Siemens-S7-414H系统在烧碱生产中的应用

摘要：本文主要介绍了Siemens S7-414H系统在烧碱生产中的应用，同时也详细说明了配置S7-414H系统的方法和步骤。
关键词：PLC 冗余 整流 Wincc
Abstract：This paper mainly introduces the application of Siemens S7-414H System in Producing NaOH,and interprets the methods and procedures on how to configure the Siemens S7-414H system in detail.
Key Words：PLC Redundancy Rectificate Wincc
1、 引言
电解工业盐水是获得氯气、氢气和烧碱等工业原料的主要方法之一，其生产过程是通过整流机组输出大电流到电解槽，使工业盐水发生电离，从而产生氯气、烧碱和氢气等产品。由于电解工业盐水是一个连续而又复杂的生产过程，而且整流机组直流电流的输出对生产有着至关重要的作用，一旦整流机组出现问题，就可能损坏电解槽和其他相关的设备。为此，对整流机组的控制提出了可靠性高、稳定性强、容错能力好的要求，并应尽可能的减少整流设备和整流变压器出现故障的可能性。
作者通过分析用户的需求和目前工业生产领域中广泛采用的高可靠性系统，同时也对比了国内外著名的PLC生产厂家，如ABB，AB，Schneider和Siemens，最终选用了西门子公司生产的具有冗余功能的S7-414H系统。
2、 控制器性能及控制系统构成
2.1 S7-414H控制器性能
S7-414H可编程控制器是西门子公司推出的一种具有高可用性和冗余结构的PLC系统，是一种智能化和分布性都达到了最新技术水平的可编程控制器。该控制器在控制、调节以及获取和准备过程数据的全部功能中都起着重要的作用。S7-414H系统中的主要元件均采用了双重冗余结构设计，最大限度的满足用户对可靠性的要求，其系统构成结构简图如下图1所示：

图1 具有冗余功能的S7-414H系统结构图
从上图可以看出，为了保证系统的可靠性，S7-414H系统的主要部件包括电源模块（PS）、CPU模块、通讯模块（CP）、通讯网络（BUS）和通讯接口模块（IM153-2）均采用了冗余结构，如果对可靠性要求更高的话，可以将信号模块（SM）也设计成冗余结构，由此就可以更大程度的保证系统稳定运行。当系统中的某个元件或通讯网络发生故障时，系统均能正常运行，不影响正常的生产。S7-414H冗余系统是一个复杂系统，构建一个最基本最简单的冗余系统主站需要如下的典型配置：

2.2 烧碱装置控制系统构成
烧碱装置控制系统主要是对电解槽的送电系统及辅助设备进行控制和保护，其控制设备包括4台整流机组系统、4台整流变压器系统、4套纯水冷却系统以及4套直流刀开关系统，完成的控制功能包括直流刀开关状态监视和远程操作、直流电流远程设定和监视、整流变压器和整流机组保护信号采集、报警和故障跳闸，纯水冷却系统的参数采集和处理，并且通过工业以太网，将重要的数据送入计算机进行显示、保存和打印。控制系统的网络原理如图2所示：

图2 烧碱装置控制原理图
从上图可以看出，控制系统分为三个层次，即现场层、控制层和管理层。
现场层为分布在4个整流机组控制柜内的ET200M，由于主站为S7-414H冗余系统，因此ET200M必须配置成可带电热插拔（即Active Bus）的子系统而且每个子站必须配置两块IM153-2 DP接口模块，其每个子站典型配置如下所示：

