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摘要：本文章主要介紹西門子S7-300 PLC軟(ruan)冗(rong)餘(yu)係(xi)統(tong)在(zai)垃(la)圾(ji)焚(fen)燒(shao)發(fa)電(dian)廠(chang)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)，主(zhu)要(yao)介(jie)紹(shao)軟(ruan)冗(rong)餘(yu)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)選(xuan)型(xing)及(ji)編(bian)程(cheng)以(yi)及(ji)在(zai)小(xiao)型(xing)垃(la)圾(ji)發(fa)電(dian)廠(chang)的(de)應(ying)用(yong)和(he)比(bi)較(jiao)，以(yi)已(yi)經(jing)建(jian)設(she)竣(jun)工(gong)的(de)“深圳市醫療廢物處置中心”的自動控製係統為基礎。
關鍵詞：PLC 串口通訊 係統冗餘 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. 公司的業務範圍主要致力於國內外環保產業的BOT 模式建設投資，主要包括城市生活垃圾（工業危險廢物）焚燒發電廠、城市醫療垃圾、城市汙水處理廠的投資建設，公司下屬電氣自控工程技術部，主要從事項目整套電氣和自控係統的設計、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軟冗餘係統作為主控製係統；醫療垃圾處理項目作為我國近幾年來的重點項目，國家環保總局非常重視，對主體設備和自控係統的要求也非常高。
2.本係統主要是通過檢測現場煙氣溫度和壓力，通過控製調節風機、水泵以及加藥裝置的頻率和控製開關，從而達到控製煙氣溫度和含量的目的；通過西門子S7-300係列PLC通過采集和控製模塊對設備和現場儀表進行采集和控製，並把信號通過底版總線與CPU處理器傳輸，由CPU處理器完成處理後，再通過以太網與工控機連接；本係統有兩套完全獨立的CPU處理係統，通過IM153-2 分別與遠程的I/O模塊通過PROFIBUS總線通訊，當一套發生故障時，備用係統自動投入運行；
當PLC把數據傳送到工控機後，通過組態軟件進行編程和組態，把數據顯示在屏幕上，並在屏幕上製作操作開關對現場設備進行遠程控製；並同時自動把數據轉換為OPC的數據傳輸格式，把需要顯示的數據傳送給模擬屏。
3.工廠外貌圖片
二、係統介紹
1. 項(xiang)目(mu)簡(jian)單(dan)工(gong)藝(yi)主(zhu)要(yao)針(zhen)對(dui)城(cheng)市(shi)醫(yi)療(liao)垃(la)圾(ji)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，醫(yi)療(liao)垃(la)圾(ji)收(shou)運(yun)後(hou)運(yun)到(dao)處(chu)置(zhi)中(zhong)心(xin)進(jin)行(xing)焚(fen)燒(shao)處(chu)理(li)，垃(la)圾(ji)首(shou)先(xian)進(jin)入(ru)焚(fen)燒(shao)爐(lu)和(he)二(er)燃(ran)室(shi)進(jin)行(xing)配(pei)風(feng)焚(fen)燒(shao)，焚(fen)燒(shao)後(hou)的(de)煙(yan)氣(qi)通(tong)過(guo)鍋(guo)爐(lu)進(jin)行(xing)降(jiang)溫(wen)、除酸噴霧塔和布袋除塵器進行除酸和除塵，然後通過35米煙囪直接排放；鍋爐產生的蒸汽用於發電或其它用途，本自控係統主要控製垃圾燃燒後產生的煙氣溫度和煙氣成本含量，保證減少二次汙染。
2. 本項目主要使用西門子公司的SIMATIC S7-300係列PLC，模塊選型如下：
l 中央處理器模塊 CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0 2塊，工作存儲器128KB；
l 電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0 2塊給CPU供電；
l 通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0 2塊與計算機進行網絡通訊並進行兩個CPU之間的冗餘通訊；
