S7-300/400 PLC系統(tǒng)存在的問題及處理

　　近幾年來，PLC(可編程序邏輯控制器)技術(shù)在工控行業(yè)發(fā)展迅速，應用廣泛，它具有投資較少、功能較強、組成靈活、安全可靠等優(yōu)點，同時也具有集中操作管理、分散檢測采集信號及控制等結(jié)構(gòu)特點。因此在中小型水泥企業(yè)應用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)對水泥生產(chǎn)線進行改造已成為一種最常用的可靠的合理性方案之一。中國聯(lián)合水泥集團曲阜中聯(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)計建設(shè)，核心生產(chǎn)設(shè)備為Φ3 m×48 m五級旋風預熱器窯外分解回轉(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，以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的工藝設(shè)備進行全面、可靠、合理、完善的監(jiān)視、測量與控制，并有效地監(jiān)控和管理，確保工藝設(shè)備處于高效、節(jié)能、安全可靠的最佳運行狀態(tài)，使用時間已接近十年。

　　1 自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　該自動控制系統(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)過程中各過程參數(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)場控制室內(nèi)，以縮短與現(xiàn)場一次檢測元件和執(zhí)行機構(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)計的靈活性及運行的可靠性，由于需要處理的信號量較多，采用了多機架安裝。

　　詳細硬件配置為：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，有的CPU上集成有PROFI-BUS-DP通訊接口等，該生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)CPU特地提高了一個檔次，采用的CPU為413型號(后來因雷擊原因其中一塊更換為CPU412-2)

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

　　通訊處理器(CP)：用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接；本系統(tǒng)在現(xiàn)場控制站采用TCP443-5通訊模塊。

　　功能模塊(FM)：用于高速計數(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)實際情況沒有選用該類型功能模塊。

　　負載電源模塊(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背板總線從一個機架連接到下一個機架，亦即用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(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)，以較先進的設(shè)備和友好的人機界面提供生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的管理，上位機接受來自現(xiàn)場站PLC系統(tǒng)采集的現(xiàn)場報警信號及運行狀態(tài)信號、操作狀態(tài)信號，并具有畫面顯示、報表打印、歷史數(shù)據(jù)及趨勢圖顯示等功能，報警功能還包括聲音及報警點報警，報警的確認及消除等功能。通過上述實時控制與顯示，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中操作、集中監(jiān)視和集中管理。

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

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

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

　　通過上位機的協(xié)調(diào)控制，可對PLC系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化控制及監(jiān)視。

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

　　2 自動控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
　　該自控系統(tǒng)的基本軟件為STEP 7，是對PLC進行組態(tài)和編程的軟件，人機界面及數(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)的問題、故障及處理方法
　　該系統(tǒng)在剛安裝調(diào)試階段及后來長期運行期間也出現(xiàn)過一些大大小小的問題與故障。

　　3.1 信號干擾問題
　　雖然PLC系統(tǒng)從開始誕生并不斷發(fā)展至今，設(shè)計時就已考慮到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場較惡劣的工作環(huán)境，具有較強的抗干擾能力，但工作現(xiàn)場條件是千變?nèi)f化的，隨著變頻器、直流調(diào)速器等電力電子設(shè)備的廣泛應用，各種干擾源更是層出不窮，比如該PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站就是和現(xiàn)場的各種電機啟動控制柜、變頻調(diào)速柜等一起布置在生產(chǎn)現(xiàn)場電氣控制室內(nèi)的，亦即處于電機及電力強電電路和強電電氣設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，信號干擾問題是在所難免的。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)故障時的電擊危險，還可以使系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾電流通過接地導線或接地消除，大大降低電磁干擾對系統(tǒng)的影響或干擾信號的發(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PLC系統(tǒng)控制站的接地相對于鄰近的電機啟動控制柜變頻調(diào)速柜等采取了單獨接地處理：用一根大截面70 mm2銅芯絕緣電纜連接現(xiàn)場站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遠處，而且各PLC系統(tǒng)接地點與臨近強電設(shè)備接地點相距10m以上。

　　3.1.2 選用優(yōu)質(zhì)信號隔離器來解決信號干擾問題
　　信號隔離器是一種采用線性光耦隔離原理，將輸入信號先通過半導體器件調(diào)制變換，再通過光感或磁感器件進行隔離轉(zhuǎn)換，然后再進行解調(diào)變換回隔離前原信號或不同信號，同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立。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題。現(xiàn)已是工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分。

　　3.2 接線端子虛接問題
　　由于PLC系統(tǒng)數(shù)字量、模擬量的輸入、輸出點數(shù)繁多，接線端子的虛接問題有時會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及正常顯示。針對該問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 個別硬件損壞問題
　　我們在改造調(diào)試階段及后來的生產(chǎn)運行期間曾經(jīng)出現(xiàn)過個別硬件(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)過分析主要是接線錯誤強電串入及雷電防護不到位所致。改正接線錯誤，再對每個模擬量信號通道增加隔離器及對避雷裝置完善后，硬件損壞的機率大大降低。

　　4 結(jié)束語
　　S7-300/400 PLC自動控制系統(tǒng)代替原來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，過去主要依靠人工現(xiàn)場調(diào)節(jié)的控制手段得到了徹底改善，特種水泥生產(chǎn)線的運行得到合理控制，也體現(xiàn)出了PLC自動控制系統(tǒng)的運行可靠、操作方便、功能完備、畫面直觀等諸多優(yōu)點，雖然也出現(xiàn)了一些問題，但也屬于合理范疇并得到較好解決。

來源：《新世紀水泥導報》