摘 要：本文章主要介紹西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電廠中的應(yīng)用，主要介紹軟冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型及編程以及在小型垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用和比較，以已經(jīng)建設(shè)竣工的“深圳市醫(yī)療廢物處置中心”的自動(dòng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：PLC 串口通訊 系統(tǒng)冗余 OPC WINCC
Abstract：This paper introduce the using method of serial communication of point to point between S7-300 and S7-300 redundancy , and give out the initial program with the project. In this paper, We introduced the siemens PLC software redundancy system, explain the system’s theory, configuration information and debug method. The engineer can use this paper to creating a configuration of the redundancy control system,
Key words: PLC Serial communication Redundancy OPC WINCC
一、項(xiàng)目介紹
1. 公司的業(yè)務(wù)范圍主要致力于國內(nèi)外環(huán)保產(chǎn)業(yè)的BOT 模式建設(shè)投資，主要包括城市生活垃圾（工業(yè)危險(xiǎn)廢物）焚燒發(fā)電廠、城市醫(yī)療垃圾、城市污水處理廠的投資建設(shè)，公司下屬電氣自控工程技術(shù)部，主要從事項(xiàng)目整套電氣和自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型和編程調(diào)試工作；從“深圳市醫(yī)療廢物處置中心”項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用S7-300軟冗余系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)；醫(yī)療垃圾處理項(xiàng)目作為我國近幾年來的重點(diǎn)項(xiàng)目，國家環(huán)?？偩址浅Ｖ匾?，對(duì)主體設(shè)備和自控系統(tǒng)的要求也非常高。
2.本系統(tǒng)主要是通過檢測現(xiàn)場煙氣溫度和壓力，通過控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵以及加藥裝置的頻率和控制開關(guān)，從而達(dá)到控制煙氣溫度和含量的目的；通過西門子S7-300系列PLC通過采集和控制模塊對(duì)設(shè)備和現(xiàn)場儀表進(jìn)行采集和控制，并把信號(hào)通過底版總線與CPU處理器傳輸，由CPU處理器完成處理后，再通過以太網(wǎng)與工控機(jī)連接；本系統(tǒng)有兩套完全獨(dú)立的CPU處理系統(tǒng)，通過IM153-2 分別與遠(yuǎn)程的I/O模塊通過PROFIBUS總線通訊，當(dāng)一套發(fā)生故障時(shí)，備用系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行；
當(dāng)PLC把數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)后，通過組態(tài)軟件進(jìn)行編程和組態(tài)，把數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并在屏幕上制作操作開關(guān)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；并同時(shí)自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC的數(shù)據(jù)傳輸格式，把需要顯示的數(shù)據(jù)傳送給模擬屏。
3.工廠外貌圖片
二、系統(tǒng)介紹
1. 項(xiàng)目簡單工藝主要針對(duì)城市醫(yī)療垃圾進(jìn)行處理，醫(yī)療垃圾收運(yùn)后運(yùn)到處置中心進(jìn)行焚燒處理，垃圾首先進(jìn)入焚燒爐和二燃室進(jìn)行配風(fēng)焚燒，焚燒后的煙氣通過鍋爐進(jìn)行降溫、除酸噴霧塔和布袋除塵器進(jìn)行除酸和除塵，然后通過35米煙囪直接排放；鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電或其它用途，本自控系統(tǒng)主要控制垃圾燃燒后產(chǎn)生的煙氣溫度和煙氣成本含量，保證減少二次污染。
2. 本項(xiàng)目主要使用西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，模塊選型如下：
中央處理器模塊 CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0 2塊，工作存儲(chǔ)器128KB；
電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0 2塊給CPU供電；
通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0 2塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊并進(jìn)行兩個(gè)CPU之間的冗余通訊；
接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0 2塊進(jìn)行PROFIBUS遠(yuǎn)程I/O通訊和系統(tǒng)冗余通訊；
電源模塊6EP1333-2AA00 2塊給ET200供電；
DI數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 5塊 采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及故障狀態(tài)；
