一种基于PLC的ESD系统的冗余设计与实现

《电工技 术杂 志》2003年第 12期 一 种基于 PLC的 ESD系统的冗余 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 杨 帆 薛培鼎 (西安交通大学 电信学院 710049) 摘 要 介绍一种基于Siemens s7—4l4DP PLC的双机冗余紧急停车系统，主要讨论该 ESD 系统的冗余设计及其实现方法，给出双机冗余工况下 WinCC和 STEP7的有关配置和编程方法。 关键词 PLC ESD 冗余 控制 1 引言 紧急停 车系统 ESD (Emergency Shutdown De— vice)是独立于生产过程控制系统的一种用于大型 装置的安全联锁保护系统。在正常情况下 ，作为安 全保护 系统 ，实时在线监测装置 的安全 ；当装置 出 现紧急情况时，直接发出保护联锁信号对工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 实行联锁保护或紧急停车，以避免危险扩散造成巨 大损失。由于紧急停车系统的高可靠性和连续不问 断的工作要求 ，国内外的大多数此类安全联锁控制 系统均采用了不同程度的冗余方式。双机冗余由于 所需增加 的系统 硬件 最少 ，系统利用率高和性价 比 高 ，所以较为常用。 本文所介绍的是使用 Siemens公司冗余式 PLC $7--4143DP来实现某炼油厂柴油加氢装置软硬件 组合冗余的双机冗余紧急停车系统的方法，此种方 法更进一步提高了双机冗余系统的可靠性、可用性 和可维护性 。 ‘ 2 系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 某炼油厂 40万 t／a柴油加氢装置紧急停车系 统主要由联锁输入、控制逻辑处理、多媒体信息报 警、联锁输出以及监控信息存档打印等部分组成 ， 系统涉及设备多，工艺介质高温高压且易燃易爆 ， 联锁复杂 ，其系统具有高可靠性和连续不问断的工 作要求，不允许故障停机 ，更不允许因程序错误而 产生错误 的控制输 出 ，所 以在 系统设计 时需 要考虑 一 定的容错能力。系统结构采用目前流行的上、下 位机监控系统 ，并采用硬件、软件组合的双冗余系 统解决方案，即不仅在系统硬件建设上采用冗余技 术方案 ，系统电源、CPU、分布式 ET200M 工作 站 I／O模块 、网络等均采用冗余热备，实现 了部 件级容错 ，而且在软件配置和程序编制上也采用冗 余处理方式，采用了 WinCC最新冗余插件，达到 软件容错 目的。借助于软硬件组合的冗余技术使得 系统具有一定容错功能 ，从 而尽可能消除各种干 扰，将错误、故障排除在外 ，使系统失效的概率减 少到最小 ，即使在故障存在的情况下系统也能正常 运行 ，使得系统达到高度的可靠性 ，从而可以适用 于最苛刻的工业环境中。 系统 下 位机 采 用 Siemens公 司 的 $7--4143DP 型 PLC构成双机冗余控制系统，该型 PLC可靠性 极高 ，全部采用模块化结构，非常适合大型复杂控 制程序运行。为了更进一步提高系统可靠性 ，本系 统 CPU、电源、通信网络以及 I／O模块全部采用 冗余方案。上位机由工程师站和操作员站组成 ，采 用 Siemens公司著名的监控软件 WinCC开发监控 应用程序并构成冗余监控系统。系统采用授权登录 的方式 区别工程 师和操作 员 ，分离 了 日常操作和系 统维护 ，使得系统可以长期稳定运行。下位机完成 所有的系统控制程序，上位机完成工艺流程参数显 示、报警、统 计、打 印等 功 能。该 结 构 综 合 了 PLC可靠性高和抗干扰能力强以及工程组态软件 丰富、强大的显示功能和输入方便的优点 ，并且使 系统具有 良好 的可扩充性 。 3 硬件冗余设计 该系 统 硬 件组 成 分 为 电源、CPU、分 布式 ET200M工作站、网络、操作员站与工程师站五部 分。电源选用 FDQ2A双 电源 自动切 换装 置实现 西 门子 SITOP电源模块冗余，保证 了系统用电的可 靠性 。 