摘 要：本文主要介绍了利用西门子PLC S7-300组建软冗余系统在生活垃圾焚烧厂的应用。
关键词：软冗余，生活垃圾焚烧厂，PLC
1 引言
随着城市化进程的不断加快，各个城市建成区规模也相应不断增加，这就对生活废弃物的处理工作提出了新的要求，除了应对正常情况下每天城市所产生的不断增长的生活垃圾外，还要具备一定的应付突发事件的能力。这就对生活垃圾处理厂设备的完好率提出了新的要求，提高设备的妥善率，减少停机维护时间，增加设备可靠性都成为必须要讨论的课题，尤其是承担电气控制系统大脑功能的PLC系统的可靠性问题则成为重中之重。
随着现场总线技术及微处理器性能的突飞猛进，高档PLC集散控制系统已经成功应用在中型及较复杂的控制领域中，在工业自动化系统中，为了使系统长期稳定可靠地运行，可以组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。冗余的分类方式很多。目前，采用的PLC冗余方式分为2种，即软冗余和硬冗余。西门子公司在这2方面均给出了解决方案。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7-300或S7-400的软冗余是一种综合考虑提高可靠性和降低成本的折中方案。目前，软冗余系统已经在污水处理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍应用。
本文将介绍在生活垃圾处理厂成功投入生产运行的PLC控制系统。
2 控制系统总体方案介绍
该集散控制系统采用西门子S7-300系列PLC，西门子公司的S7-300系列PLC是90年代推出的S7系列中的中型机型，具有完善的功能和强大的通讯能力，特别是总线国际标准之一的Profibus，得到很多厂家的支持，非常有利于分布式控制系统的使用，Profibus-DP总线的通讯速率可达12Mbps。S7-417H双机硬热备系统和ET200M分布式I/O组成的Profibus-DP总线网构成切换结构，实现故障时的无扰动自动切换，可用在安全性能要求极高的控制系统中。但是S7-417H双机热备系统造价相对昂贵，为了减少硬件投资，可以选用软件双冗余(用315CPU进行双机热备)，采用分布式I/O的Profibus-DP现场控制总线，上位机与PLC之间采用100兆工业以太网进行通讯, 上位机采用西门子公司WINCC6.0组态软件进行系统组态。该厂的垃圾焚烧工艺为深圳市汉氏固体废物处理设备有限公司的专利技术，采用立式旋转焚烧炉，各项指标均达到国际环保要求, 一期日焚烧处理生活垃圾30t。该工艺技术在我国具有实际推广的应用价值。
(1) 工作原理
垃圾经自动给料单元送入焚烧炉的双辊进料装置，然后送入旋转焚烧炉，炉体旋转过程可以使垃圾均匀分布在炉排上，这样在一次风机和炉排扰动的共同作用下可以使助燃空气与垃圾均匀混合，热解垃圾产生一氧化碳热解气体至二燃室混合二次风机送入的大量空气在1100℃充分燃烧，燃烧产生的热量由余热锅炉回收。余热锅炉产生的高温高压水蒸汽可以外卖或单位取暖等用途，燃尽烟气经过锅炉后进入极冷塔、除酸塔，布袋除尘器、二噁英过滤塔等设备最终达到国家排放标准，安全排放。
(2) 生活垃圾厂主要电器、仪表设备
双辊进料机 炉体旋转电机 炉排旋转电机 一次风机 二次风机 引风机 焚烧炉冷却水泵 锅炉给水泵 急冷塔喷淋泵 除酸塔喷淋泵等
一燃室温度热电偶 二燃室温度热电偶 锅炉出口温度热电偶 急冷塔出口温度热电阻 除酸塔出口温度热电阻 布袋除尘器进出口热电阻等温度仪表
炉膛压力变送器 炉底压力变送器 锅炉蒸汽压力变送器 锅炉前后差压变送器 除尘器前后差压变送器 压缩空气压力变送器等压力仪表
日用油箱液位计 软化水箱液位计 炉体水套液位计等液位仪表
锅炉给水电动调节阀 急冷塔喷淋电动调节阀 除酸塔喷淋电动调节阀 锅炉蒸汽压力电动调节阀等调节阀门
该PLC集散控制系统I/O点数有300余点，其中模拟量150余个。全厂的PLC集散控制系统图如附图所示。
3 上位机监控系统配置
系统共设2台上位机，1台工程师站，1台操作员站。能够对全焚烧系统数据进行监控操作，包括焚烧炉、锅炉，烟气系统，除灰系统，制给水系统、废水处理系统、电气及其它部分。2台上位机站均为双机热备。能互换操作。工程师工作站，进行系统软件开发组态和警报顺序事件记录，工程师站将能够作为操作员站完成相关控制监测功能。工程师站、操作员站及PLC之间采用100兆工业以太网进行互连通讯。操作系统采用中文Windows XP 窗口操作系统。
上位机采用WINCC6.0SP2组态软件进行系统组态。人机界面主要设计有以下内容:
(1) 系统工艺流程显示：依据设计院提供的系统工艺流程图，按照功能组区域划分；
(2) 顺控系统操作指导显示：有顺控步序显示，即顺控程序步骤的状态显示，以及操作提示等；
(3) 调节系统、调节画面：回路手操站，调节参数与参数趋势的集中显示；
