基于西门子PLC冗余系统的煤传输系统的设计

1、目录第 1 章 绪论11.1本课题现状及发展方向11.2 煤传输技术的发展及应用。21.2.1 煤传输思想的形成21.2.2 煤传输技术的发展21.3 PLC 技术的发展21.3.1 PLC 的产生31.3.2 PLC 系统的特点31.4 PLC 系统在电厂煤传输系统中的应用现状31.5 本课题研究的主要内容4第 2 章 煤传输系统的研究52.1 煤传输系统简介52.1.1 煤传输系统的概念52.1.2 煤传输系统的监控范围52.1.3 煤传输系统的工作任务52.2 煤传输系统的构成62.2.1 上位机人机界面系统62.2.2 PLC 控制系统62.2.3 控制台、柜及附件72.2.4 设备就

2、地操作、保护装置及信号传感器82.3 煤传输运煤系统的控制方式92.3.1 程控自动控制方式92.3.2 联锁手动控制方式102.3.3 解锁手动控制方式102.3.4 上位机控制方式下的共有功能102.3.5 就地手动控制方式112.4 煤传输配煤系统的的控制方式112.4.1 程序自动配煤控制方式112.4.2 上位机手动配煤控制方式112.4.3 就地手动配煤控制方式12第 3 章PLC在煤传输系统中的应用123.1 煤传输系统中常用的 PLC123.1.1 冗余配置的 PLC 系统123.1.2 常用于煤传输系统的 PLC 简介133.2SIEMENS S7 软件冗余系统的构架133.

3、3 SIEMENS S7 软件冗余系统的设定143.3.1 软件冗余系统中的硬件组成143.3.2 冗余系统中的应用软件153.3.3 软件冗余系统实例中的硬件及网络组态153.4 SIEMENS S7 软件冗余系统的用户程序编制163.4.1 用户应用程序的构成173.4.2 软件冗余系统实例中的用户程序17第 4 章：基于西门子PLC冗余系统的煤传输系统的设计204.1 工程简介204.2 煤传输系统组态方式204.2.1 系统结构204.2.2 通讯方式214.3系统的硬件设计224.3.1系统用到的设备的硬件选型：224.3.2系统主电路分析及设计：234.3.3.PLC控制系统的硬件

4、选型机设计244.4 系统软件设计284.5 监控系统的设计334.5.1组态软件简介334.5.2 监控系统的设计34第 5 章 结束语385.1 总结385.2 展望38参考文献40致谢4256第1 章 绪论1.1本课题现状及发展方向对于火力发电厂而言，一般都包括三大辅助系统，即煤传输系统、水处理系统及粉灰除尘系统。其中，煤传输系统是占地面积最大，所属设备最多、最零散，控制工艺最复杂的一个；而煤传输系统程序控制也是创一流火力发电厂的单列项目之一。目前，随着发电大机组的建设和投产，随着电厂对提高经济效益的不断追求，致使电厂对煤传输系统的要求也日益提高，从硬件到软件，从自身的控制网络到外界的数

5、据接口，对现场执行原件、现场传感器、PLC 控制器和操作员计算机人机界面，都提出了高可靠性、高稳定性、高灵敏度、高性价比的要求。目前，煤传输系统已经是一项相对成熟的监控技术，从上位人机界面计算机软件、下位 PLC 系统、到现场传感器和执行机构，都有技术成熟的产品与之配套。目前，电力系统的设计部门盲目追求煤传输系统的高可靠性、高稳定性，所以造成了一些不必要的成本投入，主要表现在 PLC 系统的硬件冗余配置，传感原件采用进口件，所有应用软件的平台都选用进口软件等。其实，对于煤传输系统说，PLC 系统的软件冗余方式，完全可以满足系统连续控制的要求。对于 SIEMENS S7-300系统 PLC 软件

6、冗余的方案和实现方法，在产品介绍中都有一些必要的描述，但对于煤传输系统的具体配置和编程方式却没有系统的说明，所以就造成了实际工程与技术理论的脱节。目前，在煤传输系统中应用 PLC 软件冗余配置的工程实例稀少且零散，还没有人对其进行总结和系统化研究，暂时还不能形成应用领域内有成熟使用经验的范本进行推广。不过，在不久的将来，随着电力企业建设和生产成本的不断压缩，一定会有更多的煤传输系统需要使用 SIEMENS S7-300 系列 PLC 产品的软件冗余方案，一定会有更多成熟的使用经验，最终使此种方式发展成为煤传输系统成熟的 PLC 成套插件。1.2 煤传输技术的发展及应用。1.2.1 煤传输思想的

7、形成20 世纪 80 年代初，由于我国当时自动化控制水平低下，当时的火力发电厂煤传输系统设备只设计了现场就地操作方式进行控制。火力发电厂煤传输系统设备多且零散，一般包括：运煤设备，如输煤皮带；运煤路线选择设备，如三通挡板；装卸煤设备，如斗轮堆取料机；煤质净化设备，如除铁器；煤仓卸煤设备，如犁煤器；煤量计量设备，如电子皮带秤。这些设备分布于整个输煤沿线，分散且运行环境恶劣，设备间的联锁保护功能不完善，设备本身的维护量大，这在客观上增加了运行和检修人员的工作量和工作强度。为此，把这些设备集中起来统一控制就成了煤传输系统的迫切需要，煤传输的早期思想也就此形成。1.2.2 煤传输技术的发展20 世纪

