冗余PLC控制技术在制氢系统中的应用

2021-05-26王云刚

山西冶金 2021年2期

王云刚

（山西汾西重工有限责任公司，山西太原030027）

现有两套制氢装置，分别是2007年投运的旧制氢系统和2009年投运的新制氢系统。两套装置的控制系统均为西门子S7-300软冗余PLC+ET200M架构，随着时间的推移，控制系统主机性能下降，运行期间暴露出的一些问题，给正常生产带来一定的安全隐患；同时存在问题还包括新制氢系统中控制的4套压缩机、100#设备属两套制氢系统公用部分，存在集中控制风险等问题。新制氢系统如果发生故障、停电或检修，将造成整个制氢控制系统停机，影响生产的有序运行。鉴于此，基于目前运行设备基础和生产工艺，针对控制系统存在的问题，设计一套整体解决方案，以满足生产运行要求。

1 控制系统网络架构及软硬件构成

冗余系统原理及实现的功能：冗余系统采用两套CPU模块，一套为主处理器，另外一套为从处理器。系统运行正常时，由主处理器执行程序，同时对现场设备进行控制，而从处理器监测主处理器状态。当主CPU出现故障时，从CPU立即接管对设备的控制，继续执行程序，如此完美实现对系统的冗余控制。此次选用相同的两套冗余控制器，分别对应新旧制氢两套系统。图1为控制系统网络架构。

硬件部分：新、旧控制系统分别增加一套S7-412H冗余PLC主机，用硬冗余替代原S7-300 PLC软冗余；在旧制氢装置控制系统中新增两套ET200M远程站。

软件部分：在新制氢装置控制系统中删除迁移的2台压缩机控制程序，降低CPU负载率；在旧制氢装置控制系统中增加迁入的2台压缩机控制程序；修改旧制氢装置控制系统硬件配置及软件地址，使之适配新控制程序要求；完善监控软件，在保留原监控系统功能同时，实现对4台压缩机及100#站的运行控制。

图1 控制系统网络架构图

网络部分：增加新、旧装置PROFIBUS-DP网络链路；设计网络切换装置及通讯接口；新增工业以太网业网络交换机，用于4台操作员站与冗余CPU通讯。

计算机部分：4台操作员站保留目前设备操控功能；4台操作站具备压缩机组、100#设备监控功能；4台操作员站间互为备用。

2 设计思想和技术方案

2.1 设计思想

基于目前运行设备基础和生产工艺，新系统设计用硬件冗余替代原系统软件冗余控制总体思路。在设备控制方面，将压缩机设备集中控制分解为新、旧装置分散控制；在运行风险控制方面，新系统的ET200M远程站可通过DP总线切换，连接至旧系统远程子站，在旧系统中实现对4台压缩机及100#设备控制，进一步降低系统运行风险，实现新系统升级改造。

2.2 具体技术方案

在旧控制系统中增加ET200M远程站，将新制氢装置控制系统中的两台压缩机I/O控制信号迁移到新增的ET200M远程站；系统正常运行时，新系统控制2台压缩机及100#设备，旧系统控制另外2台压缩机，新、旧制氢装置独立运行。当新系统检修或故障停机时，通过DP网路中继器进行切换（需人工操作），旧制氢装置作为主机连接新系统中所有ET200M远程站，在旧系统中完成对4台压缩机及100#设备的控制。

新旧制氢装置分别控制2台压缩机，大大降低了因新控制系统故障造成的全线停产风险；新、旧控制系统均可实现对100#设备的控制功能，确保公用系统生产顺行。

3 控制系统主要功能配置

3.1 冗余系统配置

硬件组态：打开STEP7软件，双击“SIMATIC Manager”图标，新建S7-400H单项目，在项目中插入“SIMATIC H Station”，然后双击“Hardware”组态硬件，根据控制系统现场机架、电源、CPU单元、数字量模板、模拟量模板以及同步模板，进行添加组态。同理，以相同的方式进行冗余CPU的硬件组态。需要注意通讯模块CP443的设置，创建并选择“Ethernet（1）”，选中“Set MAC address/use ISO protocol”，并且需要设置该网卡的MAC地址（见图2）。