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案例详细
标题组态软件在冗余控制中的应用
技术领域仪器仪表
行业
简介文章讲述了ESD（Exigency Shut Down紧急停车）系统的实际应用，论述了紧急联锁系统的硬件和软件冗余实现方法，具有实用性和可扩展性。
内容



                                                          关键词：ESD；连锁；冗余；力控
    赵丽华（1973－）
女，工学学士学位，工程师，从事自动化优化控制应用与开发工作。

    某乙烯厂乙烯储存由11个球罐组成，每个罐的体积300m 。在正常的生产中需要控制罐内的液位，要监视罐内温度，压力和相关阀门的状态。将罐内的物料液位严格控制在一定的高度，防止冒顶。因为乙烯是易燃易爆的物质，一旦发生溢漏，可能发生极大的危险，给人身和设备带来巨大的损坏，造成不可估量的损失，因而其重要性是显而易见的。出于安全生产的要求，决定对球罐控制系统进行改造。

1   工艺流程简述

    1.1   储罐工作工艺

    生产中产出的乙烯产品储存在11个球罐中，每个罐进料口有一个电磁速断阀门，当罐内的液位或压力达到连锁设定值时，自动切断入口电磁阀门。另外，当罐顶压力达到连锁值时，自动打开泄气阀门，将乙烯气体排放到回收系统中，重新利用，避免放空造成污染。其余罐工艺都是相同的。具体如图1所示。



图1    工艺流程图

2   控制方案的确定

    2.1   实际生产要求

    由于装置的重要性，要求控制设备能不间断工作，防止控制设备本身的不稳定给生产带来不利的影响。还要防止操作监控软件以及操作站本身的死机，造成不能对现场设备进行监控。控制设备响应要足够满足紧急停车的要求。在正常生产中至少要保存3个月以上的历史数据，以便检索、查询和生产管理。

    2.2   工艺操作要求

    （1） 正常生产中在操作站的监控画面上能看到设备的当前状态。

    （2） 当连锁值达到预报警时，在操作画面上给予提示，并声光报警，提醒工艺操作人员预先处理。在工艺操作人员确认报警以后，如果报警继续存在，则声音停止，而报警指示灯继续亮；如果报警不存在，声光同时解除。

    （3） 当达到连锁值时，按照工艺流程图1产生相应的动作。

    （4） 连锁发生以后，必须要工艺人员确认复位设备方可进行下一次开车。

    （5） 需要在操作站监控的量有，罐内的液位、压力、温度、阀门的状态等，11个球罐共AI 33点，DI 55点，DO 30点。

3   控制系统

    3.1   硬件结构及其特点

    根据该生产工艺的特点和生产过程的实际情况，选用美国Rockwell公司的PLC。其型号为PLC5/40C F15 。该产品能组态为硬件冗余功能，包括电源冗余，CPU冗余，通讯冗余。具体配置如图2所示。



图2     硬件配置图

    从图2中我们可以看出，配置了2台操作站，互为备用。特别出于对安全考虑，采用冗余控制方式。既首先选用2个4槽框架，型号为1771-A1B，每个框架中分别安装一个CPU和一个电源模块，此电源模块220VAC输入，为安装在框架内的所有模块供电；然后选取1个13槽框架，型号为1771-A4B。其中安装1个I/O适配器，2个电源模块，不同类型的多个I/O 模块。适配器的作用将这个13槽框架作为远程框架和CPU进行通讯，负责数据的上传和下送，是现场I/O和处理器连接的纽带，2个电源模块220VAC输入，作为冗余电源为安装在13槽框架上的所有模块供电。另外，每个CPU上还插入一个热备模块1785-CHBM，每个框架具体的配置和模块型号见表1～表3。

    表１    框架１

     槽号                           模块型号                          备注
      0                             785L40CF15                        CPU
      1                                空槽
      2                                空槽  
      3                               1771－P6S                       电源
    
    表２    框架２

     槽号                           模块型号                          备注
      0                             PLC5/40C F17                      CPU
      1                                空槽
      2                                空槽  
      3                               1771－P6S                       电源

     表３    框架３

      槽号                           模块型号                          备注
       0                             1771-ACNR                        I/O适配器
       1                             1771－IQ16                        数字输入
       2                             1771－IQ16                        数字输入  
       3                             1771－IQ16                        数字输入  
       4                             1771－IQ16                        数字输入
       5                             1771－OW16                        数字输出 
       6                             1771－OW16                        数字输出  
       7                                                               模拟输入
       8                                                               模拟输入
       9                                                               模拟输入
       10                               空槽                             备用
       11                             1771－P6R                          电源
       12                             1771－P6R                          电源   