分布式工作站 ET200M 的 I／O模块采用具有 冗余 诊 断 功 能 的 SM321(DI)、SM322 (DO)、 一 79 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电工技术杂志》2003年第 12期 一种基于 PLC的 ESD系统的冗余设计与实现 SM331(AI)、SM332 (AO)模 块 。I／O模 块 总计 有 l5个 8×12bit模 拟 量 输 入 模 块 ，10个 16× 24VDC开关量输入模块 和 8个 16×24VDC开关量 输出模 块 ，1个 8×12bit模 拟 量 输 出模 块 。其 中 ET200M 工作站 的 I／O模块 1与 I／O模 块 2构 成冗 余 I／O模块 ，同样 ET200M 的 I／O模块 3与 I／0 模块 4为冗余模块 ，依此类推。 ET200M 工作站由两块作通信处理器的 IM153 和 I／O模 块组 成 ，两块 IM153通过 RS485接 口实 现与两块 CPU 之 间 的数 据 交换 ，通 过总线 底板 实 现无 扰 动切换 从 而达 到 I／O冗 余 目的 。两块 CPU 之间通过专用 的 MPI网络实现 CPU之间的冗余。 CPU 和 分 布 式 工 作 站 ET200M 通 过 双 冗 余 PROFIBUS总线相连构成通信 网络 的冗余。CPU 与操作员站及工程师站之间采用光纤连接，网络由 四块光纤收发器 与两条 光纤构成 ，构 成光纤 的主环 与副环，若主环某一点出现故障或断线 ，则会立即 启动备用的副环 ，自动形成一个新的逻辑环路。上 位机 采用 2台 DELL工 作 站 ，其 硬 件 配置 完 全 相 同，和 PLC之间通过 MPI电缆 连接 ，监视 ESD系 统的运行情况 ，同时相互监视对方工作状态，同步 运行，相互之间不存在主从关系。系统硬件结构如 图 1所示 。 工程师 站 STEP7 W inCC 操作站 现场信号 现场信号 现场信号 现场信号 图 1 系统硬件结构图 4 软件冗余设计 4．1 监控工作站 软件 冗余设计 根据 需 要，系 统 采 用 的 配 套 开 发 软 件 为 Siemens公 司的 WinCC和 STEP7。 一 80 一 WinCC是基 于 32位操 作 系统面 向对象 的应用 软件 ，是一个较为 实用且 能与 SIMATIC产 品无缝 链接的组态软件 ，其界面友好、功能强大 ，可以实 现控 制 界 面设 计 、硬 件 组 态 、标 签 归 档 、报 警 归 档、打印归档与用户管理。 另外 WinCC拥有完备 的工业图形库 ，极大地 方便 了工程师设计监控 系统的过程 画面 。而且该软 件的 WinCC冗余插件 REDuNDANcY允许用户同 时运行两 台并行 的 WinCC单用户 系统或服务器 PC 实现相互监 控 。在 正 常情况 下 ，两 台 WinCC站 始 终保持并联运行 ，每个 站都有 自己的过程链 接和数 据存档，WinCC冗余插件保证两个 系统和用户专 用的存档数据 自动 的相互匹配。具体实现方法如 下 ： (1)在 WinCC启动序 列中选择 Text Library Runtime、 Global Script Runtime、 Alarm Logging Runtime、Graphic Runtime等。 (2)完成有关设置使得动态向导窗 口出现 “创 建冗余链接”条 目。 (3)打开监控 画面 ，在动态 向导 中启动 “创建 冗余链接”，设置链接地址参数，激活 自动切换选 项 “automatic switch”。 完 成 上 述设 置 后 ，在 控 制 中心 按 照 “Global Scrip Actions— Global Action” 的 顺 序 打 开 脚 本 编辑器，编写全局动作如下： { {MSRTStopMsgService(ServicelD，&Error)；} if(GetTagDwordWait(“@CPU2@ Connection State”) = =0) {SetTagWord (“@CPU2@ ForceConnectionState”，1)}； else {if(GetTagBitWait(“SWR．Standby”) = =TRUE) {SetTagWord (“@CPU2@ForceConnectionState”。 1)}； return；}} 4．