单机PLC系统升级为冗余热备系统的设计与实施.pdf

渡恭 石油 化 工 设 计 P e t r o c he mi c a l De s i g n 单机 P L C系统升级为冗余热备系统的设计与实施 运 南京扬子石油化工设计工程有限责任公司，江苏 南京 2 1 0 0 4 8 摘要 随着计算机技术的不断发展 ， P L C控制技术得以不断扩展和完善， 其功能远远超出了逻辑控制 和顺序控制的范畴， 具备 了模拟控制、 过程控制、 冗余配置及远程通信等功能。文章通过对某石化公司热 电厂化学水处理装置现有单机 P L C系统的改造方案设计， 阐述了由原来的单 C P U、 单网络 P L C系统升级 为冗余 热备 P L C系统的技 术 实现。 关键词 化 学水 处理P L C系统冗余 热备网络结构 电厂化学水处理系统作为电厂重要的辅 助系 统 ， 特别是大型石油化工企业 自备热 电厂化水处 理车间水处理量大 ， 水质要求高 ； 以不 同的控制环 境、 工艺条件， 应用 P L C冗余热备技术， 合理地选 择及设置控制系统单元 ， 使整个控制过程成为一个 更有机 、 更完善、 更高效的系统 。施耐德 Q u a n t u m P L C冗余热备控制系统可 以提供完善 的控制器冗 余功能， 采用热备的方式构建控制系统 。 1 P LC系统的现状 某石化公司热电厂化学水处理系统采取二级 除盐的方法生 产除盐水。装 置于 1 9 8 4年开工建 设 ， 并经过多轮改造 ， 到 目前 ， 装置拥有大量制水 设备 其 中包 括 3套 逆流再生 固定 床 简称 固定 床 ； 6套双室双层浮动床 简称浮动床 ； 2套树脂 清洗罐 ； 6台混合离 子交换器 简称混床 。制 水 能力为 1 8 0 0 t ／ h ， 供水能力为 1 3 5 0 t ／ h 。按照 区域 功能划分为新厂化水系统 、 老厂化水系统 以及 中 和池系统， 其控制 系统分别 采用 了 3套独立 的施 耐德 Q u a n t u m系列 1 4 0 C P U 5 3 4 1 4单机、 单 网 P L C 系统 、 P L C系统结构。 如图 1所示 系统现 有两 台操作站， 主机老化 ， 上位机为 C ／ S主从服务器结 构 1台兼系统服务器 ， 一旦服务器死机 系统将 面临瘫痪 的危险。 1 新厂 、 中和池和老厂 P L C现状 一共 2套 1 6槽 Q u a n t u m 机 架。其 中 1套 机架 为 C P U 与 I ／ O卡件共用 ， 包括 1 块 1 4 0 C P U 5 3 4 1 4处理器模 I 监 控 主 机 l [ 非 冗 余 以 太 网 [ Q u a n tu m 机 架 ＼ 一 一 _ c P s C P U 以 RI O 1 0 1 0 I O 1 0 I O 1 0 I O I O 电 控 太 通 卡 卡 卡 卡 卡 卡 卡 卡 源 制 网 信 件 件 件 件 件 件 件 件 模 器 通 模 块 模 讯 块 块 模 块 ’ _ - 、 ● l _ _ l l l l I l ＼1 I I l l l l l I 非沉余R I O 总 线网络l 图 1 现有 P L C系统结构不 意 块 ， 1块以太网模块 ； 另外采用 1块 1 4 0 C P S 1 1 4 2 0 电源模块单独供 电， 远程 I ／ O为单缆扩展 ， 控制组 态为梯形 图编程方式 。 2 目前系统组态软件版本较低 ， 上位机监控 软件为 I F I X 2 ． 5版本 ， 整个化水流程画面的显示风 格及动态效果 已不 能适 应 目前 的工艺要求 ， 缺少 报表打印 、 报警 显示 及历史查询功能 。下位机组 态软件为 C o n c e p t 2 ． 2版本 ， 采用梯形图方式编程 ， 可读性较差 ， 不便于 E t 常维护。经过多年 的运行 ， 3套 P L C系统网络已经 出现了不 同程度的老化 以 及不稳定现象 ； 生产隐患很大 。 收 稿 日期 2 0 1 2 0 41 3 。 作者简介 李长远， 男， 2 0 0 3年毕业于武_Y - - 程大学测 控技术与仪器专业， 助理工程师， 主要从事 自控设计 工作。联 系 电话 0 2 55 7 7 8 5 8 8 83 3 5 1 ； E m a i l l c y 0 9 9 8 1 6 3 ． e o m 石 油 化 工 设计 第 2 9卷 2 冗余热备控制系统的技术特点 在冗余热备控制 系统 中， 整个 P L C控制 系统 由两套配置完全相同的 P L C主机、 电源 、 冗余处理 模块组成 。典型的冗余热备 P L C系统网络结构 见图 2 。两个控制器模块使用相同的用户程序 并行工作。