    通讯连接采用特有的 ControlNET 连接方式，具有优越的实时性，是真正面向工厂级的实时控制网络。

    3.2   软件功能及特点

    3.2.1     RSLINX软件

    RSLINX是用来组态 PLC和上位机通讯的软件，取决于实际的通讯方式来选择。

    3.2.2    RSNETWorks for ControlNet

    应用此软件组态硬件和热备份冗余。按造实际硬件连接方式组态所有的模块，要特别注意的是，在做冗余组态的时候，CPU的节点地址一定要选择连续的数字，范围在0~99之间，但是0不可用，并且第一个数字是奇数，如5和6等，系统推荐最好组态成1和2。 

    在所有硬件组态好以后，需要调整网络参数，如最大Scheduled地址；最大UNscheduled地址；通讯介质；RTU时间等。

    最后存储项目文件，记下项目名称和路径，以备下一步应用。

    3.2.3   Rslogix5 软件

    在Rslogix5中新建一个项目，选取CPU类型PLC5/40C F系列，只有F系列才有热备功能，填入刚才组态好的RSNETWorks for ControlNet 项目文件。

    在Rslogix5的Hot Backup组态中，创立一个备份文件，长度严格200个字。指定主站节点地址和同步检测的项。

    3.2.4    操作站监控软件力控及开发应用

    力控组态软件是北京三维力控有限责任公司开发的面向对象的开发工具，是基于32位的WINDOWS98/2000/NT 下应用平台，有丰富的I/O驱动能连接各种现场设备。分布式实时多数据库系统，提供了访问工厂系统数据的一个公共入口。具有WEB功能，充分利用了Internet的网络资源。

    在操作站上开发了流程监视画面，操作画面、实时趋势、历史趋势画面、报警总貌画面。每幅画面上都有操作按钮，保证及时、准确、快速地切换到需要的画面。

    可显示8笔记录的趋势画面，更加直观反映了实际的工作情况。

    灵活方便的参数设置，只需用鼠标轻点要输入的项目，就可及时修改参数报警弹出式窗口，在第一时间引起操作人员的注意，为处理事故赢得时间。

    3.3   上位机冗余控制的实现

    3.3.1    操作站冗余

    前面已经论述了控制站冗余的实现方法，其大大防范了由于硬件故障带来的非正常停产。在实际生产中还有一个影响生产的严重问题，就是如何防止操作站故障。比如，操作站损坏或死机，造成不能对生产过程进行监控，不能及时了解和控制现场情况，同样会危及安全生产。

    力控组态软件所具有的双机热备功能，正好解决了上述问题。在实际应用中，2台PC操作站，1台组态为主站，1台组态为从站。正常主站具有操作功能，从站具有监视功能，并且不断等值化主站的数据。一旦主站发生故障，从站立即自动切换为主站，并接管所有工作。当主站恢复正常后，从站仍把控制权交回主站，并把主站在故障期间数据库中丢失的数据补充上。

    3.3.2    通讯切换

    在实际应用中面临一个主要的问题是，当CPU切换以后，如何不影响到操作站的正常监控。因为，在力控的数据库组态中，所有的工位号连接路径都指向作为主控制站的CPU ，其节点地址为1。当CPU切换后，从站CPU接管工作，其节点地址是2。由于实际通讯路径的改变，就会发生操作站通讯中断，不能正常监控。

    为此，力控软件开发人员专门开发了一个I/O驱动程序，对主工作站的故障状态做了判断，很好的解决了上述问题。

    图３是在力控软件中的实际数据库组态图，在访问路径中，填入主控制站PLC地址；冗余数据项中填入从控制站PLC地址；数据类型和读写权限选择适合的就可以了。无须操作人员干涉，自动检测主控制器的工作状态，如果发生故障，自动无扰动切换到从控制器通讯，不影响上位计算机的工作，保证了系统的安全可靠性。

    需要说明的是，主从控制站中的程序要求完全一致，这样在自动切换的时候才能保证数据连接地址的正确性。



图3    力控软件实际数据库组态图

4   结论

    该系统投产后，经实际检验，运行稳定，大大降低了改造前的非正常停产次数，操作方便，易于维护，取得了良好的经济效益。特别是在对安全要求较高的控制系统中，值得推广。