S7-300/400PLC系统问题及技术浅析

　　工控摘要：近几年来，PLC（可编程序逻辑控制器）技术在工控行业发展迅速，应用广泛，它具有投资较少、功能较强、组成灵活、安全可靠等优点，同时也具有集中操作管理、分散检测采集信号及控制等结构特点。
　　
　　在中小型水泥企业应用PLC集成的DCS系统代替老式继电器控制系统或传统的DCS系统对水泥生产线进行改造已成为一种zui常用的可靠的合理性方案之一。中国联合水泥集团曲阜中联水泥有限公司1000t/d特种水泥熟料生产线为l989年设计建设，核心生产设备为Φ3m×48m五级旋风预热器窑外分解回转窑，主要产品为硫铝酸盐特种水泥及相关工程材料。厂址位于山东省泗水县境内，电气控制系统原为老式继电器控制系统，于2000年改造为Siemens公司的S7—300/400PLC系统，主要是根据特种水泥回转窑煅烧系统工艺流程的生产需要，以实现对生产线的工艺设备进行全面、可靠、合理、完善的监视、测量与控制，并有效地监控和管理，确保工艺设备处于、节能、安全可靠的*运行状态，使用时间已接近十年。
　　
　　1、自动控制系统的硬件结构
　　
　　该自动控制系统的核心硬件结构主要由SIEMENS公司的s7-300/400PLC系统硬件构成，从空间架构上可以划分为现场控制站、操作站（及工程师站）和网络系统三部分。
　　
　　（1）现场控制站的核心部分为PLC系统，采用的是SIEMENS公司的高性能模块化S7—300/400系列PLC，完成生产过程中各过程参数的采集、调节以及工艺设备的启停控制，放置在生产现场控制室内，以缩短与现场一次检测元件和执行机构的距离。多种模块化部件以不同方式便捷组合在一起并适合密集安装，结构形式规范，提高了自控系统设计的灵活性及运行的可靠性，由于需要处理的信号量较多，采用了多机架安装。
　　
　　详细硬件配置为：*处理单元（CPU）模块：各种CPU模块有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI-BUS-DP通讯接口等，该生产线自动控制系统CPU特地提高了一个档次，采用的CPU为413型号（后来因雷击原因其中一块更换为CPU412-2）
　　
　　信号模块（SM）：用于数字量和模拟量输入/输出，是PLC系统和生产过程之间的接口;现场设备的启动、停止、极限报警、故障报警、操作及运行状态以及温度、压力（差压）、流量、电压、电流、转速等重要参数均是通过这些信号模块与PLC系统相连的。本系统采用的DI信号模块为SM321，DO信号模块为SM322，AI信号模块为SM331，AO信号模块为SM332。
　　
　　通讯处理器（CP）：用于连接网络和点对点连接;本系统在现场控制站采用TCP443-5通讯模块。
　　
　　功能模块（FM）：用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制，本系统根据实际情况没有选用该类型功能模块。
　　
　　负载电源模块（PS）：用于将SIMATICS7-300连接到120/230VAC电源。本系统采用了PS4074A及PS307两种电源模块。
　　
　　接15模块（IM）：作用是将S7-300PLC背板总线从一个机架连接到下一个机架，亦即用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。本系统采用了IMl53-1接口模块。
　　
　　（3）操作站位于*控制室内，以较*的设备和友好的人机界面提供生产过程的实时数据及历史数据的管理，上位机接受来自现场站PLC系统采集的现场报警信号及运行状态信号、操作状态信号，并具有画面显示、报表打印、历史数据及趋势图显示等功能，报警功能还包括声音及报警点报警，报警的确认及消除等功能。通过上述实时控制与显示，实现对生产过程的集中操作、集中监视和集中管理。
　　
　　主要硬件配置为：IPC/PII330研华工业控制计算机作为上位机，32M以上内存，2.1G硬盘，PHILIPS-21″彩色监视器，Laserjet6LHP打印机及其附件组成。