一块是主控制器 ， 另一块是备用控制 器， 后者的输 是禁止 的。当主控制器 出现故 障 时， 系统立刻切换备用控制器 ， 这一过程是 由冗余 热备控制处理单元控制的 ， I ／ O系统 的切换也是由 R P U实现的 。 2 典型冗余热备 P L C系统网络 1 一主控制器 ； 2一操作站 ； 3一远程管理机 ； 4一 T C P ／ I P E t h e m e t ； 5、 6一分别为 A、 B网 ； 7一备用控制器 ； 8一热备光纤 ； 9、 1 0一 分别 为 R I O A ／ B缆 ； 1 1 一远程 I ／ O 2 ． 1 较高的可靠性 1 控制系统为冗余 的双 C P U设计。采用先 进的同步机制， 运行时一主一备 ， 并通过高速同步 光纤连接； 2 控制系统为冗余 的双通讯通道 ， 控 制系统间通讯 网络采用 Mo d b u s P l u s 或 T C P ／ I P协 议 ， 远程 I ／ 0网络为 R I O网络结构 ， 均采用双缆冗 余方式； 3 控制系统为冗余的双电源供电； 4 系统切换 时间小于 1 0 0 m s ， 通常低于 2 0～3 0 m s ； 5 性能更强。得益 于高端 C P U内部结构 ， 集成 工作 内存 ； 6 人性化设计 ， 易于使用 ， 内置键盘， 程序 自动传送 ， 无需单独的冗余软件选件包 。 2 ． 2互为热备的控制器的工作特性 1 实时数据传输 ， 确保双 C P U程序 的完全 一 致 ； 2 每个扫描周期均传送数据及状 态信息 ， 确保双 C P U T作状态完全一致 ； 3 切换完成 的 最长时间是两个扫描周期 ； 4 当控制程序发生改 变时 ， 可以自动完成程序下载功能； 5 初次组态 时 ， 用户只需快速 、 有效下装 一次程序 ； 6 使用 I E C方式的双机热备配置不需要编程工作 。 因此， 原来 的单 C P U、 单网络 P L C系统升级为 冗余热备 P L C系统 ， 将大大提高系统的安全可靠 性和扩容能力。Q u a n t u m P L C双机热备系统分为 单独热备模块和热备功能集成到 C P U中两种方 式， 本次改造将融合这两项技术 ， 利旧部分完好硬 件 。合理布置控制单元 ， 分散系统风险。 3 P L C冗余热备改造方案 3 ． 1 系统硬件升级 改造内容包括 1 新增加 2套 6槽 Q u a n t u m 机架作为 C P U冗余机架 ， 原有的 2套机架作 为 l ／ O站； 2 采用 2块 电源模块 1 4 0 C P S 1 1 4 2 0供 电； 3 增加 2块 1 4 0 C P U 6 7 1 6 0处理器模块 ； 4 增加 2块 1 4 0 N O E 7 7 1 0 1以太 网模块 ， 实 现冗余 通讯 ； 5 采用远程 I ／ 0扩展方式 ， 双缆扩展 ， 增加 2块 1 4 0 C R P 9 3 2 0 0和 2块 1 4 0 C R A 9 3 2 0 0通 信 模 块 ； 6 通过升级程序 ， 升级成 U n i t y功能块编程方式 ， 便于 组 态 和 维 护。 7 利 用 老 厂 替 换 下 来 的 1 4 0 C P U 5 3 4 1 4 A模块和 中和池原有 的同型号 C P U 模块重 新 组 成 一 套 冗 余 系 统； 8 增 加 1套 1 4 0 C H S 2 1 0 0 0冗余热备套件 ； 9 利用老厂替换下 来 的模块和中和池原有 的以太 网模块重新组成冗 余通讯网络。 新厂和老厂 P L C改造 1 ～ 6 。中和池 P L C 改造 1 、 2 、 7 、 8 、 9 、 5 和 6 。新厂与 中和池 P L C系统均置于新厂机柜间； 位于老厂机柜 间， 各需新增2面机柜用于布置新厂、 中和池及老厂 新更换的 P L C控制器及相关网络设备。 3 ． 2 系统网络改造 在新厂机柜 间及老厂机柜间新增两对冗余的 赫斯曼工业以太 网交换机 ， 每台交换机 自带 1对 多模光纤接 口， 通过敷设 两路冗余 通讯光纤 连接 老厂、 新厂及中和池 P L C系统 ， 实现对整个化学水 处理装置的集中监控和数据共享。控制系统 内部 采用 R I O现场总线 网络 ， 整个控制系统实现冗余 的双缆双通道通讯 。改造后 的系统 网络见 图 3 。 通过改造能够实现相关设备的冗余热备 1 主机 架 电源 、 背板总线及上层 以太 网络冗余 ； 2 P L C 处理器冗余 ； 3 R I O现场总线 网络冗余 包 括通 第 2 9卷 李长远． 单机 P L C系统升级为冗余热备系统的设计与实施 讯接 口、 总线接头、 总线电缆的冗余 。 