S7-300/400PLC系統問題及技術淺析

　　工控摘要：近幾年來，PLC（可編程序邏輯控制器）技術在工控行業發展迅速，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構特點。
　　
　　在中小型水泥企業應用PLC集成的DCS系統代替老式繼電器控制系統或傳統的DCS系統對水泥生產線進行改造已成為一種zui常用的可靠的合理性方案之一。中國聯合水泥集團曲阜中聯水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產線為l989年設計建設，核心生產設備為Φ3m×48m五級旋風預熱器窯外分解回轉窯，主要產品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關工程材料。廠址位于山東省泗水縣境內，電氣控制系統原為老式繼電器控制系統，于2000年改造為Siemens公司的S7—300/400PLC系統，主要是根據特種水泥回轉窯煅燒系統工藝流程的生產需要，以實現對生產線的工藝設備進行全面、可靠、合理、完善的監視、測量與控制，并有效地監控和管理，確保工藝設備處于、節能、安全可靠的*運行狀態，使用時間已接近十年。
　　
　　1、自動控制系統的硬件結構
　　
　　該自動控制系統的核心硬件結構主要由SIEMENS公司的s7-300/400PLC系統硬件構成，從空間架構上可以劃分為現場控制站、操作站（及工程師站）和網絡系統三部分。
　　
　　（1）現場控制站的核心部分為PLC系統，采用的是SIEMENS公司的高性能模塊化S7—300/400系列PLC，完成生產過程中各過程參數的采集、調節以及工藝設備的啟停控制，放置在生產現場控制室內，以縮短與現場一次檢測元件和執行機構的距離。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，結構形式規范，提高了自控系統設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：*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，該生產線自動控制系統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）：用于數字量和模擬量輸入/輸出，是PLC系統和生產過程之間的接口;現場設備的啟動、停止、極限報警、故障報警、操作及運行狀態以及溫度、壓力（差壓）、流量、電壓、電流、轉速等重要參數均是通過這些信號模塊與PLC系統相連的。本系統采用的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）：用于連接網絡和點對點連接;本系統在現場控制站采用TCP443-5通訊模塊。
　　
　　功能模塊（FM）：用于高速計數，定位操作（開環或閉環控制）和閉環控制，本系統根據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SIMATICS7-300連接到120/230VAC電源。本系統采用了PS4074A及PS307兩種電源模塊。
　　
　　接15模塊（IM）：作用是將S7-300PLC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）。本系統采用了IMl53-1接口模塊。
　　
　　（3）操作站位于*控制室內，以較*的設備和友好的人機界面提供生產過程的實時數據及歷史數據的管理，上位機接受來自現場站PLC系統采集的現場報警信號及運行狀態信號、操作狀態信號，并具有畫面顯示、報表打印、歷史數據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，實現對生產過程的集中操作、集中監視和集中管理。
　　
　　主要硬件配置為：IPC/PII330研華工業控制計算機作為上位機，32M以上內存，2.1G硬盤，PHILIPS-21″彩色監視器，Laserjet6LHP打印機及其附件組成。
　　
　　（3）網絡系統連接系統內現場控制站及操作站的各個站點，以滿意的通訊速率實現現場控制站與操作站之間的數據通訊。
　　
　　上位機上插有數據通訊接口CP5613，通過帶有終端電阻的Profibus接頭及PROFIBUS屏蔽雙絞線電纜與現場站的PLC系統相連，實現兩者之間的數據交換。
　　
　　通過上位機的協調控制，可對PLC系統實現優化控制及監視。
　　
　　網絡系統具有較*的技術指標，通訊速率可達10Mbps。
　　
　　2、自動控制系統的軟件構成
　　
　　該自控系統的基本軟件為STEP7，是對PLC進行組態和編程的軟件，人機界面及數據采集監控系統（HMI/SCADA）軟件采用SIEMENS基于Windows平臺的視窗控制中心WinCC系統，性能*，通訊，是工程控制的窗口。
　　
　　3、主要出現的問題、故障及處理方法
　　
　　該系統在剛安裝調試階段及后來長期運行期間也出現過一些大大小小的問題與故障。
　　
　　3.1信號干擾問題
　　
　　雖然PLC系統從開始誕生并不斷發展至今，設計時就已考慮到工業生產現場較惡劣的工作環境，具有較強的抗*力，但工作現場條件是千變萬化的，隨著變頻器、直流調速器等電力電子設備的廣泛應用，各種干擾源更是層出不窮，比如該PLC系統的現場控制站就是和現場的各種電機啟動控制柜、變頻調速柜等一起布置在生產現場電氣控制室內的，亦即處于電機及電力強電電路和強電電氣設備所形成的惡劣電磁環境中，信號干擾問題是在所難免的。我們的主要做法為：
　　
　　3.1.1做好系統接地
　　
　　我們知道對于電氣系統而言，有效的低電阻接地連接可以減少發生短路或系統故障時的電擊危險，還可以使系統產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的影響或干擾信號的發射。因此，有效完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。我們將現場PLC系統控制站的接地相對于鄰近的電機啟動控制柜變頻調速柜等采取了單獨接地處理：用一根大截面70mm2銅芯絕緣電纜連接現場站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80mm×50mm×6mm銅板做成。經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10m～15m遠處，而且各PLC系統接地點與臨近強電設備接地點相距10m以上。
　　
　　3.1.2選用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制變換，再通過光感或磁感器件進行隔離轉換，然后再進行解調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品，一般能有效解決干擾問題。現已是工業自動控制系統中的重要組成部分。
　　
　　3.2接線端子虛接問題
　　
　　由于PLC系統數字量、模擬量的輸入、輸出點數繁多，接線端子的虛接問題有時會影響系統的穩定運行及正常顯示。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
　　
　　我們在改造調試階段及后來的生產運行期間曾經出現過個別硬件（DI模塊SM321，D0模塊SM322，AI模塊SM331，A0模塊SM332及CPU413）損壞的故障，我們經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、結束語
　　
　　s7-300/400PLC自動控制系統代替原來老式繼電器控制系統的改造，使特種水泥生產線的生產控制有了質的飛躍，過去主要依靠人工現場調節的控制手段得到了*改善，特種水泥生產線的運行得到合理控制，也體現出了PLC自動控制系統的運行可靠、操作方便、功能完備、畫面直觀等諸多優點，雖然也出現了一些問題，但也屬于合理范疇并得到較好解決。