　　
　　（3）网络系统连接系统内现场控制站及操作站的各个站点，以满意的通讯速率实现现场控制站与操作站之间的数据通讯。
　　
　　上位机上插有数据通讯接口CP5613，通过带有终端电阻的Profibus接头及PROFIBUS屏蔽双绞线电缆与现场站的PLC系统相连，实现两者之间的数据交换。
　　
　　通过上位机的协调控制，可对PLC系统实现优化控制及监视。
　　
　　网络系统具有较*的技术指标，通讯速率可达10Mbps。
　　
　　2、自动控制系统的软件构成
　　
　　该自控系统的基本软件为STEP7，是对PLC进行组态和编程的软件，人机界面及数据采集监控系统（HMI/SCADA）软件采用SIEMENS基于Windows平台的视窗控制中心WinCC系统，性能优越，通讯，是工程控制的窗口。
　　
　　3、主要出现的问题、故障及处理方法
　　
　　该系统在刚安装调试阶段及后来长期运行期间也出现过一些大大小小的问题与故障。
　　
　　3.1信号干扰问题
　　
　　虽然PLC系统从开始诞生并不断发展至今，设计时就已考虑到工业生产现场较恶劣的工作环境，具有较强的抗*力，但工作现场条件是千变万化的，随着变频器、直流调速器等电力电子设备的广泛应用，各种干扰源更是层出不穷，比如该PLC系统的现场控制站就是和现场的各种电机启动控制柜、变频调速柜等一起布置在生产现场电气控制室内的，亦即处于电机及电力强电电路和强电电气设备所形成的恶劣电磁环境中，信号干扰问题是在所难免的。我们的主要做法为：
　　
　　3.1.1做好系统接地
　　
　　我们知道对于电气系统而言，有效的低电阻接地连接可以减少发生短路或系统故障时的电击危险，还可以使系统产生的干扰电流通过接地导线或接地消除，大大降低电磁干扰对系统的影响或干扰信号的发射。因此，有效完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。我们将现场PLC系统控制站的接地相对于邻近的电机启动控制柜变频调速柜等采取了单独接地处理：用一根大截面70mm2铜芯绝缘电缆连接现场站PLC装置的柜体接地端子，然后将其直接连接接地极，接地极采用80mm×50mm×6mm铜板做成。经测试接地极的接地电阻小于lΩ，接地极埋在距电气控制室建筑物10m～15m远处，而且各PLC系统接地点与临近强电设备接地点相距10m以上。
　　
　　3.1.2选用信号隔离器来解决信号干扰问题
　　
　　信号隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号先通过半导体器件调制变换，再通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间独立。只要在有干扰的地方，输入端和输出端中间加上这种产品，一般能有效解决干扰问题。现已是工业自动控制系统中的重要组成部分。
　　
　　3.2接线端子虚接问题
　　
　　由于PLC系统数字量、模拟量的输入、输出点数繁多，接线端子的虚接问题有时会影响系统的稳定运行及正常显示。针对该问题我们采取了定期检查与紧固措施，收到了良好的效果。
　　
　　3.3个别硬件损坏问题
　　
　　我们在改造调试阶段及后来的生产运行期间曾经出现过个别硬件（DI模块SM321，D0模块SM322，AI模块SM331，A0模块SM332及CPU413）损坏的故障，我们经过分析主要是接线错误强电串入及雷电防护不到位所致。改正接线错误，再对每个模拟量信号通道增加隔离器及对避雷装置完善后，硬件损坏的机率大大降低。
　　
　　4、结束语
　　
　　s7-300/400PLC自动控制系统代替原来老式继电器控制系统的改造，使特种水泥生产线的生产控制有了质的飞跃，过去主要依靠人工现场调节的控制手段得到了*改善，特种水泥生产线的运行得到合理控制，也体现出了PLC自动控制系统的运行可靠、操作方便、功能完备、画面直观等诸多优点，虽然也出现了一些问题，但也属于合理范畴并得到较好解决。