西门子6ES7231-7PC22-0XA0型号大全

本文介绍了王滩电厂脱硫控制系统通讯中断问题的原因分析及处理方案以及在改进中需注意的问题。

王滩电厂脱硫系统自投运以来， PLC控制系统在双机热备情况下经常出现通讯中断现象，直接影响了运行人员对系统的监控，为此只能采取临时措施，将双CPU热备运行方式退出，改为单CPU运行，减小扫描周期，这极大地降低了PLC控制系统的安全可靠性，给两台600MW机组的稳定运行带来一定的安全隐患。
一、脱硫PLC系统的配置情况
王滩电厂脱硫PLC控制系统采用树形网络，设置两层控制网络：上层网为辅助车间集中监控网，下层网为脱硫的车间级控制主干网。全厂辅控网设有4个操作员站、1个历史站、1个工程师站及2台相互冗余、相互热备的服务器、冗余的交换机；车间级控制主干网采用100M冗余光纤以太网，分别设有3台操作员站、1台工程师站、1台历史站及冗余的交换机，配有#1FGD、#2FGD、#1-2FG、#1-4FGD 四套PLC控制系统，配有中央处理单元（CPU）140CPU53414A四套（共8块）、双机热备模块140CHS11000四套（共8块），冗余的通讯模件140N0E77101四套（共8块），输入输出模件，专用连接电缆及连接件和实时操作系统等。PLC系统编程软件为Concept2.6，监控软件为Ifix3.5无限点中文开发版。脱硫PLC控制系统通过1000M冗余光纤以太网交换机与全厂辅控网进行通讯，通讯协议TCP/IP，通过通讯接口，脱硫系统的监控纳入全厂辅控网，由单元机组集中控制室内的辅助监控站的运行人员完成两台炉脱硫系统的监控和管理。操作员站和控制站之间的通讯网络为双冗余工业以太网，冗余交换机，通讯协议TCP/IP。I/O站之间的通讯网络采用冗余的MODICON RIO网络，即远程I/O网络。现场系统结构示意图1。

二、脱硫网通讯中断原因分析
辅控网上有两台服务器直接从所有的PLC中采集数据，在脱硫系统中现场有五台上位机从PLC中采集数据。上位机SCADA软件采用的是IFix3.5。#1FGD、#2FGD、#1-2FGD、#1-4FGD为Quantum的双机热备系统，整个脱硫系统用德国Hirschmann交换机为双网配置。
各站的内存数据分配及上位机数据请求如下表1：