8、80 年代中期，随着国外 PLC 技术在国内的推广和应用，煤传输系统具备了向集中控制发展的技术基础。当时，煤传输系统的集中控制以 PLC 系统为控制核心，把需要监控的信号全部引入 PLC 系统中，通过 PLC 主机的数学和逻辑运算后，输出一部分控制信号到现场执行元件对设备进行操作，另一部分控制信号到控制室点亮模拟屏、光字牌等操作显示终端。这就是早期煤传输系统的雏形。20 世纪 90 年代中期到现在，煤传输系统的总体框架没有什么质的变化，只是随着自动化技术水平的提高，细节上的变化越来越多。例如，PLC 系统由单 CPU 系统，改变到双 CPU 冗余系统；现场控制网络和上位监控网络由单网通讯，改变

9、到双网冗余通讯等。目前，煤传输系统已经成为一个重要的生产辅助控制系统，被广泛应用在各火力发电厂中。1.3 PLC 技术的发展1.3.1 PLC 的产生在工业生产过程中，往往需要进行大量离散量数据的采集和开关量顺序控制，传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC。1.3.2 PLC 系统的特点 目前，随着生产自动化程度的日益提高，PLC 系统经常作为控制系统的核心进行使用，总结起来其主要

10、有以下几个特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑

11、控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便。PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。1.4 PLC 系统在电厂煤传输系统中的应用现状目前，PLC 系统作为电厂煤传输系统的控制核心，已经得到了用户的认可和大范围的推广，总结其使用情况大致可归纳为如下几类：（1）单机冷备、单网冷备系统。PLC 系统中只设置一个 CPU 主机，各 PLC 的 I/O 站之间只靠一

12、根通讯电缆连接，当 CPU 或通讯网络故障时，都必须把整个控制系统停下来，更换 CPU 或通讯网络。此种工作方式可靠性低，不能保证系统的不间断运行，但投资很低。（2）单机冷备、双网冗余热备系统。此类配置的 PLC 系统，虽然网络通讯采用冗余热备方式，但只设置一个 CPU 主机，一旦 CPU 故障，就必须把整个控制系统停下来，更换CPU。因此，该工作方式的网络通讯可靠性很高，但整个系统的可靠性改变不大，也不能保证系统的不间断运行，投资比第一种工作方式稍有提高。（3）双机冗余热备、双网冗余热备系统。此类 PLC 系统的可靠性、稳定性大大提高，最大限度地实现了系统的不间断运行，是目前电厂煤传输系统主

13、要采取的 PLC 运用方式。对于冗余系统来说，硬件冗余系统投资很高，软件冗余系统投资比第二种 PLC 工作方式有小幅度的提高。为了降低煤传输系统的投资，同时保证系统运行的可靠性，提高系统运行的性价比，进一步推广 PLC 软件冗余系统变得十分必要。1.5 本课题研究的主要内容本课题主要进行了以下几个方面的研究工作：1. 电厂煤传输系统的构成、控制原则、控制功能及实现控制的手段。2. SIEMENS S7 系列 PLC 软件冗余系统的配置：（1）CPU 主机部分的硬件选型；（2）现场数据采集 I/O 模块的具体配置方式，硬件选型；（3）PLC 软件冗余系统中几种不同的冗余网络通讯方式；（4）整体

14、PLC 网络的物理结构及软件设定方法；（5）整个 PLC 系统在软件中的配置方法和步骤；（6）对于在软件中设定好的 PLC 系统，进行硬件初始化的方法和步骤。3. 煤传输系统中 PLC 系统的控制程序编制原则和方法。4. 以实际工程为例，编制 SIEMENS 软件冗余系统使用的控制程序。第 2 章 煤传输系统的研究2.1 煤传输系统简介2.1.1 煤传输系统的概念煤传输系统隶属于火力发电厂的燃料车间，是火电厂辅助车间的重要组成部分，主要由卸煤、运煤、配煤和堆煤四大部分组成。煤传输系统即是指输煤的自动控制系统，该系统一般以 PLC 模件为数据采集和信号处理中心，将整个工艺过程和辅助设备全部纳入控

15、制，从而完成对输煤全过程的自动控制。2.1.2 煤传输系统的监控范围煤传输系统是我国评价一流火力发电厂的重要条件之一，监控的设备主要包括以下几类：（1）卸煤设备，如叶轮给煤机、抓斗卸煤机等；（2）运煤设备，如输煤皮带、碎煤机、 三通挡板等；（3）煤系统辅助设备，如除铁器、皮带秤、轨道衡、皮带秤校验装置等；（4）配煤设备，如犁式卸料器；（5）堆煤设备，如斗轮堆取料机、堆料机等。2.1.3 煤传输系统的工作任务根据火电厂燃煤运送及存储的工艺要求，煤传输系统一般需要完成以下几项任务；（1）把进厂煤从来煤处运送到储煤场储存。当采用汽车进煤时，一般直接把来煤卸到储煤场。（2）把储煤场存煤运送到原煤仓中供