DO數(shù)字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 3塊控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停；
AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 2塊采集現(xiàn)場設(shè)備的壓力、流量、煙氣成分含量以及風(fēng)機(jī)和加藥泵的頻率信號(hào)；
TC熱電偶輸入模塊6ES7331-7PF10-0AB02塊 采集1000度以上的煙氣和蒸汽溫度信號(hào)；
RTD熱電阻輸入模塊6ES7331-7PF00-0AB02塊采集1000度以下的煙氣和蒸汽溫度信號(hào)
AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB02塊通過程序的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)和加藥裝置的頻率；
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1．本項(xiàng)目的硬件設(shè)備主要分為三個(gè)大部分：PLC部分、現(xiàn)場設(shè)備以及模擬屏部分，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫浇Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場儀表和設(shè)備采集數(shù)據(jù)連接到PLC的輸入模塊、并接收PLC的命令對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；PLC接收現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)并傳誦計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制命令，并內(nèi)部通過強(qiáng)大的內(nèi)部運(yùn)算國內(nèi)進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，具體組成和選型依據(jù)如下：
PLC 選用西門子的S7-300系列PLC，設(shè)計(jì)為軟冗余系統(tǒng)，PLC本體與遠(yuǎn)程I/O通訊為PROFIBUS 協(xié)議的串口通訊，PLC與計(jì)算機(jī)采用以太網(wǎng)，并以以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)；中控室計(jì)劃設(shè)計(jì)為兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)模擬屏等設(shè)備，與計(jì)算機(jī)的通訊采用RS232直接串口通訊，軟件選用WINCC.0組態(tài)軟件。
現(xiàn)場采集和顯示控制設(shè)備，基本選用國產(chǎn)元件，一般選用的測量1200度以上的溫度S分度熱電偶，1200度以下500度以上用S分度熱電偶，500度以下用PT100熱電阻測量，直接與相應(yīng)的PLC模塊連接，不需要任何的變送器元件；壓力選用壓力差壓變送器把壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到AI模塊；電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)，頻率信號(hào)通過AI 模塊輸入，頻率的設(shè)定通過AO 模塊輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行控制，啟?？刂仆ㄟ^DO模塊控制，設(shè)備狀態(tài)信號(hào)通過DI模塊輸入。
2．附加系統(tǒng)設(shè)備主要有變頻器、壓力變送器、溫度傳感器、智能儀表和控制繼電器等，大部分設(shè)備與PLC之間全部采用硬連接，硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖：
3.多種方案的比較
過于系統(tǒng)選型方案的比較，由于以前工程的冗余控制系統(tǒng)一直使用國內(nèi)的DCS系統(tǒng)或者PLC的硬冗余系統(tǒng)，但從使用效果以及造價(jià)成本方面考慮，國外DCS系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，國內(nèi)DCS系統(tǒng)又不是特別穩(wěn)定；用PLC硬冗余系統(tǒng)也存在價(jià)格比較貴的原因；通過比較，決定用價(jià)格相對(duì)便宜而性能又比較穩(wěn)定的西門子軟冗余系統(tǒng)嘗試使用。
四、控制系統(tǒng)完成功能
1．本系統(tǒng)的主要工作分以下幾個(gè)方面：
Ø 軟冗余功能的完成
軟件冗余是西門子公司實(shí)現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案,可以應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的控制系統(tǒng)中，節(jié)約成本。但在垃圾焚燒項(xiàng)目中對(duì)設(shè)備的控制要求非常嚴(yán)格，也就是說控制設(shè)備在冗余切換中絕對(duì)不能斷開，所以本人根據(jù)西門子公司的軟冗余手冊進(jìn)行調(diào)試和編程，最后效果非常好，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)切換設(shè)備中斷的現(xiàn)象，所以給下面的工作帶來了巨大信心，具體調(diào)試過程在西門子的“軟冗余文章”全部有描述，在此不做過多的描述。
Ø控制功能的完成
本系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要分以下幾個(gè)部分：
一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)以及引風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制