上位机通讯的性能与CPU的扫描时间、数据请求量及上位机的结构有较大的关系，从上述的表中我们可以得到除了#1-2FGD以外其他站的程序量是比较大的，单机的扫描时间都在50ms以上。另外从3：X类型的数据上看，除#1-2FGD以外其他站的数据量都在50000个字以上。这些因素导致PLC在建立双机热备之后所需要的扫描周期在200ms左右，因为每个周期为保证数据的主备机同步，这些数据都需要从主机传到备机。现场检测#1FGD在建立双机热备后实际的扫描周期在196ms左右，比单机时扩大了近3倍，从而使得对上位机的响应很慢。另外脱硫系统中有共计有7台上位机直接从PLC中采集数据，也会导致上位机响应较慢。当出现通讯超时的情况时，SCADA会表现出通讯中断的现象，但此时PLC对于过程控制的处理是正常运行的。要提高数据的响应速度可以从上述的几个方面进行分析。
三、改进的可行性方案
3.1 减少直接读取PLC的上位机数量
根据实际操作的需要保留适当数量的上位机，平时不用的站将其IFix3.5关闭可以改善通讯性能。或采用客户机/服务器方式，保留两台主机服务器从PLC采集数据，其他操作员站从服务器得到数据。
3.2 合理配置上位机数据请求以减少数据请求量
在IFix中对离散量数据一个请求可以采集2000个点，对字类型数据可以采集125个字。在配置I/O数据请求时尽可能将需要采集的数据放置在同一个请求中采集以减少数据请求数量，如#1FGD、#2FGD、#1-4FGD的0:X类型的数据作优化可都可以减少一个请求。对于7台上位机来说就可以减少7个请求。但此种变动可能需要对程序作少量修改。另外现场系统采用的双网络结构，可以分配上位机从不同的NOE模块中采集数据。如辅控网从一个NOE采集数据，就地控制从另外一个NOE采集数据，这样可以有提高SCADA的响应性能。
3.3 优化程序减小双机热备时的扫描周期
现场的程序量较大，会导致双机热备时所需的热备字数量较大，从而使得双机热备时扫描周期大大增加。可以优化程序如减少非定位变量的应用，减少DFB在双机热备系统中的应用可以减少热备字数量，但此种修改工作量较大。
3.4 采用的新Unity Quantum双机热备CPU模块
以上的几种方法可以适当地改善目前的通讯性能，但若需要大幅度的提高通讯性能则采用Unity Quantum CPU。主要原因有两个：新的CPU其程序计算速度及双机热备时数据传输速度大大提高，从而使得PLC的扫描周期非常短。 Unity下的以太网通讯响应请求能力相比于Concept 下的Quantum双机热备提高了2到4倍。将#1FGD的程序转换到Unity程序后，根据测试的结果其扫描周期在双机热备的情况下可减小到40ms左右。在不变更目前上位机配置下，理论计算可以有30台上位机同时连接也能满足性能要求。将Concept程序转换到Unity Pro的程序是比较方便的，程序结构与Concept类似只需作少量的检查工作。Unity Pro操作界面略有不同，但在Concept的基础上是很容易学习撑握的。系统的硬件及接线除更换CPU和CHS模块外无需作任何其他的改动。因此，我们选择了对原控制系统CPU控制器的升级达到减小扫描周期的目的。
四、CPU升级及注意事项
4.1 CPU升级
根据以上的分析，终确定采用方案4，将原系统中型号为140CPU53414的CPU更换为140CPU67160（要求内存为7M），通过Ethernet MTRJ-MTRJ光纤电缆将热备的两个CPU相互连接。并且为新更换的CPU增加可扩展的Unity v2 PCMCIA存储卡（SRAM）,型号为TSXMRPC007M，使该控制系统达到可靠的冗余热备。只需在Unity编程软件中对新更换的CPU以及槽号进行配置即可。升级后的PLC控制系统#1FGD、#2FGD、#1-2FG、#1-4FGD的扫描周期仅为34ms、37ms、19ms、40ms，彻底解决了双机热备时通讯中断的问题。
4.2 CPU升级的注意事项
4.2.1 工艺系统安全停运
CPU升级过程中，工艺系统的运行状态将无法监视和控制，整个升级过程少则需要一两个小时，多则可能长达十几个小时，好选择在机组停运的时候，如不能则一定要做好相应设备的安全措施，无法停运的设备切换到就地运行，如搅拌机和润滑油泵等。
4.2.2 CPU型号与NOE版本匹配
需要特别强调的是CPU的型号一定要和NOE的版本匹配，否则将无法将程序下载到CPU中。在升级过程中，程序通过MAC地址能连接到CPU，但是通过以太网和USB接口无法将程序下装，因为本次升级是在原来concept2.6的基础上进行的，且NOE模块为2005年采购安装并使用的，显然NOE版本和CPU的型号不一致。在升级前一定要在Unity Pro XL程序下，用OSLOADER功能采用相应的升级文件将NOE模块升级到Unity下匹配的版本，当系统名称、系统硬件编号和错作系统版本显示无误后才可完成程序下装。
4.2.3 IP地址的配置
Unity Pro XL在用以太网方式连接时，首先将NOE模块上写的4组十六进制的数字换算成10进制的4组IP地址，再将本机的IP地址改成同一网段的地址即可。有时候连接不上的话，可以试着配置在以太网模块上的IP的后一位加1，因为加1是带双机热备的IP地址，系统自动加了1。
方案实施后取得了较为明显的效果，实现了脱硫系统的CPU双机热备运行，且不再出现通讯中断的现象。为机组的稳定运行奠定坚实的基础，全面提高了全厂辅控系统的整体控制水平，为机组安全、稳定、经济运行奠定了坚实的基础。

一、系统通讯
1.1 直连方案
在原BOP中增加1台上位机操作员站，配置及功能与原上位机操作员站相同，并将该站放置在DCS集控室。这样，运行人员就可以在DCS集控室对BOP进行监控，其系统结构见图1。

该方案系统结构简单，技术上易于实施，仅需要增加1台操作员站。由于DCS集控室距离BOP较远，需采用光纤通讯，并且DCS网络与BOP网络相互独立，无法形成统一的数据库。
1.2 Modbus方案
采用Modbus协议实现DCS与BOP PLC系统的联网。Modbus协议是通讯规约，Ovation DCS和MODICON QUANTUM系列PLC均支持该协议，其系统结构见图2。

