PLC在玻璃棉生产线控制系统的应用

摘要针对玻璃棉生产过程的控制特点，选用SIEMENS S7-400软件冗余系统完成整个生产线自动控制系统的设计。

关键词：S7-400软件冗余PID算法

０ 前言

玻璃棉生产线由窑炉、成纤、固化炉及冷线成型等系统构成。整个生产工艺过程较为复杂。同时，因使用液化气和重油作为燃料，对安全的要求特别高，所以生产线对自动控制系统有很高的要求。此前，国内一般厂家都选用智能仪表控制系统，或引进国外的ＤＣＳ控制系统，性能价格比都不理想。我们针对其生产过程的控制特点，选用了ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７－４００软件冗余系统，投用以来，取得较好的控制效果。

１ 系统概况

１．１ 工艺特点

（１）玻璃棉生产兼有连续生产和批次生产的特点：窑炉生产（玻璃液烧熔）是一个连续、不可间断的过程，任何过程的中断都有可能造成不可预测的后果和损失，所以系统对控制的可靠性要求很高；而固化炉及冷线处理系统则只在出产品时运行。

（２）生产所用燃料是液化气和重油，必须严格控制燃料和助燃风的混合比例，任何比例失调都会造成工艺状况的不稳定，甚至会有爆炸的危险，所以系统对自控回路的精度要求很高。

（３）生产过程复杂，系统的检测、控制点及ＰＩＤ自控回路较多（见表１），而且整个系统的生产是一个高度关联的动态平衡过程，各ＰＩＤ回路之间关系密切而复杂，这对ＰＬＣ系统的性能和软件设计工作都提出了考验。

１．２ 系统结构

固化炉及冷线成型系统由设备厂家自带的ＰＬＣ系统控制（Ｓ７－３００ＰＬＣ和ＴＰ１７０Ａ），工艺信息送控制室显示。

控制的重点和难点是窑炉和成纤系统。根据上述的工艺特点，我们采用了ＣＰＵ和通讯模块的双冗余系统（见图１系统结构图）。

图１系统结构图
１．２．１ 网络构成

整个系统由两级网络构成：主站网和从站网。两台操作站（操作站１、操作站２）、一台工程师站、两台ＣＰＵ４１４、一台Ｓ７－３００组成主站网；五个现场站与ＣＰＵ４１４之间组成了从站网。

操作站及工程师站实质上没有任何差别，只是设置操作等级的限制，各站上的操作权限不一样。通过系统管理员的授权（密码控制）任何一个站都可实现其他两个站的所有功能。操作站、工程师站通过ＭＰＩ卡接入主站网。网络协议为ＰＲＯＦＩＢＵＳ，通讯速率最高可达１２Ｍｂｉｔ／ｓ，考虑到传输距离较远（约２００米），途中电磁干扰较严重，为保证通讯畅通，将通讯速率设置为１．５ Ｍｂｉｔ／ｓ。

两台ＣＰＵ４１４通过ＰＬＣ通讯模块（ＣＰ４４３）接入主站网，固化炉系统的ＣＰＵ３１４则通过ＣＰＵ上的ＤＰ口直接接入主站网。

现场站是连接ＰＬＣ系统和工业现场的接口，所有的输入／输出模块都安装在五个现场站上。每个现场站上都有两块通讯模块（１５３－２）分别接到两台ＣＰＵ４１４的ＤＰ口上，组成从站网，通讯协议为ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ，通讯速率为１２Ｍｂｉｔ／ｓ。

