【摘 要】 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），一種可以將控制指令隨時(shí)輸入內(nèi)存進(jìn)行儲(chǔ)存和執(zhí)行功能，配備有微處理器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器。隨著糖廠的多個(gè)工序段廣泛應(yīng)用PLC自控系統(tǒng)，人們對(duì)PLC自控系統(tǒng)的可靠性要求也越來(lái)越高。當(dāng)硬件系統(tǒng)的PLC出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，那會(huì)損失大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并且?guī)?lái)嚴(yán)重的安全隱患。PLC的可靠性雖然很高，但故障率依舊不是零，為了能夠穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)，自控系統(tǒng)中應(yīng)用冗余控制技術(shù)就顯得格外重要。
冗余控制（Redundancy of control system）是一種采用一定的設(shè)備或元器件，或者成倍量的設(shè)備、元器件的方式，組成控制系統(tǒng)的控制方式。當(dāng)某種設(shè)備或元器件因?yàn)楣收隙a(chǎn)生損壞的時(shí)候，它可以自動(dòng)切換硬、軟件使用備用的設(shè)備或元器件，代替損壞的設(shè)備或元器件，從而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將因?yàn)橐馔馔C(jī)的控制設(shè)備造成的損失降到好低。這種控制方式被廣泛應(yīng)用在PLC以及其他機(jī)器設(shè)備上，以防因?yàn)閿嚯娀蛘咂渌N種因素，導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的損失。
1 西門子S7-1500 PLC冗余系統(tǒng)
冗余控制技術(shù)在甘蔗糖廠的壓榨過程中有著重要的作用，甘蔗糖廠的生產(chǎn)工序地衣道環(huán)節(jié)就是壓榨過程，壓榨車間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)均衡穩(wěn)定整個(gè)糖廠的正常運(yùn)作有著至關(guān)重要的作用。對(duì)于提高壓榨自控系統(tǒng)的設(shè)備利用率，提高抽出率和安全率有著重大影響。冗余控制系統(tǒng)運(yùn)行中可以將硬件或者軟件設(shè)置成準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的時(shí)候，這些被調(diào)節(jié)成準(zhǔn)備狀態(tài)的備用設(shè)備就能夠及時(shí)的切換，保證系統(tǒng)可持續(xù)工作。
1.1 西門子S7-1500冗余PLC 的硬件
全新Simatic S7-1500 R/H系列冗余控制系統(tǒng)是有西門子進(jìn)行研發(fā)。它使用標(biāo)準(zhǔn)型 Simatic S7-1500 CPU，采用透明化編程方式，同時(shí)使用TIA Portal STEP 7 編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，可使程序從標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)遷移到冗余系統(tǒng)，十分簡(jiǎn)潔方便，無(wú)需多余工作。Simatic S7-1500 R/H具有非常高的實(shí)用性，對(duì)于數(shù)據(jù)可起到保護(hù)作用防止丟失，還可做到避免停機(jī)。此外，該系列控制系統(tǒng)采用PROFINET 系統(tǒng)冗余的方式，可以充分利用 PROFINET 的諸多特點(diǎn)，圖1是S7-1500冗余CPU外觀圖。全 新 Simatic S7-1500 冗 余 控 制 器 具 有 CPU1513R、CPU1515R 和 CPU1517H 這 三 種 CPU。 其 中 ，CPU1513R 和CPU1515R可應(yīng)用于中小型項(xiàng)目中。如有突發(fā)情況，比如其中一個(gè) CPU 失效，其工作內(nèi)容可由另外的 CPU 自行接替并進(jìn)行運(yùn)作，避免了數(shù)據(jù)丟失的問題。此外，基于PROFINET系統(tǒng)冗余的通訊方式還可以提高設(shè)備的可用性。支持Profinet S2冗余功能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（例如 ET 200SP/MP）通過 PROFINET 連接到冗余CPU，從而構(gòu)成PROFINET冗余通訊，如遇到網(wǎng)絡(luò)中斷的突發(fā)情況，也可保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行有效的運(yùn)作。CPU1517H性能*穩(wěn)定可適用于大型項(xiàng)目。該系列CPU帶有專門的光纖同步模塊，可以實(shí)現(xiàn)快速、平滑的切換。未來(lái)，CPU1517H還將開發(fā)支持PROFINET冗余網(wǎng)絡(luò)。