(4) 重要参数趋势显示：有实时趋势与历史趋势两种显示；
(5) 全局报警显示：系统按照功能区分为若干个报警组，各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方，全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力，或按优先级、报警组过滤查看，并具有全局报警确认；
(6) 报表管理：提供日报、月报打印功能，打印方式有：定时打印、事件驱动打印、运行人员召唤打印，提供历史报表数据查看功能；
(7) PLC系统状态显示：提供系统硬件网络的查错、维护功能；
(8) 多级地图式菜单显示；
(9) 系统安全级别定义
为了保证系统的安全操作，设计有三级权限：工程师级、高级操作员级、操作员级，操作员级用户可进行系统正常操作，高级操作员级用户除具有操作员级的功能外，还具有修改调节参数、修改时间、查看历史报表、召唤打印等功能，程师级拥有最高权限，具有高级操作员级所有功能，还可进入开发环境进行组态修改。
4 PLC控制系统配置及软冗余实现原理
整个系统由两台S7-315DP组成双机热备作为主站，通过实时冗余软件实现控制系统无扰动切换，确保系统安全稳定运行，2个CPU通过以太网接口进行相互监视和数据备份，每个CPU分别通过工业以太网通信模块与上位机进行通信。西门子的315CPU组成双机热备，只能通过软件来实现，因此称之为软冗余，原则上CPU315以上的CPU都可以组成软冗余。用户必需自己编写冗余管理程序，把需要冗余的数据放在特定的DB里，在每个扫描周期里主CPU就把这些特定DB里的数据影像到从CPU中。软冗余与硬冗余具有开发人员可以自定义冗余数据库的优点，这样可以大大缩短在每个扫描周期中冗余数据的影像时间。本项目PLC软冗余系统组成案例如图所示
在系统运行时2个CPU均启动，但只有主CPU执行控制命令，备用CPU检测主CPU状态，时刻准备接替主CPU继续工作。与主CPU通信的IMl 53—2模块处于激活状态使主CPU能访问I／0模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。这些故障包括：主机架电源、背板总线等故障；CPU故障；Profibus现场总线网络故障；ET200M站的通信接口模块IMl53故障。带有冗余功能的程序结构见图
PLC软冗余系统要实现软冗余功能，需要存程序中调用冗余软件包的功能模块，其主要包括：初始化冗余系统运行参数的FCl00模块；故障诊断、主备切换的FCl02模块；发送／接收数据的FBl03模块；调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。
在PLC每个循环执行周期中，主系统先凋用FBl01接收并分析备系统状态，然后执行冗余程序，最后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。备系统先调用FBl01接收并分析主系统状态，跳过冗余程序，然后将备系统状态发送到主系统。需注意的是，实现冗余功能的最重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态，然后再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行，将导致接收到对方故障信息后，对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。
控制信号的输入/输出由相关ET200M 分布式I/O模块完成，采用“就近原则”，以最大程度减少现场的硬布线。每个ET200M分别有两块IM153-2通信模块，分别挂在DP总线上，组成冗余的DP总线。ET200M采用是西门子300系列分布式I/O模块，价格低廉。每个ET200M可扩展8个I/O模块，容量可高达128字输入/128字输出，最大传输速率为12Mbps。
本控制系统由西门子300系列的CPU315-2组成双机热备，进行数据冗余，300系列分布式I/O组成双冗余的DP总线，是性价比极高的集散控制系统。
5 结束语
该PLC集散控制系统经本公司多个项目运行证明，各项技术指标均达到控制要求，为公司节约了成本，提高了设备可靠性。同时通过这些项目使我本人对于西门子PLC系统在工程实践用中的应用有了更高的认识。提高了自身的技术水平，为今后更高层次的工程实践打下坚实的基础。
参考文献
{1}西门子S7-300/400PLC技术与应用 ISBN:9787115164483
论文作者:徐博
论文发表刊物:《中国电业》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/11
标签：冗余论文; 系统论文; 双机论文; 控制系统论文; 操作员论文; 模块论文; 功能论文; 《中国电业》2019年第10期论文;