16、给锅炉设备。此项任务是煤传输系统最主要的工作内容，称为上煤工作。当从储煤场进行上煤时，一般经煤场取煤设备（如斗轮取料机、抓斗取料机等）把煤取至运煤皮带上，然后由运煤皮带、三通挡板、筛煤机、碎煤机等设备组成的上煤流程运送后，最终通过犁式卸料器将煤卸入原煤仓中。当上煤流程工作时，煤系统的除铁器、除木器等相关辅助设备也要参与进来，以保障进到原煤仓的煤质良好，不含其它杂质。2.2 煤传输系统的构成煤传输系统常由四部分组成：第一，上位机人机界面系统，包括上位计算机、人机界面操作软件、煤传输系统管理件；第二，PLC 控制系统，包括 PLC 主机及数据采集模块、PLC 控制软件、PLC 各分站之间的通讯网络

17、及通讯协议、PLC 与上位机人机界面系统的通讯网络及通讯协议；第三，控制台、柜及附件，包括安放上位机的控制操作台、安放 PLC 的控制柜、安放信号隔离继电器的控制柜、控制电源分配柜等；第四，设备就地操作、保护装置及信号传感器，包括设备的一次和二次控制执行元件、皮带保护装置、信号检测装置等；2.2.1 上位机人机界面系统上位机人机界面系统，是煤传输系统的监控和管理终端，是煤传输系统的人机互动部分，是人为操作指令的输入部分，也是现场控制信息和计算信息的存储场地。在绝大多数煤传输系统中，都配置两套上位机人机界面系统，一套作为系统运行的操作员站，另一套作为系统维护的工程师站（该站兼有备用操作员站的功能

18、）。2.2.2 PLC 控制系统PLC 程序控制系统是煤传输系统的控制核心，主要用来采集现场设备的保护和状态信号，然后经过 CPU 进行逻辑和数学计算后，发出相应的控制指令，从而对煤传输系统的所有设备进行合理的控制。一般电厂煤传输系统使用的 PLC 系统都是比较流行的知名品牌，如德国 SIEMENS 品牌S7-400S7-300 系列产品、美国 AB 品牌 CONTROLLOGIX5500 系列产品等。22在煤传输系统中，PLC 控制系统大都配置有一个本地站（即含有工作主机 CPU 的数据采集机站）和若干个 I/O 远程分站（不含 CPU，仅含用于采集数据的输入、输出 PLC 模块），本地站与

19、 I/O 分站之间根据不同的 PLC 品牌采用不同的冗余配置的数据总线进行连接和通讯；常用的包括SIEMENS 品牌的 PROFIBUS-DP 总线（通讯介质为屏蔽双绞线，传输速率根据传输距离在 187.5K 到 12M 之间可调）、AB 品牌的 CONTROLNET 总线（通讯介质为同轴电缆，传输速率可达到 5M）等。在PLC本地站中，常采用CPU冗余热备工作方式，即配置两台CPU同时工作，一台是主机，采集信号运算后输出指令到实际的 I/O 模块，一台是热备用辅机，采集信号运算后输出同样的控制指令，但指令不通过 I/O 模块输出，一旦主机有故障时，热备辅机指令立刻通过 I/O 模块进行实际输

20、出，从而使自己变为主机继续工作。一般冗余配置的 CPU主、辅机切换时间在十几到几十毫秒。目前，PLC 控制系统的数据采集模块一般都选用DC24V 供电模式，数字量的输入、输出模块常选用 32 通道模块，模拟量输入模块选用8或16 通道模块，模拟量输出模块选用 4 或 8 通道模块。PLC 系统与上位人机界面系统的通讯网络，是操作员控制指令和受控设备工作状态的传输通道，如果此网络通讯不正常，就无法保证控制系统的真正受控。目前的输煤控制系统中，PLC 系统与上位机之间通常采用冗余的工业以太网进行通讯，通讯协议为 TCP/IP，通讯介质为普通网线或光纤，通讯速率采用 10/100M 自适应方式。该通

21、讯方式组网方便，技术成熟，工作稳定，上位机通讯硬件采用普通以太网卡采购方便、成本低廉，且整个煤传输系统容易预留与电厂管理网络的通讯接口。2.2.3 控制台、柜及附件煤传输系统的控制台、柜是系统正常使用的辅助设施，给上位机及 PLC 元件提供了安装位置和必要的保护，包括操作台、电源柜、PLC 控制柜、信号隔离控制柜等。操作台通常设置在煤传输室内，根据功能和安放空间进行设计、制作，属于非标产品。一般采用前、后开门方式，在台上安置煤传输系统上位机显示器，台体内放置煤传输系统上位主机，台面上布置系统紧急停机按钮和电话、广播呼叫装置。操作台内都设有电源插座和通风冷却风扇。电源柜内设置程控系统所需的成套控

