今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘要：本文章主要介紹西門(mén)子S7-300 PLC軟冗余系統在垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)中的應用，主要介紹軟冗余系統的設計選型及編程以及在小型垃圾發(fā)電廠(chǎng)的應用和比較，以已經(jīng)建設竣工的“深圳市醫療廢物處置中心”的自動(dòng)控制系統為基礎。
關(guān)鍵詞：PLC 串口通訊 系統冗余 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
1. 公司的業(yè)務(wù)范圍主要致力于國內外環(huán)保產(chǎn)業(yè)的BOT 模式建設投資，主要包括城市生活垃圾（工業(yè)危險廢物）焚燒發(fā)電廠(chǎng)、城市醫療垃圾、城市污水處理廠(chǎng)的投資建設，公司下屬電氣自控工程技術(shù)部，主要從事項目整套電氣和自控系統的設計、選型和編程調試工作；從“深圳市醫療廢物處置中心”項目設計使用S7-300軟冗余系統作為主控制系統；醫療垃圾處理項目作為我國近幾年來(lái)的重點(diǎn)項目，國家環(huán)?？偩址浅Ｖ匾?，對主體設備和自控系統的要求也非常高。
2.本系統主要是通過(guò)檢測現場(chǎng)煙氣溫度和壓力，通過(guò)控制調節風(fēng)機、水泵以及加藥裝置的頻率和控制開(kāi)關(guān)，從而達到控制煙氣溫度和含量的目的；通過(guò)西門(mén)子S7-300系列PLC通過(guò)采集和控制模塊對設備和現場(chǎng)儀表進(jìn)行采集和控制，并把信號通過(guò)底版總線(xiàn)與CPU處理器傳輸，由CPU處理器完成處理后，再通過(guò)以太網(wǎng)與工控機連接；本系統有兩套完全獨立的CPU處理系統，通過(guò)IM153-2 分別與遠程的I/O模塊通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)通訊，當一套發(fā)生故障時(shí)，備用系統自動(dòng)投入運行；
當PLC把數據傳送到工控機后，通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行編程和組態(tài)，把數據顯示在屏幕上，并在屏幕上制作操作開(kāi)關(guān)對現場(chǎng)設備進(jìn)行遠程控制；并同時(shí)自動(dòng)把數據轉換為OPC的數據傳輸格式，把需要顯示的數據傳送給模擬屏。
3.工廠(chǎng)外貌圖片
二、系統介紹
1. 項目簡(jiǎn)單工藝主要針對城市醫療垃圾進(jìn)行處理，醫療垃圾收運后運到處置中心進(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(guò)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(guò)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. 本項目主要使用西門(mén)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塊與計算機進(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遠程I/O通訊和系統冗余通訊；
·電源模塊6EP1333-2AA00 2塊給ET200供電；
·DI數字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 5塊 采集現場(chǎng)設備的運轉及故障狀態(tài)；
·DO數字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 3塊控制現場(chǎng)設備的啟停；
·AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 2塊采集現場(chǎng)設備的壓力、流量、煙氣成分含量以及風(fēng)機和加藥泵的頻率信號；
·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；
·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
·AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB02塊通過(guò)程序的PID自動(dòng)調節控制風(fēng)機和加藥裝置的頻率；
三、控制系統構成
1．本項目的硬件設備主要分為三個(gè)大部分：PLC部分、現場(chǎng)設備以及模擬屏部分，主要系統結構選用標準拓撲式結構，現場(chǎng)儀表和設備采集數據連接到PLC的輸入模塊、并接收PLC的命令對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制和調節；PLC接收現場(chǎng)設備的數據傳輸給計算機并傳誦計算機下達的控制命令，并內部通過(guò)強大的內部運算國內進(jìn)行PID自動(dòng)調節，具體組成和選型依據如下：
PLC 選用西門(mén)子的S7-300系列PLC，設計為軟冗余系統，PLC本體與遠程I/O通訊為PROFIBUS 協(xié)議的串口通訊，PLC與計算機采用以太網(wǎng)，并以以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò )；中控室計劃設計為兩臺工業(yè)計算機模擬屏等設備，與計算機的通訊采用RS232直接串口通訊，軟件選用WINCC.0組態(tài)軟件。
現場(chǎng)采集和顯示控制設備，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變成4-20mA的標準信號送到AI模塊；電機的轉速通過(guò)變頻器調節，頻率信號通過(guò)AI 模塊輸入，頻率的設定通過(guò)AO 模塊輸出4-20mA的標準信號進(jìn)行控制，啟?？刂仆ㄟ^(guò)DO模塊控制，設備狀態(tài)信號通過(guò)DI模塊輸入。
2．附加系統設備主要有變頻器、壓力變送器、溫度傳感器、智能儀表和控制繼電器等，大部分設備與PLC之間全部采用硬連接，硬件配置及網(wǎng)絡(luò )結構見(jiàn)下圖：
3.多種方案的比較
過(guò)于系統選型方案的比較，由于以前工程的冗余控制系統一直使用國內的DCS系統或者PLC的硬冗余系統，但從使用效果以及造價(jià)成本方面考慮，國外DCS系統價(jià)格非常昂貴，國內DCS系統又不是特別穩定；用PLC硬冗余系統也存在價(jià)格比較貴的原因；通過(guò)比較，決定用價(jià)格相對便宜而性能又比較穩定的西門(mén)子軟冗余系統嘗試使用。