l 接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0 2塊進行PROFIBUS遠程I/O通訊和係統冗餘通訊；
l 電源模塊6EP1333-2AA00 2塊給ET200供電；
l DI數字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 5塊 采集現場設備的運轉及故障狀態；
l DO數字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 3塊控製現場設備的啟停；
l AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 2塊采集現場設備的壓力、流量、煙氣成分含量以及風機和加藥泵的頻率信號；
l 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；
l 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
l AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB02塊通過程序的PID自動調節控製風機和加藥裝置的頻率；
三、控製係統構成
1．本項目的硬件設備主要分為三個大部分：PLC部分、現場設備以及模擬屏部分，主要係統結構選用標準拓撲式結構，現場儀表和設備采集數據連接到PLC的輸入模塊、並接收PLC的命令對現場設備進行控製和調節；PLC接收現場設備的數據傳輸給計算機並傳誦計算機下達的控製命令，並內部通過強大的內部運算國內進行PID自動調節，具體組成和選型依據如下：
PLC 選用西門子的S7-300係列PLC，設計為軟冗餘係統，PLC本體與遠程I/O通訊為PROFIBUS 協議的串口通訊，PLC與計算機采用以太網，並以以太網作為冗餘網絡；中控室計劃設計為兩台工業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組態軟件。
現場采集和顯示控製設備，基本選用國產元件，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；電機的轉速通過變頻器調節，頻率信號通過AI 模塊輸入，頻率的設定通過AO 模塊輸出4-20mA的標準信號進行控製，啟停控製通過DO模塊控製，設備狀態信號通過DI模塊輸入。
2．附加係統設備主要有變頻器、壓力變送器、溫度傳感器、智能儀表和控製繼電器等，大部分設備與PLC之間全部采用硬連接，硬件配置及網絡結構見下圖：
3.多種方案的比較
過於係統選型方案的比較，由於以前工程的冗餘控製係統一直使用國內的DCS係統或者PLC的硬冗餘係統，但從使用效果以及造價成本方麵考慮，國外DCS係統價格非常昂貴，國內DCS係統又不是特別穩定；用PLC硬冗餘係統也存在價格比較貴的原因；通過比較，決定用價格相對便宜而性能又比較穩定的西門子軟冗餘係統嚐試使用。
四、控製係統完成功能
1．本係統的主要工作分以下幾個方麵：
Ø 軟冗餘功能的完成
軟件冗餘是西門子公司實現冗餘功能的一種低成本解決方案,可ke以yi應ying用yong於yu對dui主zhu備bei係xi統tong切qie換huan時shi間jian要yao求qiu不bu高gao的de控kong製zhi係xi統tong中zhong，節jie約yue成cheng本ben。但dan在zai垃la圾ji焚fen燒shao項xiang目mu中zhong對dui設she備bei的de控kong製zhi要yao求qiu非fei常chang嚴yan格ge，也ye就jiu是shi說shuo控kong製zhi設she備bei在zai冗rong餘yu切qie換huan中zhong絕jue對dui不bu能neng斷duan開kai，所suo以yi本ben人ren根gen據ju西xi門men子zi公gong司si的de軟ruan冗rong餘yu手shou冊ce進jin行xing調tiao試shi和he編bian程cheng，最zui後hou效xiao果guo非fei常chang好hao，絕jue對dui不bu會hui出chu現xian切qie換huan設she備bei中zhong斷duan的de現xian象xiang，所suo以yi給gei下xia麵mian的de工gong作zuo帶dai來lai了le巨ju大da信xin心xin，具ju體ti調tiao試shi過guo程cheng在zai西xi門men子zi的de“軟冗餘文章”全部有描述，在此不做過多的描述。
Ø 控製功能的完成
本係統的自動控製功能主要分以下幾個部分：
l 一次風機、二次風機以及引風機的聯動控製
