S7-300/400 PLC系統(tǒng)存在的問(wèn)題及處理

　　近幾年來(lái)，PLC(可編程序邏輯控制器)技術(shù)在工控行業(yè)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，它具有投資較少、功能較強(qiáng)、組成靈活、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有集中操作管理、分散檢測(cè)采集信號(hào)及控制等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此在中小型水泥企業(yè)應(yīng)用PLC集成的DCS系統(tǒng)代替老式繼電器控制系統(tǒng)或傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)對(duì)水泥生產(chǎn)線進(jìn)行改造已成為一種最常用的可靠的合理性方案之一。中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)曲阜中聯(lián)水泥有限公司1 000 t/d特種水泥熟料生產(chǎn)線為l 989年設(shè)計(jì)建設(shè)，核心生產(chǎn)設(shè)備為Φ3 m×48 m五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯外分解回轉(zhuǎn)窯，主要產(chǎn)品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關(guān)工程材料。廠址位于山東省泗水縣境內(nèi)，電氣控制系統(tǒng)原為老式繼電器控制系統(tǒng)，于2000年改造為SIEMENS公司的S7—300/400 PLC系統(tǒng)，主要是根據(jù)特種水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒系統(tǒng)工藝流程的生產(chǎn)需要，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的工藝設(shè)備進(jìn)行全面、可靠、合理、完善的監(jiān)視、測(cè)量與控制，并有效地監(jiān)控和管理，確保工藝設(shè)備處于高效、節(jié)能、安全可靠的最佳運(yùn)行狀態(tài)，使用時(shí)間已接近十年。

　　1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　該自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)主要由SIEMENS公司的S7-300/400 PLC系統(tǒng)硬件構(gòu)成，從空間架構(gòu)上可以劃分為現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作站(及工程師站)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分。

　　(1)現(xiàn)場(chǎng)控制站的核心部分為PLC系統(tǒng)，采用的是SIEMENS公司的高性能模塊化S7—300/400系列PLC，完成生產(chǎn)過(guò)程中各過(guò)程參數(shù)的采集、調(diào)節(jié)以及工藝設(shè)備的啟?？刂?，放置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)，以縮短與現(xiàn)場(chǎng)一次檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的距離。多種模塊化部件以不同方式便捷組合在一起并適合密集安裝，結(jié)構(gòu)形式規(guī)范，提高了自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性及運(yùn)行的可靠性，由于需要處理的信號(hào)量較多，采用了多機(jī)架安裝。

　　詳細(xì)硬件配置為：中央處理單元(CPU)模塊：各種CPU模塊有各種不同的性能，例如，有的CPU上集成有輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU上集成有PROFI-BUS-DP通訊接口等，該生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)CPU特地提高了一個(gè)檔次，采用的CPU為413型號(hào)(后來(lái)因雷擊原因其中一塊更換為CPU412-2)

　　信號(hào)模塊(SM)：用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出，是PLC系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程之間的接口；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、極限報(bào)警、故障報(bào)警、操作及運(yùn)行狀態(tài)以及溫度、壓力(差壓)、流量、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)均是通過(guò)這些信號(hào)模塊與PLC系統(tǒng)相連的。本系統(tǒng)采用的DI信號(hào)模塊為SM321，DO信號(hào)模塊為SM322，AI信號(hào)模塊為SM331，AO信號(hào)模塊為SM332。

　　通訊處理器(CP)：用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接；本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)控制站采用TCP443-5通訊模塊。

　　功能模塊(FM)：用于高速計(jì)數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)控制)和閉環(huán)控制，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況沒(méi)有選用該類型功能模塊。

　　負(fù)載電源模塊(PS)：用于將SIMATIC S7-300連接到120/230 VAC電源。本系統(tǒng)采用了PS4074A及PS307 5A兩種電源模塊。

　　接15模塊(IM)：作用是將S7-300 PLC背板總線從一個(gè)機(jī)架連接到下一個(gè)機(jī)架，亦即用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。本系統(tǒng)采用了IMl53-1接口模塊。

　　(3)操作站位于中央控制室內(nèi)，以較先進(jìn)的設(shè)備和友好的人機(jī)界面提供生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的管理，上位機(jī)接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)站PLC系統(tǒng)采集的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信號(hào)及運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、操作狀態(tài)信號(hào)，并具有畫面顯示、報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)及趨勢(shì)圖顯示等功能，報(bào)警功能還包括聲音及報(bào)警點(diǎn)報(bào)警，報(bào)警的確認(rèn)及消除等功能。通過(guò)上述實(shí)時(shí)控制與顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的集中操作、集中監(jiān)視和集中管理。

　　主要硬件配置為：IPC/PII330研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，32M以上內(nèi)存，2.1G硬盤，PHILIPS-21″彩色監(jiān)視器，Laserjet 6LHP打印機(jī)及其附件組成。

　　(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)控制站及操作站的各個(gè)站點(diǎn)，以滿意的通訊速率實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制站與操作站之間的數(shù)據(jù)通訊。