l 2 3 4 图 3 P L C系统J 网络示意 1 、 2 、 3 一 分别为 l ～ 3操作员站； 4一 M I S网O P C ； 5一 工程师站； 6 、 7一分另 q 为 A ／ B网 ； 81 4 0 C P 6 7 1 6 0 ； 91 4 0 C P U 5 3 4 1 4 A； 1 01 4 0 C P U 6 7 1 6 0； 1 1一双缆 R I O； t 2、 1 3 、 1 4一分别为新 厂、 中和池和老厂的 P L C系统 3 ． 3系统软件升级 根据现有整个化水装 置规模 ， 本 次改造共配 置 3套操作员站 ， 1套工程师站 ， 上位机组态监控 软件将 升级至 I F I X 4 ． 5版本 ， 网络架构不再 使用 C ／ S结构 ， 采用对等 网络架构 ， 每台操作站均为一 个 S C A D A节点 ， 增强 系统的可用性和扩展能力。 下位机组态软件统一升级至 U n i t y P r o X L自动化 软件平 台， 它符合 I E C 1 1 3 1 标准 ， 适用于微软 Wi n ． d o w s 操作系统平台。U n i t y P r o X L软件具备连续 控制 、 逻辑控 制、 顺序控制及 复杂控制等功 能， 可 以采用封装 的用户 功能块 D F B 进行 编程 ， 支持 在线组态修改。 3 ． 4软件冗余的实现 使用 U n i t y P r o X L自动化软件平 台能很好 的 兼容施 耐德 Q u a n t u m冗余热备系统 ， 实现主备机 之间平稳 、 无缝的切换 系统对过程 的监控不会 中 断， 且不会因发生硬件故障而受到不利影响 。 软件冗余工作原 理是系统进 行工 作时 ， A、 B 控制系统 处理器 ， 通讯 、 i ／ o 独立运行 ， 由主系统 的 P L C掌握对 R I O从站中的 I ／ O控制权 。A、 B系 统 中的 P L C程序 由非冗余用户和冗余用户程序段 组成 ， 主系统 P L C执行全部的用户程序 ， 备用系统 P L C只执行非冗余用户程序段 ， 而跳过冗 余用户 程序段 。冗余热备系统中 P L C内部的程序运行过 程见图4 。在项 目软件组 态中， 需要通过设定 I E C H o t S t a n d b y 扩展属 性 ， 以激活相应 的冗余 热备支 持程序下装到控制 器中 ， 并通过热 备模 块的显示 面板提示热备系统的建立与否。 1 ． 读取输入信息 二二[二 2 ． 处理不需要 同 步的冗余程序 二【二 3 ． 分析从力备用 C P U中获取的备 用状态信息 ] 4 ． 执行冗余部分 丁 5 ． 将冗 余备份的 数据复制到备用 1 ． 读取输入信息 二][二二 2 ． 处理不需要 同 步的非冗余程序 二亡 3 ． 分析从主 C P U 中获取 的主状 态 信息 二[二 4 ． 系统空闲 ， 不 理 ． 5 ． 蒋否用系统信 息复制到主 C P U 6 ． 输出信息 I I 6 ． 输出信息 图4 软件冗余工作原理 4 改造 中需要注意的问题 1 改造期间 ， 整个化水装置均在运行 ， 项 目 实施难度大。改造前需充分准备 ， 合理安排工期 和编制应急措施。 2 本次改造远程 I ／ O均为利旧， 网络改造 中 最好使用预制好的专用 电缆和 电缆接头 ， 以确保 通讯的安全可靠 ， 方便以后维护 。 3 安装本地 站和远程站 的电源模 块 、 C P U 、 R I O处理器、 热备模块 、 E t h e r n e t 模块 到背板时 ， 需 注意热备系统两个底板上安装的模板种类 和顺序 必须一致 ， 两个 C P U地址设定必须相 同， 两个 E t h e r n e t 模块 的 I P地址设定也必须相同。 4 连接 R I O网络和 E t h e r n e t 网络时 ， 需严格 按照 网络结构图 ， 分别安装 R I O处理器和远程站 之间的分支器和 F接头、 连接 R I O站 间的同轴 电 缆、 E t h e r n e t 交换机 、 光缆和网线。 5 本次改造需重新组态 ， U n i t y地址表分配 必须与现有 I ／ O相对应 ， 组态完 成后需动态仿真 测试 ， 确保程序准确无误后方可下装到控制器 。 6 控制系统为冗余 的双 C P U结构。在进线 电源设计上应该尽量采用双路电源冗余切换后供 电 ， 在没有 电源切换装置时 ， 宜采用双路 U P S分别 供 电， 且电源容量须匹配。 参考文献 [ 1 ] 王金全 ， 方忠华 ， 仲未 央． 工业 控制系统 的现 状 与展 望 [ J ] ． 中 国电力 ， 1 9 9 8 ． 『 2 ] 徐斌． 施耐德 P L C应 用技术 [ J ] ． 电子工业出版社 ， 2 0 1 1 ．