１．２．２ 系统冗余

为提高系统的可靠性，对控制系统的核心部分ＣＰＵ及ＰＬＣ通讯模块都采用了软件冗余技术，两套ＣＰＵ４１４处理器、电源模块、通讯控制模块（ＣＰ４４３）分别安装在两块冗余机架上，同时各Ｉ／Ｏ站上也都装有两块通讯处理模块（１５３－２）。正常工作时，两台ＣＰＵ一台为主，一台为从。主ＣＰＵ执行控制程序，并控制着对应的通讯模块，同时不断地将需要冗余备份的数据发往从ＣＰＵ；从ＣＰＵ则处于热备状态，不运行控制程序，只是不停地接受数据，同时判断其自身的运行状态。一旦主ＣＰＵ停止工作，从ＣＰＵ立即接过系统控制权，同时主从位置互换，完成无扰动切换。

２ 软件设计

２．１ 系统软件

ＰＬＣ系统软件选用ＳＴＥＰ７ Ｖ５．２软件包，对于系统中的逻辑控制选用梯形图（ＬＡＤＤＥＲ）编程，直观、方便；对于模拟量处理和ＰＩＤ回路控制部分则采用语句表（ＳＴＬ）编程，结构紧凑而又灵活。另外，为实现软件冗余，利用ＳＩＥＭＥＮＳ公司专门提供的冗余软件包，它实际上是一组系统功能块，供用户在程序中调用、设置，实现用户的软件冗余功能。

上位机软件选用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｗｉｎｃｃ Ｖ５．１组态软件。Ｗｉｎｃｃ功能强大，可方便快捷地组态出各种操作界面。开放式的数据库系统为用户提供了强大的数据管理功能。