该方案可使DCS通过Modbus协议直接对PLC进行读写操作，从而实现在DCS集控室监控BOP;在DCS侧形成一个完整的数据库，且无需增加过多的额外设备。不足之处是:MODICON QUANTUM系列Pl，C的ModbuS接口为RS2.32口，远距离通讯时需要转换为RS485，通讯介质为屏蔽双绞线;Modbus通讯速率较低，当通讯数据量大时，会造成网络堵塞;采用热备配置的BOP PLC系统，主、从控制器切换时会造成数据在切换过程中的丢失。
1.3 OPC方案
DCS、PLC都具有OPC接口能力，采用OPC技术实现DCS与BOP PLC系统的联网，其系统结构见图3。

相对于直连方案和Modbus方案，OPC方案具有以下主要特点:
(1)Ovation DCS和BOP PLC系统上位机软件IFIX均基于(JPC标准开发，且DCS的操作员站和BOP PLC系统上位机均支持以太网通讯，因此易于实现。
(2)DCS数据库和ROP PLC系统数据库在DCS中可以整合为一个数据库，完全实现在DCS上对BOP的监控。
(3)采用快速光纤以太网可保证网络的畅通和整个系统的性能，且网络拓扑结构简单，需要额外增加的设备较少。
(4)当BOPPLC系统发生双机热备切换时，DCS和PLC系统的通讯仍然能够正常进行，无需专门设计切换电路。
二、OPC方案的实现
BOP的化学水处理控制系统和热网控制系统软、硬件配置基本一致。本文仅以化学水处理控制系统为例，对OPC方案的应用加以说明。
2.1 建立以太网
在DCS与化学水处理控制系统联网之前，各自网络为独立的局域网(以太网)。为了实现OPC方案，首先必须建立两个系统之间的光纤以太网。为了保证各自网络的相对独立和安全性，两个局域网的网段不一样，因此需设置网关和路由才能在两个系统之间建立一条以太网通道。
2.2 设置OPC服务器和客户端
确认OPC服务器(SERVER)的上位机安装的是带有OPC服务的IFIX，且运行IFIX时，必须启动IFIX的OPC服务(一个名为OPC2OiFTX.EXE的可执行文件)。
OPC基于Microsoft bbbbbbs的对象链接和嵌套(Active X)、部件对象模型(COM)和分布式部件对象模型(DCOM)技术，因此需要修改OPC SERVER的IFIX操作员站以及作为OPC客户端(CLIENT)的DCS操作员站的DCOM配置，才能建立OPC SERVER和OPC CLIENT之间的正确连接。这是建立SERVER/CLIENT结构的关键一步。
(1)OPC SERVER的DCOM设置作为OPC SERVER的IFIX操作员站所使用的计算机操作系统为bbbbbbs2000，因此本文以bbbbbb2000操作系统为例说明DCOM的设置。1)点击"开始"菜单中的"运行"，在弹出的对话框中输入"DCOMCNFG"打开DCOM的设置页面;2)在"总体默认属性"页面上，选择"在这台计算机上启用分布式COM"选项，同时将"默认身份级别"设置为"无";3)在"总体默认安全机制"页面上，确认"默认访问权限"和"默认启动权限"的默认值中无"Everyone"存在。如果"Everyone"存在，应用服务器将不能正常启动;4)在"常规"页面中，双击应用服务器IFIX OPC SERVER，打开其DCOM属性设置，将"常规"页面中的"身份验证级别"改为"无";在"位置"页面上选中"在这台计算机上运行应用程序"选项;在"安全性"页面中，所有的选项都选择"使用自定义访问权限"，编辑每一个权限，将"Everyone"加入用户列表中;在"身份标识"页面中，选择"交互式用户"。
(2)OPCCLIENT的DCOM设置作为OPC CLIENT的Ovation DCS操作员站所使用的计算机操作系统为bbbbbbs xp，具体设置可以参阅DCS的相关手册，该部分工作由DCS厂家完成，在此不进行详述。
(3)在OPC CLIENT上访问OPC SERVER 正确配置了OPC SERVER和CLIENT的DCOM后，就在DCS和BOP PLC系统之间构建了一条基于OPC的网络通道，从而将BOP的过程数据库纳入DCS过程数据库中，实现在DCS操作员站上对BOP的监控。
三、结语
上海漕烃热电有限责任公司的DCS与BOP PLC系统的通讯选用的是基于OPC方案，该方案实现了在DCS集控室对BOP的监控和无人值守。通过一段时间的运行，该方案也暴露出一定的问题，主要是在DCS操作员站启动OPC通讯时，OPC CLIENT会对OPC SERVER写数据(如设定值)，影响PLC系统的正常运行。该问题可以通过对DCS进行设置和编写程序得到解决，经完善后系统目前运行稳定。