1.2 S7-1500R冗余網(wǎng)絡(luò)
圖 2 所示是 Simatic S7-1500R 冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，兩個(gè)CPU 通過 PROFINET IO 環(huán)連接到 I/O 站，也經(jīng)由該環(huán)進(jìn)行同步。如果 CPU 發(fā)生故障，備份 CPU 自動(dòng)接管過程。數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，且該過程很快就能夠繼續(xù)執(zhí)行。PROFINET IO MRP 環(huán)確保即使發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)總線中斷，仍可訪問所有節(jié)點(diǎn)。該工程組態(tài)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) CPU，TIA Portal 和冗余 CPU 處理程序與數(shù)據(jù)的同步，不會(huì)給用戶帶來(lái)額外工作量。
2 壓榨自控系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)軟硬件配置
綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)成本等原因，采用性價(jià)比高的西門子S7-1500系列CPU1515R雙CPU軟冗余控制系統(tǒng)。在S7-1500冗余PLC中，不支持本地機(jī)架模塊的擴(kuò)展組態(tài)，包括電源模塊、通信模塊、IO模塊、工藝模塊。對(duì)于電源模塊因?yàn)楸镜貦C(jī)架沒有擴(kuò)展模塊，不需要 PS 電源擴(kuò)展背板電源，可以安裝 PM 電源為PLC供電，根據(jù)相應(yīng)的IO模塊配合信號(hào)的數(shù)量，ET200MP通過IO模塊聯(lián)結(jié)主控制器以遠(yuǎn)程子站的傳輸方式進(jìn)行連接,具體如圖3所示。
在冗余系統(tǒng)中，每個(gè) CPU 都有一個(gè)冗余 ID。在 STEP 7 中，通過冗余 ID 將項(xiàng)目樹分配給實(shí)際的 CPU。兩個(gè) CPU 中ding端的 CPU 通常為冗余 ID 為“1”的 CPU。底部 CPU 的冗余 ID 為 “2”。如果 CPU 帶有的硬件配置，同時(shí)用戶更改了該 CPU 的冗余 ID，則還需更改該 CPU 的名稱和 IP 地址。除了各 CPU 的設(shè)備 IP 地址之外，還可為 S7-1500R/H 冗余系統(tǒng)分配系統(tǒng) IP 地址。通過系統(tǒng) IP 地址，可與其它設(shè)備（如，HMI 設(shè)備、CPU、PG/PC）進(jìn)行通信。這些設(shè)備通?；谙到y(tǒng) IP地址與冗余系統(tǒng)的主 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣，可確保在冗余操作中原來(lái)的主 CPU 發(fā)生故障后，通信伙伴可在 RUN-Solo 系統(tǒng)狀態(tài)下與新的主 CPU（之前的備用 CPU）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
2.2 控制壓榨機(jī)高位槽料位
控制壓榨機(jī)高位槽料位其實(shí)就是控制壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速，壓榨機(jī)通過離散型側(cè)梁高槽料位是通過采用歐姆龍電容式接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，模糊控制對(duì)測(cè)得的高位槽料位。實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)電機(jī)電流和電機(jī)軸瓦溫度的兩個(gè)重要參數(shù)，將其作為設(shè)備連鎖的原因是要保護(hù)信號(hào)，可以避免電流過大或者溫度過高，以此調(diào)整輸出的功率，有效的保護(hù)電機(jī)并達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。
2.3 混合汁箱液位、流量控制
（1）壓出汁箱液位控制（Pressure out tank level control）：液位變送器連續(xù)檢測(cè)壓汁盒液位。結(jié)合各座壓力機(jī)的總體情況和滲透性，采用變頻技術(shù)對(duì)調(diào)速傳動(dòng)泵進(jìn)行控制，以保證被壓果汁盒內(nèi)的液體量不滿足溢流。同時(shí)設(shè)有液位超限報(bào)警功能，防止液位超限，及時(shí)報(bào)警。