每个ET200M子站分别采集各自的变压器保护信号、整流机组保护信号、纯水冷却器保护信号和直流刀开关信号及其他的保护信号，但不能进行控制和计算处理。
控制层中冗余的S7-414H PLC通过最大传输速率为12MB/s的Profibus DP现场总线对ET200M的信号进行采集处理，完成控制和保护功能，并且通过工业以太网模块CP443-1上传必要的数据。CP443-1通讯模块是西门子公司S7-400系列PLC中的工业以太网通讯模块，其支持TCP/IP、ISO协议。对于S7-414H系统，为了保证上位机与PLC通讯的可靠性，对CP443-1仅推荐ISO通讯协议，也就是说只设置MAC地址，而屏蔽掉IP地址。
管理层主要是对设备的重要参数进行显示、保存和打印，共配置有三台工业控制计算机。其中两台计算机配置有CP1613智能网卡，并且运行有Wincc监控软件和Wincc冗余选项，双方互为备用，任何一台发生问题均不影响系统的正常运行。工艺室的计算机与冗余计算机则以Server/Client的方式浏览数据和参与控制。
2.3 监控计算机的配置与组态
监控计算机为现场设备的运行参数、运行状态和历史数据的显示、保存和打印提供了一个形象的平台，极大地方便了用户的操作和维护。对于每台与S7-414H PLC通讯的监控计算机，都需要进行必要的设置，其主要包括PC站（PC Station）的配置和Wincc监控画面的组态，冗余计算机所需要的软件列表如下：

为了使每台监控计算机与S7-414H冗余PLC中的任何一个CPU都能通讯，就必须配置PC Station，通过PC Station中的Application选项，Wincc可以从PLC中读取现场数据。在实际运行中，如果两个CPU中的一个发生故障问题，Wincc必须能够自动的切换到完好的CPU上，恢复正常的数据通讯，因此监控计算机必须配置Simatic Net Redconnect选项软件。PC Station的配置步骤包括：
（1）、在Step7中插入PC Station，并且打开Configuration（注意：将PC Station同H系统项目放在同一Project下）；
（2）、在HW Config中，按照Station Configuration Editor的内容配置PC站，必须要插入的为Application选项和CP1613网卡；
（3）、配置CP1613网卡为专用网卡且配置上MAC地址，无需配置IP地址（注意：CP1613可以作为普通网卡，也可以作为专用网卡，其中普通网卡的驱动程序为mp1613.inf，专用网卡的驱动程序为WDM1613.inf，这里用专用网卡驱动）；
（4）、编译并且下载PC Station；
（5）、选择step7中 Options→Configure Network，打开Netpro进行网络连接配置窗口；
（6）、按照图3所示的步骤配置连接；
（7）、将如上配置的连接分别下载到计算机和PLC中。
Wincc监控画面的组态主要是要设置好与H PLC连接问题。由于监控计算机安装有CP1613网卡并且为专用网卡，所以不能采用平常使用的TCP/IP连接或ISO连接，对于H系统的连接，推荐采用的是Simatic S7 Protocol Suite中的Named Connections连接，由此，仅需要定义一套与PLC连接的变量，当PLC系统出现问题时，系统会自动切换到完好的PLC上继续通讯。其建立连接的方法如下：
（1）、右击“Named Connections”，选择“New Driver Connection…”；
（2）、系统弹出“Connection Properties”，选中“Properties”按钮；

图3 PC Station与H PLC连接配置图
（3）、设置成如图4所示的参数，即可。

图4 Wincc与Application连接的建立
2.4 控制系统主要监控画面
为了方便用户对现场设备运行情况的了解以及解决四台整流机组运行参数的设定和修改，设计了如下的画面系统，用于实现方便、快捷和实时监控的功能。

图5 整流机组监控总画面

图6 高压送电系统监控画面
3、 结束语
通过使用S7-414H冗余系统和Wincc监控软件，不但提高系统工作的可靠性，而且减轻了员工的劳动强度，极大提供了企业管理水平，减少了查找设备故障点和发生系统故障的时间。
参考文献：
【1】 Simatic自动化系统S7-400容错系统使用手册，西门子公司，2002年11月
【2】 Siemens HMI选项手册，西门子公司，1999年8月
【3】 Wincc组态手册第一册，第二册，第三册，西门子公司，1999年9月
作者简介：
翁根春 男 硕士研究生，毕业于西安建筑科技大学信控学院工业自动化专业，现主要从事石油、石化行业的自控系统设计、调试，e-mail: wenggenchun@163.com
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