在本係統中，焚燒係統的焚燒爐體轉動的速度、加料電機的轉速、一次風機、二次風機以及引風機的運轉頻率全部聯動控製；當引風機開啟後，一次風機、二次風機才能開啟，根據溫度和煙氣的氧氣含量控製爐體轉動的速度、加料電機的轉速、一次風機、二次風機的頻率進行調速控製，直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設定設定值以及積分時間，非常簡便；一燃室的煙氣溫度控製到850度，二燃室的煙氣溫度控製到1200度，使之不產生二惡英；一燃室溫度過高時增大進料電機速度，同時減小一次風風機速度，同時要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；二燃室溫度過高時增減小一次風風機速度，同時增加二次風風機速度，同時要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；並且在控製一二次風的時候，必須自動調節引風機速度，保證煙道壓力保證在-150PA左右。
l 堿液站的自動控製
在除酸噴霧塔中需要噴灑堿液以保證煙氣的酸堿度，同上麵一樣直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設定設定值以及積分時間，非常簡便；
l 布袋除塵器的自動控製
設定溫度值，利用PLC 內部的比較指令，溫度範圍在130-190度之間時，啟動布袋除塵器，超出範圍時，通過PLC程序啟動旁通閥，保護布袋。
l 鍋爐給水自動控製
鍋爐汽包水位是確保安全生產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 範圍內；設定鍋爐給水水位，通過PID 模塊自動調節給水閥門的開度，從而達到控製鍋爐水位的功能。
係統最終檢測結果：
l PLC 係統采集正常，數據顯示和動作控製的時間不超過500ms ,數據交換的準確率為100%；
l PROFIBUS 傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現；
l PLC 數據傳輸精確，模擬量的精確度可以達到13BIT；
l 冗餘係統正常，沒有出現主從係統切換時中斷，切換時一切控製正常，包括控製繼電器不會斷開、模擬量輸出控製變頻器轉速不會丟失等；
l 模擬屏顯示正常、數據刷新正常，數據刷新速度為1000ms；
2．在zai本ben項xiang目mu的de調tiao試shi過guo程cheng中zhong，應ying該gai說shuo是shi非fei常chang順shun利li的de，隻zhi是shi在zai最zui開kai始shi的de時shi候hou由you於yu軟ruan冗rong餘yu係xi統tong在zai深shen圳zhen比bi較jiao少shao用yong，所suo以yi在zai剛gang開kai始shi調tiao試shi時shi比bi較jiao擔dan心xin，但dan經jing過guo西xi門men子zi公gong司si的de技ji術shu支zhi持chi，調tiao試shi非fei常chang順shun利li，在zai剛gang開kai始shi就jiu確que認ren冗rong餘yu切qie換huan沒mei問wen題ti。
3.1工藝圖界麵
3.2 變頻器控製畫麵
3.3 堿液站控製畫麵
五、結束語
本係統於2005年2月投入使用至今已近20個月，運行順利，用戶非常滿意；目前本係統已經成功推廣到南昌、長沙、成都、青島、大連等地的醫療垃圾處理係統以及廣東番禺綠由工業危險廢物焚燒發電廠中，用戶反映非常良好。
該SIEMENS S7-300軟冗餘係統已在生產中得到實際使用，為企業帶來了可觀的經濟效益，在該係統中，PLC係統的應用得到了充分的展示，這種冗餘配置廣泛的推廣到其它行業應用提供一定的參考價值。
本係統自選型以來，經曆了許多困難，因為以前都使用硬冗餘的PLC ，比如AB的PLC5係列或者其它品牌的DCS係統，但由於上述係統造價非常昂貴，而部分國產的DCS係統非常不穩定，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，所以通過比較，決定“深圳市醫療廢物處置中心”項目實驗，如果可行就進行推廣，目前已經在公司項目正式批量使用，甚感欣慰。
通過上述項目，證實西門子S7-300軟冗餘係統完全可以滿足“垃圾焚燒發電廠”的技術要求，基本實現無擾切換。並且通過WINCC6.0開放的OPC接口，完成了與模擬屏的數據通訊，積累了一定的應用經驗。
參考文獻：
《西門子軟件編程手冊》 西門子公司內部刊物
《WINCC6.0 組態軟件》 西門子公司內部刊物
《S7-300軟冗餘指南》 西門子公司內部刊物
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