在本系統(tǒng)中，焚燒系統(tǒng)的焚燒爐體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)以及引風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率全部聯(lián)動(dòng)控制；當(dāng)引風(fēng)機(jī)開啟后，一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)才能開啟，根據(jù)溫度和煙氣的氧氣含量控制爐體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)速控制，直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設(shè)定設(shè)定值以及積分時(shí)間，非常簡便；一燃室的煙氣溫度控制到850度，二燃室的煙氣溫度控制到1200度，使之不產(chǎn)生二惡英；一燃室溫度過高時(shí)增大進(jìn)料電機(jī)速度，同時(shí)減小一次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；二燃室溫度過高時(shí)增減小一次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)增加二次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；并且在控制一二次風(fēng)的時(shí)候，必須自動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)速度，保證煙道壓力保證在-150PA左右。
堿液站的自動(dòng)控制
在除酸噴霧塔中需要噴灑堿液以保證煙氣的酸堿度，同上面一樣直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設(shè)定設(shè)定值以及積分時(shí)間，非常簡便；
布袋除塵器的自動(dòng)控制
設(shè)定溫度值，利用PLC 內(nèi)部的比較指令，溫度范圍在130-190度之間時(shí)，啟動(dòng)布袋除塵器，超出范圍時(shí)，通過PLC程序啟動(dòng)旁通閥，保護(hù)布袋。
鍋爐給水自動(dòng)控制
鍋爐汽包水位是確保安全生產(chǎn)和維護(hù)正常供汽的主要條件，一般要求水位維持在設(shè)計(jì)水位的±50mm 范圍內(nèi)；設(shè)定鍋爐給水水位，通過PID 模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)給水閥門的開度，從而達(dá)到控制鍋爐水位的功能。
系統(tǒng)最終檢測結(jié)果：
PLC 系統(tǒng)采集正常，數(shù)據(jù)顯示和動(dòng)作控制的時(shí)間不超過500ms ,數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確率為100%；
PROFIBUS 傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現(xiàn)；
PLC 數(shù)據(jù)傳輸精確，模擬量的精確度可以達(dá)到13BIT；
冗余系統(tǒng)正常，沒有出現(xiàn)主從系統(tǒng)切換時(shí)中斷，切換時(shí)一切控制正常，包括控制繼電器不會(huì)斷開、模擬量輸出控制變頻器轉(zhuǎn)速不會(huì)丟失等；
模擬屏顯示正常、數(shù)據(jù)刷新正常，數(shù)據(jù)刷新速度為1000ms；
2．在本項(xiàng)目的調(diào)試過程中，應(yīng)該說是非常順利的，只是在最開始的時(shí)候由于軟冗余系統(tǒng)在深圳比較少用，所以在剛開始調(diào)試時(shí)比較擔(dān)心，但經(jīng)過西門子公司的技術(shù)支持，調(diào)試非常順利，在剛開始就確認(rèn)冗余切換沒問題。
3.工藝及主要設(shè)備組態(tài)界面
3.1工藝圖界面
3.2 變頻器控制畫面
3.3 堿液站控制畫面
五、結(jié)束語
本系統(tǒng)于2005年2月投入使用至今已近20個(gè)月，運(yùn)行順利，用戶非常滿意；目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功推廣到南昌、長沙、成都、青島、大連等地的醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)以及廣東番禺綠由工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒發(fā)電廠中，用戶反映非常良好。
該SIEMENS S7-300軟冗余系統(tǒng)已在生產(chǎn)中得到實(shí)際使用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在該系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)的應(yīng)用得到了充分的展示，這種冗余配置廣泛的推廣到其它行業(yè)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。
六、應(yīng)用體會(huì)
本系統(tǒng)自選型以來，經(jīng)歷了許多困難，因?yàn)橐郧岸际褂糜踩哂嗟腜LC ，比如AB的PLC5系列或者其它品牌的DCS系統(tǒng)，但由于上述系統(tǒng)造價(jià)非常昂貴，而部分國產(chǎn)的DCS系統(tǒng)非常不穩(wěn)定，我們的項(xiàng)目為BOT 項(xiàng)目而且有要求條件不是太高，所以既要降低成本，又要保證性能，所以通過比較，決定“深圳市醫(yī)療廢物處置中心”項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，如果可行就進(jìn)行推廣，目前已經(jīng)在公司項(xiàng)目正式批量使用，甚感欣慰。
通過上述項(xiàng)目，證實(shí)西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)完全可以滿足“垃圾焚燒發(fā)電廠”的技術(shù)要求，基本實(shí)現(xiàn)無擾切換。并且通過WINCC6.0開放的OPC接口，完成了與模擬屏的數(shù)據(jù)通訊，積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
《西門子軟件編程手冊》 西門子公司內(nèi)部刊物
《WINCC6.0 組態(tài)軟件》 西門子公司內(nèi)部刊物
《S7-300軟冗余指南》 西門子公司內(nèi)部刊物