22、制电源，随 PLC 本地站和 I/O 远程分站分别配置，一般系统有几个 PLC 站就有几套电源柜。电源柜内的供电装置都采用冗余配置，输入电源一般为 AC220V，输出电源一般为 AC220V 和 DC24V，为了保证电源系统的连续供电，电源柜的输入端常采用双路同时供电，一路是工作电源、一路是备用电源，在工作电源出现故障时，备用电源立即投入工作。PLC 控制柜主要用来安装 PLC 系统，分布在 PLC 本地站和 I/O 远程分站内。本地站的 PLC 控制柜内，安装有冗余配置的主机系统，一般包括主机架、电源模块、远程 I/O接口模块、CPU 控制器、与上位机通讯的以太网模块及冗余数据同步模块；另外

23、，还装有本地站监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。在各 I/O 分站的 PLC 控制柜内，主要安装了远程监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。信号隔离控制柜，是信号隔离装置的安置空间。2.2.4 设备就地操作、保护装置及信号传感器设备控制的就地执行元器件、保护装置及传感器系统，是煤传输系统的重要组成部分，该部分元件如果选择不当或工作不正常，就要造成整个控制系统处于大脑发达四肢不灵的状态。设备控制的执行元器件通常选用优质的通用元器件，如空气开关、接触器、热继电器（电流综合保护器）、电流互

24、感器、按钮、选择开关、信号继电器、就地指示灯及显示仪表等。煤传输系统的保护装置及信号传感器，主要是指运煤皮带的保护和信号检测装置，及煤仓煤位的检测装置，总结起来包括以下几类装置：28（1）运煤皮带跑偏信号检测装置，即跑偏保护开关。（2）运煤皮带拉绳信号检测装置，即拉绳保护开关。（3）运煤皮带纵向撕裂检测装置，即撕裂保护开关。（4）运煤皮带断带检测装置，即断带保护开关。（5）运煤皮带速度监控仪，即速度、打滑检测开关（6）运煤皮带料流检测开关。（7）落煤管堵煤故障检测开关。（8）煤仓煤位检测装置。2.3 煤传输运煤系统的控制方式煤传输运煤系统的控制方式一般可分为程控自动、联锁手动、解锁手动、就地手

25、动四种控制方式。其中，程控自动和联锁手动是系统的主要控制方式；解锁手动一般用于单台设备的检修和测试；就地手动常用于单台设备的检修和测试，有时也作为无 PLC 控制的紧急上煤操作方式。29-32程控系统正常工作时，一般依照如下的控制原则：（1）正常运行时，输煤设备按逆煤流方向顺序延时启动；（2）正常停机时，输煤设备按顺煤流方向顺序延时停机；（3 ）故障停机时，从故障设备起所有逆煤流设备顺序立即停机（碎煤机除本身事故外，不停机或延时停机）；（4）除铁器只参与胶带运输机联锁启、停，但除铁器有事故时不联跳逆煤流方向的皮带，除铁器自跳；（5）由于紧急情况需立即停所有设备时，操作台及上位机上均有急停按钮，

26、此按钮一旦动作，主机能立即接到命令，使设备立即停下来（碎煤机、筛煤机延时停机）；（6）当设备发生故障时，输出语音、文字报警。2.3.1 程控自动控制方式程控自动控制方式是煤传输系统的主要工作方式。此种方式下，所有设备的监控工作都通过上位机和 PLC 系统完成，设备自身保护齐全，设备启、停采用联锁自动控制，是一种高可靠性、高智能化的设备控制方式。2.3.2 联锁手动控制方式联锁手动控制方式是煤传输系统的重要工作方式。此种方式下，所有设备的监控工作都通过上位机和 PLC 系统完成，设备自身保护齐全，设备启、停采用一对一手动控制，是一种简单灵活的设备控制方式。2.3.3 解锁手动控制方式解锁手动控制

27、方式通过上位机和 PLC 系统实现，是一种非常规控制方式，不允许带载运行，只适用于单台设备的调试、校正及试验。解锁手动时，被选中解锁的设备与整个系统将解除联锁关系，可以从上位机上一对一启动已经解锁的设备，此时设备的自身保护依然有效，但没有联锁保护功能。2.3.4 上位机控制方式下的共有功能在煤传输系统中，程控自动、联锁手动、解锁手动的控制都是经过上位机和 PLC 系统实现的，在这三种控制方式中，设备的自身保护信号都是齐全可靠的，并都有效参与了设备的停机保护。为了提高程控系统的利用率，最大限度地保障煤仓供煤的连续性，系统一般都设有设备故障信号人为解除功能。故障信号解除功能常于设备故障情况时的紧急

28、或临时处理。例如，在运煤皮带正常工作时，如果出现重跑偏、拉绳、重打滑、撕裂等报警信号，则系统将立即对运煤皮带实施停机保护，并且在此类故障信号未消除前，无法再次启动该运煤皮带。当系统处于特殊情况时，如皮带并未发生真正的类似故障，而是保护装置误动作或损坏后发出的报警信号，此时如该皮带急需运行起来，且在短时间内无法对保护装置进行检测和维护，就可以使用故障信号解除功能。此时，在上位机中把出现的故障设于“解除”状态，并重新复位故障信号后，即可以把相应的运煤皮带再次启动起来。2.3.5 就地手动控制方式就地手动控制方式是煤传输系统的后备手操控制方式，此时的设备控制完全使用继电器硬线回路实现，而与上位机和