（2）通過在混合果汁箱液位、流量等因素的影響下，采用混合果汁均勻流泵系統(tǒng)（Mixed juice uniform flowpump system），采用工業(yè)計(jì)算機(jī)（PLC）技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，建立了良好的交通控制模式，實(shí)現(xiàn)混合果汁均勻流泵。為了克服手動(dòng)控制的問題，疏散和流量波動(dòng)的現(xiàn)象往往很大。系統(tǒng)為每個(gè)團(tuán)隊(duì)生成一個(gè)流量歷史曲線，并根據(jù)該曲線進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢功
能。
（3）混合汁箱液位控制：通過液位變送器對(duì)混合果汁盒水進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，考慮混合果汁的量和輸送流量等因素，建立數(shù)學(xué)模型，保持液位的穩(wěn)定，保持混合果汁盒內(nèi)含有F1不滿溢流，且穩(wěn)定與硫熏穩(wěn)定[3]。
2.4 滲透水控制
滲透水流量控制（Seepage flow control）：測(cè)量滲透流量，與核子秤實(shí)時(shí)壓榨量相結(jié)合，應(yīng)用滲透流量控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)置滲透比，自動(dòng)控制電動(dòng)閥門的開啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水量。該系統(tǒng)通過分組制作滲透流程圖，具有存儲(chǔ)和檢索功能。利用液位轉(zhuǎn)換器（Liquid level converter）連續(xù)測(cè)量滲透罐液位，控制冷水水量，使?jié)B透罐液位（Infiltration tank level）基本恒定。同時(shí)，當(dāng)水位超過限位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。連續(xù)入滲溫度由溫度傳感器測(cè)量，供水閥門根據(jù)冷水添加量自動(dòng)控制，保持恒定的水溫，限制水的溫度，并自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)中的警報(bào)[4]。
2.5 磷酸自控、石灰乳箱液位控制
磷酸自控（Phosphate self-control）：按照壓榨工作車間安裝的核子秤的瞬間甘蔗入榨計(jì)量值（The measured value of sugarcane press）、按生產(chǎn)調(diào)度人員設(shè)置的磷酸比例，由自控系統(tǒng)自動(dòng)控制變頻器（Automatic control frequency converter）、磷酸計(jì)量泵（Phosphoric acid metering pump），實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合果汁中磷酸的自動(dòng)定量控制。石灰乳罐內(nèi)液位控制:根據(jù)石灰乳罐內(nèi)液位，利用工業(yè)計(jì)算機(jī)（PLC）技術(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，得出好優(yōu)液位控制方式;液位變送器連續(xù)檢測(cè)石灰乳盒的液位。通過控制石灰乳給料閥，使石灰乳槽不滿足溢流，使石灰乳槽液面保持基本穩(wěn)定。
2.6 軸溫監(jiān)控
軸溫監(jiān)控（Temperature monitoring）：為了確保重要機(jī)械設(shè)備的軸承溫度在生產(chǎn)過程中，如撕裂機(jī)、壓機(jī)、減速機(jī)、等，可以測(cè)量軸承溫度在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、監(jiān)測(cè)和管理，超限報(bào)警，自動(dòng)生產(chǎn)歷史曲線記錄，可以隨時(shí)詢問使用軸溫度監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，從而提前警報(bào)安全隱患，避免重大事故的發(fā)生，提高安全生產(chǎn)水平。
2.7 榨機(jī)轉(zhuǎn)速控制
榨機(jī)轉(zhuǎn)速控制（Speed control of press）：料位檢測(cè)設(shè)備安裝在五臺(tái)沖床ding槽上，利用沖床自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)ding槽高度和沖床負(fù)荷，對(duì)沖床速度進(jìn)行非常好的的自動(dòng)控制。非接觸蔗絲料位傳感器（Non-contact sugarcane wire level sensor），對(duì)高位槽內(nèi)真實(shí)料位進(jìn)行檢測(cè)，是創(chuàng)技術(shù)。 3 PLC的控制功能選擇