四、控制系統完成功能
1．本系統的主要工作分以下幾個(gè)方面：
·軟冗余功能的完成
軟件冗余是西門(mén)子公司實(shí)現冗余功能的一種低成本解決方案,可以應用于對主備系統切換時(shí)間要求不高的控制系統中，節約成本。但在垃圾焚燒項目中對設備的控制要求非常嚴格，也就是說(shuō)控制設備在冗余切換中絕對不能斷開(kāi)，所以本人根據西門(mén)子公司的軟冗余手冊進(jìn)行調試和編程，最后效果非常好，絕對不會(huì )出現切換設備中斷的現象，所以給下面的工作帶來(lái)了巨大信心，具體調試過(guò)程在西門(mén)子的“軟冗余文章”全部有描述，在此不做過(guò)多的描述。
·控制功能的完成
本系統的自動(dòng)控制功能主要分以下幾個(gè)部分：
·一次風(fēng)機、二次風(fēng)機以及引風(fēng)機的聯(lián)動(dòng)控制
在本系統中，焚燒系統的焚燒爐體轉動(dòng)的速度、加料電機的轉速、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機以及引風(fēng)機的運轉頻率全部聯(lián)動(dòng)控制；當引風(fēng)機開(kāi)啟后，一次風(fēng)機、二次風(fēng)機才能開(kāi)啟，根據溫度和煙氣的氧氣含量控制爐體轉動(dòng)的速度、加料電機的轉速、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機的頻率進(jìn)行調速控制，直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過(guò)DB 模塊直接設定設定值以及積分時(shí)間，非常簡(jiǎn)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(guò)高時(shí)增大進(jìn)料電機速度，同時(shí)減小一次風(fēng)風(fēng)機速度，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(guò)高時(shí)增減小一次風(fēng)風(fēng)機速度，同時(shí)增加二次風(fēng)風(fēng)機速度，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)調節引風(fēng)機速度，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(guò)DB 模塊直接設定設定值以及積分時(shí)間，非常簡(jiǎn)便；
·布袋除塵器的自動(dòng)控制
設定溫度值，利用PLC 內部的比較指令，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(guò)PLC程序啟動(dòng)旁通閥，保護布袋。
·鍋爐給水自動(dòng)控制
鍋爐汽包水位是確保安全生產(chǎn)和維護正常供汽的主要條件，一般要求水位維持在設計水位的±50mm 范圍內；設定鍋爐給水水位，通過(guò)PID 模塊自動(dòng)調節給水閥門(mén)的開(kāi)度，從而達到控制鍋爐水位的功能。
系統最終檢測結果：
·PLC 系統采集正常，數據顯示和動(dòng)作控制的時(shí)間不超過(guò)500ms ,數據交換的準確率為100%；
·PROFIBUS 傳輸正常，沒(méi)有掉落模塊的情況出現；
·PLC 數據傳輸精確，模擬量的精確度可以達到13BIT；
·冗余系統正常，沒(méi)有出現主從系統切換時(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(kāi)、模擬量輸出控制變頻器轉速不會(huì )丟失等；
·模擬屏顯示正常、數據刷新正常，數據刷新速度為1000ms；
2．在本項目的調試過(guò)程中，應該說(shuō)是非常順利的，只是在最開(kāi)始的時(shí)候由于軟冗余系統在深圳比較少用，所以在剛開(kāi)始調試時(shí)比較擔心，但經(jīng)過(guò)西門(mén)子公司的技術(shù)支持，調試非常順利，在剛開(kāi)始就確認冗余切換沒(méi)問(wèn)題。
3.1工藝圖界面
3.2 變頻器控制畫(huà)面
3.3 堿液站控制畫(huà)面
五、結束語(yǔ)
本系統于2005年2月投入使用至今已近20個(gè)月，運行順利，用戶(hù)非常滿(mǎn)意；目前本系統已經(jīng)成功推廣到南昌、長(cháng)沙、成都、青島、大連等地的醫療垃圾處理系統以及廣東番禺綠由工業(yè)危險廢物焚燒發(fā)電廠(chǎng)中，用戶(hù)反映非常良好。
該SIEMENS S7-300軟冗余系統已在生產(chǎn)中得到實(shí)際使用，為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益，在該系統中，PLC系統的應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)應用提供一定的參考價(jià)值。
六、應用體會(huì )
本系統自選型以來(lái)，經(jīng)歷了許多困難，因為以前都使用硬冗余的PLC ，比如AB的PLC5系列或者其它品牌的DCS系統，但由于上述系統造價(jià)非常昂貴，而部分國產(chǎn)的DCS系統非常不穩定，我們的項目為BOT 項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(guò)比較，決定“深圳市醫療廢物處置中心”項目實(shí)驗，如果可行就進(jìn)行推廣，目前已經(jīng)在公司項目正式批量使用，甚感欣慰。
通過(guò)上述項目，證實(shí)西門(mén)子S7-300軟冗余系統完全可以滿(mǎn)足“垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)”的技術(shù)要求，基本實(shí)現無(wú)擾切換。并且通過(guò)WINCC6.0開(kāi)放的OPC接口，完成了與模擬屏的數據通訊，積累了一定的應用經(jīng)驗。
參考文獻：
·《西門(mén)子軟件編程手冊》 西門(mén)子公司內部刊物
·《WINCC6.0 組態(tài)軟件》 西門(mén)子公司內部刊物
·《S7-300軟冗余指南》 西門(mén)子公司內部刊物
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號