1.3 PLC控制系统设计

利用信号采集模块实时采集锅炉的输油管进出口温度和压力，根据设定起炉、转火、停炉温度值控制燃烧机的自动启动、转火、停止等操作。根据温度、压力报警设定值，控制锅炉紧急停炉和故障报警等处理。

控制系统组成：一组CPU 315-2 DP 处理器（带PROFIBUS-DP接口）；2组ET200M模块（各自带2个IM352接口）；一组SM321 DI开关量输入模块；一组SM322 DO开关量输出模块；3组SM331 AI模拟量输入模块。一组CP343-1以太网通信处理器模块。

1.4 WinCC与S7-300的通信实现

根据控制方案的设计，采用WinCC组态作为上位机监控，用西门子的S7_300作为下位机执行机构，我将采用以太网的标准Tcp/IP协议实现WinCC与S7-300的通信，将现场的状态参数、控制参数等上传到监控层。这个变量传递的过程可以用图3来说明

1.5 WinCC组态冗余的实现

通过两台独立计算机同时运行项目功能完全相同的WinCC组态项目，构成并行服务器来实现组态冗余结构，两台服务器通过以太网连接，并与PLC连接。每台服务器都带有其自身的过程连接和可用的数据归档，工作PLC站将过程数据和消息同时发送到两台冗余服务器。如果一台服务器发生故障，另一台将继续接收和归档来自PLC工作站的过程值和消息。出现故障的服务器重新工作后，冗余服务器为故障时间的归档执行同步，通过将丢失的数据重新传送到出故障的服务器，来消除故障引起的归档差别。

冗余服务器的组态实现：1．必须在两个冗余服务器上组态功能完全相同的WinCC组态项目（建议使用WinCC项目复制器）。2. 对于WinCC冗余，需要同步服务器（建议使用设备的时间同步）。3. 配置冗余用户归档，实现用户归档同步。4. 组态在线消息同步。5. 打开冗余编辑器，在“冗余伙伴服务器”项，输入冗余服务器的名称，并在“用户归档”项下，激活“用户归档的同步”。

本系统通过动态向导设置读取IP冗余地址，实现主S7-300数据监控。

1.6 软冗余程序的设计

软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7，在A站的Block中插入OB1（主循环程序块）、OB35（定时中断组织块）、OB100（暖启动调用程序块）、OB80（在主系统与备用系统切换时间超时，调用该块）、OB82（DP-Slave ET200站上的IM153-2模块出错报警，调用该功能块）、OB83（DP从站的接口模块与主站链接断开或链接重新建立时调用该块）、OB86（主从站通讯出错调用该块）、OB87（通讯失败调用该块）、OB122（外围设备访问出错调用该块）、OB121等组织块，并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。

首先，用户需要在初始化程序中（OB100）定义冗余部分的数据区，该数据区可以包括：一个过程映像区，一个定时器区，一个计数器区和一个数据块区，S7-300同步的大数据量为8kBytes。本控制系统将每台锅炉的温度、压力采集值和运行状态参数分别放置在不同的DB数据块，并定义为需要冗余的数据块。

使用的是OB35的默认属性，即每100ms中断触发一次，可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB101S ’WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段，实现冗余功能。当执行‘SWR_START’程序块时，系统分配这些数据区，不能用S7 的定时器和计数器，只能使用IEC标准的定时器和计数器。

OB35中的程序段也可以在OB1中实现，只是不使用中断的方式，而使用主循环的方式。

调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功，原因是CP342-5之间的FDL链接建立的不正确或物理链路不通，或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的ID号不一致。

2．结束语：

以上简要介绍了SIEMENS软件冗余系统的系统组成、工作原理、程序编制，整个系统组成简单、构成灵活、程序编制比较容易。系统在某输油站投入运行以来,保证了系统无故障停机运行,提高了工作效率,降低了维护费用，以其可靠性、灵活性、便利性受到用户好评。

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