3.1 運(yùn)算功能
PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，普通PLC的運(yùn)算功能也具有數(shù)據(jù)移位（data shift）和比較的運(yùn)算功能。復(fù)雜的操作功能有代數(shù)操作、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在大型PLC中還具有仿真量PID操作等高級(jí)操作功能。隨著開放式系統(tǒng)（open system）的出現(xiàn)，PLC已經(jīng)具備了通信功能，有些產(chǎn)品可以與下位機(jī)、同位機(jī)、上位機(jī)進(jìn)行通信，有些產(chǎn)品還具有與Internet和工廠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)選擇合理的計(jì)算功能。在大多數(shù)情況下，好需要的功能是邏輯操作（logic operation）和定時(shí)計(jì)數(shù)（timer counter）功能。一些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳輸和比較，代數(shù)運(yùn)算只需要這個(gè)函數(shù)來(lái)檢測(cè)和控制模擬量。 3.2 控制功能控制功能有PID控制操作、前饋補(bǔ)償控制操作（Feedforwardcompensation control operation）、比例控制操作（Proportional control operation）等功能，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。PLC 的主要功能是順序邏輯控制（sequential logic control），因此，對(duì)模擬量的控制多數(shù)情況下往往采用單回路或多回路控制器（multiloop controller），有時(shí)完成所需的控制功能，還采用專用的智能輸入輸出單元，可以提高PLC的處理速度和存儲(chǔ)容量。
3.3 編程功能
（1）離線編程:PLC和編程器共用一個(gè)CPU。當(dāng)程序員處于編程模式（Edit Programming）時(shí)，CPU 只向程序員提供服務(wù)，不控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。編程完成后，程序員將切換到運(yùn)行模式，CPU控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，無(wú)需編程。如果想要降低系統(tǒng)的成本，可以使用離線編程（off-line programming），使用和調(diào)試不是很舒服。
（2）在線編程（online programming）：CPU 和程序員有各自好立的主機(jī)，CPU控制站點(diǎn)，程序員在一個(gè)掃描周期內(nèi)與CPU交換數(shù)據(jù)，程序員將準(zhǔn)備好的在線程序發(fā)送給主機(jī)。下一個(gè)掃描周期，主機(jī)根據(jù)接收到的程序運(yùn)行。成本高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中經(jīng)常使用。五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言:三種圖形化語(yǔ)言:功能 模 塊 圖（Function Block）、序 列 功 能 圖（sequence functionchart）、梯形圖（ladder diagram）。兩種文本語(yǔ)言：語(yǔ)句表（statement list)，結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text）。
4 結(jié)束語(yǔ)
冗余控制技術(shù)在甘蔗糖廠的壓榨過程中有著重要的作用，甘蔗糖廠的生產(chǎn)工序地衣道環(huán)節(jié)就是壓榨過程，壓榨車間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)均衡穩(wěn)定整個(gè)糖廠的正常運(yùn)作有著至關(guān)重要的作用。對(duì)于提高壓榨自控系統(tǒng)的設(shè)備利用率，提高抽出率和安全率有著重要影響。西門子S7-1500系列PLC中，根據(jù)CPU的性能參數(shù)的不同，分為 S7-1500R 和 S7-1500H 兩種類型的冗余 PLC。 S7-1500H的組態(tài)限制較高，常應(yīng)用在對(duì)切換時(shí)間和性能表現(xiàn)有更高要求的冗余系統(tǒng)；S7-1500R側(cè)重于 CPU 冗余的應(yīng)用，已經(jīng)滿足糖廠壓榨生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
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