2 PLC冗余应用程序设计 方法 STEP 7编程软件是基 于 Windows的 S7—300／ 400 PLC配 置 和 编 程 标 准 软 件 包 。通 过 STEP7， 用户可 以进行系统配置和程序 的编写 、调试 、在线 诊 断 PLC硬 件状 态 ，控制 PLC的运 行状 态和 I／0 通道的状态等，在本 系统中利用 STEP 7编写 了 CPU冗余、I／0模块冗余信息处理应用程序 ，使 其具有软件容错能力，提高了可靠性。软件冗余处 理过程如 图 2所示 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 种基于 PLC的 ESD系统的冗余设计与实现 《电工技术杂志》2003年第 12期 主 CPU 从 CPU 图 2 软件冗余处理示意图 编写程序时 ，在初始化组织块 OB100内调用 功能 FC100，指定系统两个 CPU之间的通信地址 ， 用于交换刷新的数据区。初始化完成后，在主循环 程序 0B1内调用功能块 FB101，设置参数 CALL— POSIT10N=TRUE，这样指定的数据块就可以用 来处理状态和控制信息，CPU分析状态信息 ，如 果 CPU工作 于从机状态，则跳过冗余处理程序 ， 最后 调 用 功 能 块 FB101，设 置 参 数 CALL—POSI— T10N=FAL SE， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明冗余 信息处 理程序 已经结 束。在 OB86内调用功能 FC102设置相关启动信 息，使得系统可以自动响应故障，实现主从设备的 自动切换。冗余信息处理应用程序结构如 图 3所 示 。 oB lO0(Startup 0B) 卜 SWR START(FC lOO) l OB35 or OB I(TIM_EINTERUPTE—oD Cyc 1．e OB) 卜-_SW R—ZYK(FB101 w ith CAL，L- l l POSITIoN =TRUE) 当CPu作为备份单元运行时，跳过冗余程序 ：A DBX．DBX 9．1 ：JC END ～ — 一 冗余应用程序 — Jump Label END I 一 SW R _ ZYK(FB101 W ith CAL，L I P0SITION=FALSE) I OB86(RackFai1ure—OB) I 卜 一 Sw R — DIAG(FC 1 02) 5 结束语 某炼 油 厂 40万 t／a柴 油 加 氢 紧 急停 车 装 置 ESD系统 由于采用 了软硬件组合 的冗余方式，具 有明显的抗干扰能力，系统的可靠性得到极大的提 高，取得了较好的经济效益和社会效益。同时文中 介绍的软硬件组合冗余控制系统设计方法具有容错 特点，能够使可靠性不高的元件组建高可靠性控制 系统 ，因而还可广泛应用于其他可靠性要求高的场 合 ，具有较好的应用和推广价值。 参 考文献 1 何衍庆等 ．可编程序控制器原理及应用技巧 ．北京 ：化 学 工 、 出 版社 ，200l A Redundant Design and Realization of ESD System Based on PLC Yang Fan (Xi’an Jiaotong University) Abstract The paper introduces a double online standby redun— dant ESD s~tem based on Siemens S7—4143DP PLC．discusses the redundant design and implement method of this ESD sys— tern ， a program method of W inCC and sTEP7 an d relevant configuration used for double online standby PLC are given． Keywords PI C ESD red undancy control 图 3 PLC冗余信息处理程序结构 收稿 日期 ：2003—04—22 欢迎订闻 欢迎投稿 欢迎刊登广告 一 8j 一 维普资讯 http://www.cqvip.com