29、PLC 系统无关。就地操作时，设备的自身保护往往是不齐全的，设备间的联锁关系也没有程控操作时完整，但此种控制方式可以用作上位机与 PLC 系统损坏情况下的紧急上煤。此时，需要运行人员依照设备的联锁关系，到就地操作箱一对一操作设备的启、停开关，从而实现设备的正常工作。通常，就地手动控制方式与程控方式的切换靠设备的“就地/程控”控制方式转换开关实现，此转换开关有的系统设在设备就地控制箱内，有的系统则直接将其设置在煤传输的控制柜内。该开关的位置没有标准可以遵循，一般是由系统的整体设计思路决定的。2.4 煤传输配煤系统的的控制方式煤传输中的配煤是指原煤仓上的卸料设备把运煤皮带上的来煤分别加到各原煤仓的

30、全过程。配煤系统涉及到的设备主要是犁式卸料器（即犁煤器）和原煤仓。完整的煤传输系统都由运煤系统和配煤系统两部分内容组成。配煤系统大都采用程序自动配煤、上位机手动配煤、就地手动配煤三种控制方式；并以尽量加仓均匀、尽量利用煤仓储煤空间为配煤原则。2.4.1 程序自动配煤控制方式程序自动配煤是一种全自动配煤方式，一般包括低煤位优先配，顺序时间循环配和余煤配三部分工作内容，整个配煤过程由 PLC 程序控制，加仓均匀，原煤仓储煤空间利用率高，当原煤仓个数较多时，可大大降低煤仓间值班人员的劳动强度。2.4.2 上位机手动配煤控制方式上位机手动配煤属于人工配煤方式，此时，操作员通过参考各煤仓的煤位信号，并一

31、对一点按上位机上的犁煤器抬、落按钮来完成配煤工作。2.4.3 就地手动配煤控制方式就地手动配煤方式，是配煤系统的后备手操控制方式。此种配煤操作方式与上位机和PLC 系统无关，完全依赖操作人员的运行经验实现。操作人员通过犁煤器现场控制箱上的抬、落控制按钮控制犁煤器的抬落，并根据现场巡查的煤仓煤位来决定配煤时间的长短和配煤加仓的先后顺序。就地手动配煤的优先级别高于其它配煤控制方式，当巡检人员发现其它配煤方式下出现异常情况时，可以随时在就地对配煤操作进行干预。为了保证配煤系统正常工作，少出事故，有的煤传输系统对就地手动配煤方式与上位机的配煤控制方式实施了并列共存。即煤仓间犁煤器在通过上位机和 PLC

32、 系统控制的同时，也可以随时接受并执行现场就地控制箱的控制信号。第3 章PLC在煤传输系统中的应用 3.1 煤传输系统中常用的 PLC3.1.1 冗余配置的 PLC 系统冗余配置的 PLC 系统，多是指双网冗余热备、双机冗余热备系统。双网冗余热备，即双通道冗余通讯模式，是指在 PLC 系统中，各 PLC 的 I/O 站及CPU 之间通过两根通讯电缆连接，占用两个参数完全相同的通道进行数据通讯，两个通道同时工作，一主一辅互为备用，当一条通讯线故障时，另一通讯网络可以瞬间投入运行，充分保障了网络数据的不间断传输，降低了数据传输的故障率。双机冗余热备，是指在 PLC 系统中配置两个完全相同的 CPU

33、 同时工作，一个 CPU为主，另一个 CPU 为辅，主 CPU 负责驱动实际的系统输出；当 PLC 系统检测到主 CPU故障或 CPU 切换命令时，立即把辅 CPU 的输出链接到系统实际输出上，把原主 CPU 替换下来，以便对其故障进行处理。双机冗余热备系统中，CPU 的切换分为两种方式，一种是通过专用同步模块进行切换，即硬件冗余系统，切换时间一般在十几到几十毫秒，此种 PLC 配置方式投资较高；一种是通过程序数据检测进行切换，即软件冗余系统，切换时间在一百毫秒左右，SIEMENS S7-300/S7-400 系列 PLC 正是可以进行软件冗余配置的典型 PLC，此种 PLC配置方式的投资较硬

34、件冗余系统低很多，系统的运行性价比很高。从 CPU 切换的时间上来看，软件冗余系统的切换时间较长，系统控制的跟随性要比硬件冗余系统差一些；但实际上，电厂煤传输系统的监控信号多为开关量信号，PLC 系统主要进行的是逻辑运算，所以软件冗余系统的切换时间完全能够满足运煤系统连续控制的需要。为此，研究 SIEMENS S7-300/S7-400 系列 PLC 的软件冗余配置就变得十分重要。3.1.2 常用于煤传输系统的 PLC 简介目前，火电厂煤传输系统中常用的 PLC 主要有三种：（1）美国 MODICON 品牌 QUANTUM140 系列产品。主机部分采用冗余配置，各 PLC 分站与主机采用 RI