　　上位機(jī)上插有數(shù)據(jù)通訊接口CP5613，通過(guò)帶有終端電阻的PROFIBUS接頭及PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜與現(xiàn)場(chǎng)站的PLC系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換。

　　通過(guò)上位機(jī)的協(xié)調(diào)控制，可對(duì)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制及監(jiān)視。

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，通訊速率可達(dá)10Mbps。

　　2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
　　該自控系統(tǒng)的基本軟件為STEP 7，是對(duì)PLC進(jìn)行組態(tài)和編程的軟件，人機(jī)界面及數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)(HMI/SCADA)軟件采用SIEMENS基于Windows平臺(tái)的視窗控制中心WinCC系統(tǒng)，性能優(yōu)越，通訊高效，是工程控制的窗口。

　　3 主要出現(xiàn)的問(wèn)題、故障及處理方法
　　該系統(tǒng)在剛安裝調(diào)試階段及后來(lái)長(zhǎng)期運(yùn)行期間也出現(xiàn)過(guò)一些大大小小的問(wèn)題與故障。

　　3.1 信號(hào)干擾問(wèn)題
　　雖然PLC系統(tǒng)從開始誕生并不斷發(fā)展至今，設(shè)計(jì)時(shí)就已考慮到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)較惡劣的工作環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但工作現(xiàn)場(chǎng)條件是千變?nèi)f化的，隨著變頻器、直流調(diào)速器等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種干擾源更是層出不窮，比如該P(yáng)LC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站就是和現(xiàn)場(chǎng)的各種電機(jī)啟動(dòng)控制柜、變頻調(diào)速柜等一起布置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電氣控制室內(nèi)的，亦即處于電機(jī)及電力強(qiáng)電電路和強(qiáng)電電氣設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，信號(hào)干擾問(wèn)題是在所難免的。我們的主要做法為：

　　3.1.1 做好系統(tǒng)接地
　　我們知道對(duì)于電氣系統(tǒng)而言，有效的低電阻接地連接可以減少發(fā)生短路或系統(tǒng)故障時(shí)的電擊危險(xiǎn)，還可以使系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾電流通過(guò)接地導(dǎo)線或接地消除，大大降低電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響或干擾信號(hào)的發(fā)射。因此，有效完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。我們將現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)控制站的接地相對(duì)于鄰近的電機(jī)啟動(dòng)控制柜變頻調(diào)速柜等采取了單獨(dú)接地處理：用一根大截面70 mm2銅芯絕緣電纜連接現(xiàn)場(chǎng)站PLC裝置的柜體接地端子，然后將其直接連接接地極，接地極采用80 mm×50 mm×6 mm銅板做成。經(jīng)測(cè)試接地極的接地電阻小于lΩ，接地極埋在距電氣控制室建筑物10 m～15 m遠(yuǎn)處，而且各PLC系統(tǒng)接地點(diǎn)與臨近強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。

　　3.1.2 選用優(yōu)質(zhì)信號(hào)隔離器來(lái)解決信號(hào)干擾問(wèn)題
　　信號(hào)隔離器是一種采用線性光耦隔離原理，將輸入信號(hào)先通過(guò)半導(dǎo)體器件調(diào)制變換，再通過(guò)光感或磁感器件進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行解調(diào)變換回隔離前原信號(hào)或不同信號(hào)，同時(shí)對(duì)隔離后信號(hào)的供電電源進(jìn)行隔離處理。保證變換后的信號(hào)、電源、地之間絕對(duì)獨(dú)立。只要在有干擾的地方，輸入端和輸出端中間加上這種產(chǎn)品，一般能有效解決干擾問(wèn)題?，F(xiàn)已是工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分。

　　3.2 接線端子虛接問(wèn)題
　　由于PLC系統(tǒng)數(shù)字量、模擬量的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)繁多，接線端子的虛接問(wèn)題有時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及正常顯示。針對(duì)該問(wèn)題我們采取了定期檢查與緊固措施，收到了良好的效果。

　　3.3 個(gè)別硬件損壞問(wèn)題
　　我們?cè)诟脑煺{(diào)試階段及后來(lái)的生產(chǎn)運(yùn)行期間曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)個(gè)別硬件(DI模塊SM321，D0模塊SM322，AI模塊SM33 1，A0模塊SM332及CPU413)損壞的故障，我們經(jīng)過(guò)分析主要是接線錯(cuò)誤強(qiáng)電串入及雷電防護(hù)不到位所致。改正接線錯(cuò)誤，再對(duì)每個(gè)模擬量信號(hào)通道增加隔離器及對(duì)避雷裝置完善后，硬件損壞的機(jī)率大大降低。

　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　S7-300/400 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)代替原來(lái)老式繼電器控制系統(tǒng)的改造，使特種水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)控制有了質(zhì)的飛躍，過(guò)去主要依靠人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的控制手段得到了徹底改善，特種水泥生產(chǎn)線的運(yùn)行得到合理控制，也體現(xiàn)出了PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠、操作方便、功能完備、畫面直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，雖然也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，但也屬于合理范疇并得到較好解決。

來(lái)源：《新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)》