２．２ 应用软件设计

根据该系统具体情况，软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：

（１） 软件冗余

（２） ＰＩＤ算法

（３） 安全措施

２．２．１ 软件冗余

（１） 在ＯＢ１００（热启动模块）中调用系统冗余软件包中的系统功能块ＦＣ１００，程序如下：

ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＳＴＡＲＴ″

ＡＧ＿ＫＥＮＮＵＮＧ ＝＇Ａ＇ ／／站名称

ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ＝ＤＢ１ ／／内部数据块

ＤＢ＿ＳＥＮＤ＿ＮＯ ＝ＤＢ２ ／／内部数据块

ＤＢ＿ＲＣＶ＿ＮＯ ＝ＤＢ３ ／／内部数据块

ＭＰＩ＿ＡＤＲ ＝３ ／／ＭＰＩ地址（由硬

件组态决定）

ＬＡＤＤＲ ＝８１８９ ／／ＣＰ地址（由硬件

组态决定）

ＶＥＲＢ＿ＩＤ ＝１ ／／连接号（由硬件

组态决定）

ＤＰ＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＳＹＳ＿ＩＤ＝１ ／／网络地址（由硬

件组态决定）

ＤＢ＿ＣＯＭ＿ＮＯ ＝ＤＢ５ ／／冗余工作数据块

ＤＰ＿ＫＯＭＭＵＮ ＝１ ／／ＤＰ—ＭＡＳＴＥＲ为ＣＰＵ

ＡＤＲ＿ＭＯＤＵＳ ＝１ ／／Ｉ／０地址连续

ＰＡＡ＿ＦＩＲＳＴ ＝０ ／／第一个输出字节地址

ＰＡＡ＿ＬＡＳＴ ＝３ ／／最后一个输出字节地址

ＭＢ＿ＮＯ ＝１０

ＭＢ＿ＬＥＮ ＝１０ ／／冗余的Ｍ存储区Ｍ１０

－Ｍ１９ 共１０字节

ＩＥＣ＿ＮＯ ＝０

ＩＥＣ＿ＬＥＮ ＝０

ＤＢ＿ＮＯ ＝６

ＤＢ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ＝５０ ／／冗余的ＤＢ存储区ＤＢ６

－ＤＢ５５ 共５５个

ＳＬＡＶＥ＿ＮＯ ＝３ ／／第一个从站地址

ＳＬＡＶＥ＿ＬＥＮ ＝５ ／／５个从站

ＳＬＡＶＥ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ ＝１

ＤＢ＿Ａ＿Ｂ＿ＮＯ ＝ＤＢ２５５

ＤＢ＿Ａ＿Ｂ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ＝Ｗ＃１６＃０

ＤＢ＿Ｂ＿Ａ＿ＮＯ ＝ＤＢ２５６

ＤＢ＿Ｂ＿Ａ＿ＮＯ＿ＬＥＮ ＝Ｗ＃１６＃０

ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ＝ＭＷ１００ ／／返回状态字

ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ＝ＭＷ１０２ ／／信息输出字

该段程序设置了软件冗余的基本信息，其中包括硬件信息、冗余备份数据的范围等。根据实际需要，这里设定了Ｍ１０－Ｍ１９、ＤＢ６－ＤＢ５５为备份数据区。ＯＢ１００在上电时运行一次，完成上述冗余约定。这里特别要注意的是备份数据的地址必须是连续的，否则程序将不作处理。

（２） 在ＯＢ１中调用系统功能块ＦＢ１０１。程序如下：

ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＺＹＫ″  ＤＢ５ ／／调用ＦＢ１０１

ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ＝ＤＢ１ ／／内部数据块

ＣＡＬＬ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＝ＴＲＵＥ

ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ＝ＭＷ１１０ ／／返回状态字

ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ＝ＭＷ１１２

Ａ ＤＢ５．ＤＢＸ ９．１ ／／冗余状态位，

判断是否为从站

ＪＣ Ｍ００１

ＣＡＬＬ ＦＣ ５０ ＦＣ５０调用所有的控制程序

Ｍ００１ ＮＯＰ ０

ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＺＹＫ″  ＤＢ５

ＤＢ＿ＷＯＲＫ＿ＮＯ ＝ＤＢ１

ＣＡＬＬ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＝ＦＡＬＳＥ ／／传送结束

ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ＝ＭＷ１１４

ＥＸＴ＿ＩＮＦＯ ＝ＭＷ１１６

这段程序用来发送、接受冗余数据，同时判断ＣＰＵ是否为主（ＭＡＳＴＥＲ）状态（ＤＢ５．ＤＢＸ ９．１为ＦＡＬＳＥ表示ＣＰＵ为主ＣＰＵ），如果不是，则不执行监控程序（ＦＣ５０）。

（３） 在ＯＢ８６中调用冗余诊断程序，程序如下：

ＣＡＬＬ ″ＳＷＲ＿ＤＩＡＧ″

ＤＢ＿ＷＯＲＫ ＝Ｗ＃１６＃１

ＯＢ８６＿ＥＶ＿ＣＬＡＳＳ ＝＃ＯＢ８６＿ＥＶ＿ＣＬＡＳＳ

ＯＢ８６＿ＦＬＴ＿ＩＤ ＝＃ＯＢ８６＿ＦＬＴ＿ＩＤ

ＲＥＴＵＲＮ＿ＶＡＬ ＝ＭＷ１３０

这段程序用来诊断从站的故障信息，如有问题将切换从站通讯模块。

（４） ＷＩＮＣＣ中的每个外部变量都连接着ＣＰＵ中的一个地址，当两台ＣＰＵ切换时，这些连接地址也要同时切换。ＷＩＮＣＣ提供了动态向导，可自动产生相关的变量和全局脚本，实现上述转换。

２．２．２ ＰＩＤ算法

ＳＴＥＰ７提供了两种常用的ＰＩＤ算法：连续型ＰＩＤ（ＦＢ４１）和离散型ＰＩＤ（ＦＢ４２），根据实际要求，选用的是ＦＢ４１其原理图如图２。

ＰＩＤ算法的输出实际上是比例（Ｐ）、积分（Ｉ）、微分（Ｄ）三部分作用之和：Ｍｎ＝ＭＰｎ＋ＭＩｎ＋ＭＤｎ

ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）

ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ  ＴＳ／ ＴＩ（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）＋ ＭＸ

ＭＤｎ