35、O 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通讯。（2）德国SIEMENS品牌S7-400S7-300系列产品。主机部分采用S7-300产品，冗余配置；数据采集模块采用 S7-300 产品，并以 SIEMENS 产品特有的 ET200M扩展方式与主机系统相连；各 PLC 分站与主机系统间采用 PROFIBUS-DP 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通讯。（3）美国 AB 品牌 CONTROLLOGIX5500 系列产品。主机部分采用冗余配置，各 PLC 分站与两个主机站采用 CONTROLNET 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通

36、讯。综上可见，电厂主流煤传输系统中的 PLC 系统一般选择冗余配置 CPU 工作方式。3.2 SIEMENS S7 软件冗余系统的构架SIEMENS S7 系列 PLC 软件冗余系统，在主机部分的配置中，往往因 CPU 的型号不同而有所差别，但对于 I/O 分站的配置则完全相同。在所有的软件冗余系统中，I/O 分站都是按照 ET200M 的方式进行扩展，每个分站配有一对冗余的通讯模块 IM153-2，且所有分站与主机系统的两个 CPU 都以 PROFIBUS-DP 方式进行通讯，每个分站最多只允许配置 8 个 I/O 模块，每个 PLC 系统则可以配置 127 个 I/O 分站。对于 SIEM

37、ENS S7 系列 PLC 软件冗余系统的主机部分，本文将按S7-300机型分别进行介绍。S7-300 系列的 PLC，在构成软件冗余系统时，其 CPU 主机部分主要包括以下几种组成构件：（1）PLC 主机安装导轨（2）PLC 主机 CPU 模块（3）PLC 冗余数据检测模块（4）PLC 数据传送网络3.3 SIEMENS S7 软件冗余系统的设定目前，实际工程中常用的 SIEMENS S7 软件冗余系统有两种，一种是 MPIPROFIBUS 冗余方式，另一种是 TCP/IP 冗余方式。软件冗余系统是一种特殊的 PLC 冗余系统，不但在硬件构成上特点鲜明，其软件设定更是举足是轻重，如果没有正确

38、的软件组态和设定，软件冗余系统就无法正常工作，甚至无法组建。对于 SIEMENS S7-300 系列的 PLC 软件冗余系统，用到的软件有用户编程的专用软件STEP 7 和进行软件冗余配置的专用冗余软件SIMATIC SoftwareRedundancy。本文中用到的软件版本为 STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2。当STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2安装完成后，即可根据实例中提到的硬件构成，来创建和组态软件冗余系统的应用程序。3.4 SIEMENS S7 软件冗余系统的用户程序编制在 SIEMENS 的 PLC 系统中，当 CPU

39、 采用 S7-300/400 产品时，使用的软件编辑程序都是 STEP7，该软件最常用的语言表达方式为梯形图（LAD）和语句表（STL）。为了提高编制 SIEMENS 用户程序的灵活性，强大用户程序的功能，提高程序的可读性，STEP7 采用多种程序块共同来组成用户程序。总结起来，程序块主要包括以下几种：（1）OB 块（Organization Block），即程序组织块，用户程序的执行都是靠 CPU 扫描OB 块来实现的。（2）DB 块（Data Block），即存储程序数据的块，数据块的格式和内容可以根据用户的需要进行设定，数据块支持的数据类型包括 BOOL、BYTE、WORD、DWORD、

40、INT、DINT、REAL、S5TIME、TIME、DATE、CHAR、TIME_OF_DAY，数据块常用的定义结构为数组结构。数据块是用户程序计算数据的存放空间，其内没有程序语句，对于不同的 CPU 来说，可以定义的数据块数量也不同。（3）FB 块（Function Block），即带有存储数据的程序功能块，此类功能块需依附数据块工作，每个 FB 块都需定义一个 DB 块与之配合使用，并通过 OB 块的调用来执行。FB 块有两种，一种是用户自行编制的，具有某种通用功能的程序块；一种是软件系统自带的具有特定功能的程序块，即 SFB 块，在软件冗余系统中，即用到了块 SFB04IEC 接通延时计

41、时器功能块。（4）FC 块（Function），即不带有存储数据的程序功能块，此类功能块单独存在，不需依附数据块工作，是用户开发程序时最常用的程序块，通过 OB 块的调用来执行。一个软件冗余系统的 PLC 程序往往由两部分组成，一部分是具有特定意义的系统自带的程序功能块，包括相应的 OB 块、FB 块、FC 块、DB 块，一般此类程序块不需要用户自己编制，只要把对应的程序块从软件程序库中复制到用户程序中即可；另一部分是用户自己编制或配置的程序块，包括 OB 块、FB 块、FC 块、DB 块等。（1）来自程序库的特定程序块图 3.6 CP 400 文件夹内的程序块显示图 3.7 SWR_AGSE

