號，必要時自動啟動或者切除某些設(shè)備或者系統(tǒng)，維持原負荷運行或減負荷運行直至安全退出運行；
（3）造紙自動化的集散控制要求更快的速度、更有效控制與監(jiān)測、更高的數(shù)據(jù)處理能力和抗風險能力，以及更高的集成能力。在這種情況下，僅靠提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性來滿足上述要求是遠遠不夠的，因為PLC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系統(tǒng)才能夠比較有效地解決設(shè)備安全問題，才能保障整個系統(tǒng)的安全與效率。
在冗余控制系統(tǒng)中，整個PLC控制系統(tǒng)（或系統(tǒng)中最重要的部分，如CPU模塊）由兩套完全相同的系統(tǒng)組成。兩塊CPU模塊使用相同的用戶程序并行工作，其中一塊是主CPU，另一塊是備用CPU；主CPU工作，而備用CPU的輸出是被禁止的，當主CPU發(fā)生故障時，備用CPU自動投入運行。
本文將主要討論造紙廠PLC系統(tǒng)的冗余配置和應(yīng)用。
2西門子PLC控制系統(tǒng)的冗余配置
2.1 冗余原理配置
造紙廠的西門子冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當中執(zhí)行。這時，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換，這種手動切換過程，對于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換、擴容非常有用。圖2為西門子冗余結(jié)構(gòu)示意。
圖2西門子PLC冗余結(jié)構(gòu)示意
根據(jù)保護系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)、節(jié)點容量、系統(tǒng)功能等要求，可以使用兩個西門子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特別應(yīng)當注意的是冗余系統(tǒng)應(yīng)當使用有源總線模板的導軌及有源總線模板。其中冗余系統(tǒng)中主備系統(tǒng)的切換時間按照以下公式計算：主備系統(tǒng)的切換時間=故障診斷檢測時間+同步數(shù)據(jù)傳輸時間+DP從站切換時間。
如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時間大約為200～300ms，8個DP從站的切換時間在100ms左右。
無論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當前激活的系統(tǒng)（即主系統(tǒng)）隨時都會接收并處理報警，這樣，在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進行切換過程中產(chǎn)生的報警存在被丟失的可能。在冗余系統(tǒng)進行工作時，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對從站中的I/O控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundant backup）用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。
2.2 S7-300冗余程序的設(shè)計
（1）系統(tǒng)配置
中小紙機的控制系統(tǒng)可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造紙機。它是由兩套S7-300系統(tǒng)組成，實現(xiàn)主機冗余和通訊冗余，兩套CPU315互為熱備，當系統(tǒng)正常時一個工作、另外一個處于備投狀態(tài)，兩個CPU315中的數(shù)據(jù)保持一致；當運行中的CPU315出現(xiàn)故障時，另外一個CPU315自動投入運行，確保系統(tǒng)的正常運行。
系統(tǒng)采用多個分布式輸入輸出I/O站ET200M，每個ET200M上有兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊IM153-2，通過ProfiBus-DP總線與CPU連接。上位監(jiān)控采用CP5613通訊卡與S7-300連接。圖3為PLC系統(tǒng)原理。
圖3PLC系統(tǒng)原理
圖3中，造紙機的自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：主機架電源、背板總線等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。
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