42、ND_400 文件夹内的程序块显示图 3.8 SWR_400_MIN 项中含有的程序块显示（2）用户自行编制的程序块图 3.9 数据块传输指令图 3.10 IEC 计时器指令图 3.11 自行编制的计时器指令功能块第 4 章：基于西门子PLC冗余系统的煤传输系统的设计4.1 工程简介本设计中的发电厂煤传输系统中，系统要求在程控室内设置一个PLC 本地站，在煤仓间设置一个 PLC 远程 I/O 分站。本地站内设有 PLC 系统的 CPU 和部分 I/O 模块,主要监控的设备包括厂外运煤设备及厂内煤仓间之前的所有设备；远程 I/O 分站只设有 PLC 系统的 I/O 模块，主要监控的设备是煤仓间皮

43、带、挡板、犁煤器及煤仓煤位信号。鉴于电厂煤传输系统的重要性，对 PLC 系统采用了软件冗余配置的双 CPU 工作方式，并通过 PLC 编程实现所有输煤设备的联锁控制，工业控制计算机则作为上位机与PLC 互相配合，共同完成煤传输系统的监控功能。本系统的上位机人机界面监控、管理系统包括：两台上位监控机（操作员站）和一台工程师工作站。4.2 煤传输系统组态方式4.2.1 系统结构整个煤传输系统由上位机系统、网络通信系统、PLC系统、就地设备控制系统组成，分为程控上煤和程控配煤两大部分，分别完成上煤控制和配煤控制功能。设有一个主控制室，设在输煤综合楼，实现主要的控制任务。下设四个远程工/0站，在本系统

44、中，由于煤传输系统设备比较分散，所以在煤仓间又设置一个远程站，对整个系统起辅助监视作用。整个煤传输系统配备了两台上位机，其中一台可以兼做工程师站。上位机与PLC之间采用冗余结构环型工业以太网进行通讯。在PLC系统与各远程1/0设备(ET一200、传动设备、执行器、传感器)等各网络之间采用冗余的PROF工BUS一DP现场总线进行通信。整个煤传输系统的系统配置如下图所示：、图4.1 煤传输系统配置图4.2.2 通讯方式1.通过分析对比，上位机与PLC主站之间选用德国西门子公司研发的 SIMATICNET100Mbit/S工业以太网。它是利用带传输技术，基于IEEESO2.3，利用CSMA/CD介质

45、访问方法的单元级和控制级传输网络。使用的物理传输介质是光纤。2.PLC主站与各I/0分站之l选用冗余的PROFIBUS一DP现场总线。PROFIBUS一DP用于将现场层的数据高速传送到PLC主站，PLC主站周期地读取各分站的输入信息并周期地向分站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性数据传输外，PROFIBUS一DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。3.煤传输系统通讯网络图：图4.2 煤传输系统网络通讯图 4.2.3冗余系统实例中的硬件及网络组态安装STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2后。根据系统的硬件

46、构成，来创建和组态冗余系统的应用程序。（1）应用程序的创建（2）应用程序的硬件及网络组态图 3.1 CPU 配置 PROFIBUS-DP 网后的程序显示界面图 3.2 配置第一个 I/O 分站后的程序显示界面（3）应用程序的冗余数据检测网络组态图 3.3 含链接配置表的网络编辑界面图 3.4 配置 FDL 数据链接后的链接表显示界面图 3.5 配置 TCP/IP 数据链接后的链接表显示界面4.3系统的硬件设计4.3.1系统用到的设备的硬件选型： 1.系统元器件选型：序号元器件名称元器件代号型号数量1刀开关QSHR1-60132按钮开关SBLA19-11B/D63转换开关SASZLW5-1634

47、拉绳开关SLRN5-II145热继电器FRJR16-20126熔断器FUNGT0036图4.3 系统元器件选型表 2.系统电机选型：电机代码电机名称电机型号电机参数（功率）M1卸煤部分1#输送带电动机Y200L1-230KWM2卸煤部分2#输送带电动机Y16M1-211KWM3卸煤部分3#输送带电动机Y200L1-230KWM4上煤部分4#A输送带电动机Y132S1-25.5KWM 5上煤部分5#A输送带电动机Y200L2-237KWM6上煤部分6#A输送带电动机Y225M-245KWM7上煤部分7#A输送带电动机Y160M2-215KWM8上煤部分4#B输送带电动机Y132S1-25.5KW

48、M9上煤部分5#B输送带电动机Y200L2-237KWM10上煤部分6#B输送带电动机Y225M-245KWM11上煤部分7#B输送带电动机Y160M2-215KWM12上煤部分O#输送带电动机Y16M1-211KWM13上煤部分梨煤机电动机（AD）Y132S2-27.5KWM14上煤部分梨煤机电动机（BD）Y132S2-27.5KW图4.4 系统电机选型表4.3.2系统主电路分析及设计：1. 系统主电路： 图 4.5 系统主电路图 2.系统主电路分析：本设计的煤传输系统主要是通过皮带运机完场卸煤及上煤任务，本设计采用以PLC为控制核心控制12台皮带运输机，其中1#3#皮带完成卸煤任务；4#7

49、#（有AD 、BD两条输送线供选择）皮带完成上煤任务。12台皮带运煤机、梨煤机分别用14台电动机（M1M14）带动。4.3.3.PLC控制系统的硬件选型机设计1.PLC控制系统的硬件选型：序号设备部件名称型号数量主要技术参数生产厂家1S7-300CPU模块S7-300CPU模块CPU313C-2DPCPU313C-2DP22最多处理模拟通量248通道，数字量992，模块继集成多个高速输入计数通道和输出脉冲通道。德国SIEMENS2S7-300数字输量输入模块SM321116通道，24VDC信号德国SIEMENS3S7-300数字量输出模块SM322116通道，24VDC信号德国SIEMENS4

50、S7-300模拟量输出模块SM33212通道，电流电压信号德国SIEMENS5S7-300以太网模块CP343-11支持TCP/IP协议德国SIEMENS6S7-300PROFIBUS模块CP342-51支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS7分布式I/O站接口模块IM153-11支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS8PROFIBUS电缆CABLE10PROFIBUS标准电缆德国SIEMENS9PROFIBUS通讯卡CP56111程序编程调试，PROFIBUS通讯等德国SIEMENS10总线连接器BUS-CONNECTOR390度被插式德国SIEMENS11模块前连接器20P

51、IN420PIN德国SIEMENS12德国SIEMENS13图 4.6 PLC控制系统硬件选型2.PLC控制系统的I/O口分配：（1） 输入点：卸煤、上煤时自动/手动切换需要2个输入点；卸煤、上煤时的联锁启动、停止、紧急停止需要6个输入点；控制料斗、1#3#皮带机需要4个输入点；AD、BD工作方式的选择需要1个输入点；梨煤机（2台）、4A#7A#(4#B7#B)和0#皮带需要11个输入点，共24个输入点。（2）输出点：卸煤、上煤时的联锁启动预告电铃和故障报警电铃需要4个输出点；控制料斗电磁阀和1#3#皮带机需要4个输出点；梨煤机（2台）、4A#7A#(4#B7#B)和0#皮带需要11个输入点，

52、共19个输入点。名 称代码地址编码输 入 信 号卸煤自动/手动按钮S0I0.0卸煤启动按钮SB0I0.1卸煤停止按钮SB1I0.2卸煤急停按钮SB2I0.3料斗电磁阀I0.41#皮带传动电机I0.52#皮带传动电机I0.63#皮带传动电机I0.7上煤自动/手动按钮S1I1.0上煤启动按钮SB3I1.1上煤停止按钮SB411.2上煤急停按钮SB5I1.3AD/BD运行选择按钮S2I1.4梨煤机电机（AD）I1.5梨煤机电机 (BD)I1.64#A皮带传动电机I1.75#A皮带传动电机I2.06#A皮带传动电机I2.17#A皮带传动电机I2.24#B皮带传动电机I2.35#B皮带传动电机I2.46

53、#B皮带传动电机I2.57#B皮带传动电机I2.60#皮带传动电机IO.27图 4.7 输入信号表名称代码地址编码输 出 信 号输 出 信 号卸煤启动预告电铃HA1Q0.0上煤启动预告电铃HA2Q0.1卸煤故障电铃HA3Q0.2上煤故障电铃HA4Q0.31#皮带传动电机Q0.52#皮带传动电机Q0.63#皮带传动电机Q0.7梨煤机电机（AD）Q1.0梨煤机电机 (BD)Q1.14#A皮带传动电机Q1.25#A皮带传动电机Q1.36#A皮带传动电机Q1.47#A皮带传动电机Q1.54#B皮带传动电机Q1.65#B皮带传动电机Q1.76#B皮带传动电机Q2.07#B皮带传动电机Q2.10#皮带传动

54、电机Q2.24.PLC控制系统I/O口连线图图 4.8 PLC控制系统I/O口连线图4.4 系统软件设计以下是系统软件设计分析：1. 系统软件控制： 系统软件控制分为两部分：卸煤部分和上煤部分。卸煤部分和上煤部分都有公共程序部以及自动手动控制部分。在这两部分控制中主要包括起动、停止、紧急停止和故障停止四个部分。系统的自动控制控制如下：（1）起动。起动时，为了避免在前段皮带上造成煤料堆积而造成事故，系统需要逆煤料的流动方向按一定时间间隔顺序起动，即先起动该段的最后一台皮带机活设备，经5s延时后，在依次延时起动该段的其它皮带机和设备。起动是时，先预警各设备，经60s的延时后才起动各设备。卸煤部分：

55、先起动3#皮带机，经5s延时，起动2#皮带机，经5s延时，起动1#皮带机，再经5s延时，起动料斗，完成卸煤部分的起动过程。 上煤部分：先起动0#皮带机，同时选择上煤路线，经5s延时，起动7#皮带机，经5s延时，起动6#皮带机，经5s延时，起动5#皮带机，经5s延时起动4#皮带机，再经5s延时，梨煤及起动，完成上煤部分的起动过程。（2）停止。停止是为了使运输皮带上不残留煤料而造成事故，系统要求顺煤料流动方向按一定时间间隔顺序停止，即先停止最前面一台皮带机或设备，待30s延时后，在依次停止其它皮带机或设备。卸煤部分：先停止料斗，经30s延时后，1#皮带机停止，经30s延时后2#皮带机停止，再经30s