刘凌夫

（大连重工机电设备成套有限公司工程技术设计院，辽宁大连，116013）

0 引言

工业硅作为整个硅产业的基础原材料，用途十分广泛，主要用于冶金、化工、电子等行业。近年来，随着工业发展对工业硅需求的增加，我国工业硅产量逐年增长。工业硅电炉自动化控制系统广泛使用可编程逻辑控制器（PLC）作为控制器。日常冶炼过程中，CPU组件故障、硬件故障或软件错误导致的CPU故障、从站接口模块故障或总线电缆断线等故障会导致控制系统PLC停机，电炉冶炼过程停止，造成极大的经济损失。为提高控制系统的可靠性，使用西门子S7-400H冗余控制系统。当系统出现故障时，可以将出现故障的系统切换到另一个备用系统上以保持控制系统继续运行，大幅提高了控制系统的可靠性。

1 S7-400H冗余系统概述

■1.1 系统简介

S7-400H是西门子采用冗余配置的容错自动化系统，满足高度可靠性的要求，适用于重新启动成本较高、停产代价高昂以及仅需要很少监控和维护的应用。S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余性原理[1]，无故障时两个子系统都处于运行状态，发生故障时正常运行的控制器就会接管并继续进行过程控制。

■1.2 系统结构

冗余系统的主要组件如CPU、电源模块和CPU之间连接的硬件都是双重的。系统主要由2个H-CPU、2根同步光纤、4个同步模块、2个电源模块、分布式I/O设备ET200M、交换机和工控机组成。冗余系统主站由两个子系统[2]组成，安装在一个UR2-H机架内，每个子系统配置一个CPU和一个电源模块。每个CPU有两个同步模块，两个CPU每对同步模块通过一根同步光纤连接。ET200M通过冗余PROFIBUS与两个子系统的CPU进行通信。只有一个PROFIBUS DP接口的设备可通过Y Link作为切换式外设[3]连接至冗余系统。每台工控机上配置西门子以太网卡，通过工业以太网交换机与S7-400H PLC进行通信。

■1.3 系统主要功能

冗余系统的主要功能包括CPU数据通讯、事件同步、故障响应、自检等。为了确保无扰动切换，需要CPU链路之间快速可靠的数据交换与同步。两个CPU自动接收相同的用户程序、相同的数据块、过程映像和相同的内部输入，同步更新CPU数据[1]。当两个CPU的内部状态不同时，例如在直接I/O访问、中断、报警和用户定时器更新时，就会进行同步操作[1]。系统自检包括CPU之间的连接、CPU模块、处理器和存储器等。在启动时，每个子系统都进行全面自检。整个自检过程分布于几个循环周期中，对CPU施加的负荷较小[1]。

2 电炉主要设备与工艺简介

工业硅在电炉内以硅石为矿石，碳质原料为还原剂，采用连续性生产方式冶炼制得。工业硅电炉主要由炉体、炉体旋转系统、电极系统、烟罩、烟气导出装置、电炉短网、加料系统、空气注入系统、液压系统、水冷系统、炉底冷却系统、炉前设备和电炉变压器组成。加料系统向电炉内补给炉料，料仓炉料通过料管进入炉内。短网将电炉变压器低压侧输出的冶炼所需的大电流传导入炉内。电流以通过电极、炉料、电极三角回路产生的电阻热和通过电极、电弧、熔池星型回路产生的电弧热两种方式产生热量，进行工业硅的冶炼。冶炼过程中，炉体旋转有利于松动炉料，增加透气性，扩大坩埚区，减少捣炉操作，延长炉衬使用寿命。烟罩收集烟气，通过烟气导出装置导出。空气注入系统为电炉内部注入空气，使电炉内部一氧化碳完全燃烧。注入的空气对电极、炉门、料管密封，防止逸尘及一氧化碳上浮。液压系统是电极升降、压放和把持器等液压执行器的动力源。水冷系统对处于高温条件下工作的烟罩、短网、水冷电缆、铜瓦、底部环和保护屏等设备进行冷却。工业硅冶炼温度较高，由于热传导，炉底温度也会很高，炉底冷却风机适时对炉底进行冷却。炉前设备主要由炉前排烟系统和烧穿系统组成。烧穿系统的烧穿母线将烧穿动力电传导至烧穿器，用于打开出硅口。炉前排烟系统的集烟罩收集出炉烟尘，烟尘由排烟风机通过烟道引至除尘袋室。

3 系统网络架构

根据工业硅电炉工艺控制需求，整个冗余系统网络架构按功能分为三层，从上至下分别为监控层、控制层和现场层。现场层主要设备是分布式I/O从站，从站基本配置包括通讯接口模块、各种I/O信号模块、通讯模块和功能模块。现场层采集车间各层设备仪表数据并上传至控制层，接收控制层指令控制各层电机、阀门等执行机构。控制层主要设备是电炉主站两个中央控制器，是实现系统冗余和电炉控制的关键。控制层是监控层与现场层之间的枢纽，与监控层通信并接收监控层的命令，对现场层设备进行控制。监控层主要由操作员站、工程师站和打印机组成。操作员站采集监视生产数据，控制设备运行，具有故障报警、数据归档、报表生成等功能。工程师站主要用于软件组态编程、下载调试和系统诊断。系统网络架构如图1所示。

图1 系统网络架构

4 系统硬件配置

工业硅电炉S7-400H冗余系统的CPU选用412-5H PN/DP CPU，电源模块选用10A 407电源模块。分布式ET200M I/O设备使用S7-300 PLC的信号模块、功能模块和通讯模块进行扩展。切换式配置的冗余系统每个ET200M从站使用两个153-2接口模块，Y Link包含两个153-2接口模块和一个Y型耦合器。工业硅电炉常用的信号模块包括32×24VDC数字量输入模块、32×24VDC 0.5A数字量输出模块、8×12Bit模拟量输入模块、8×12Bit模拟量输出模块等。通过配置有源背板总线模块，ET200M从站模块支持带电热插拔功能。每台工控机上配置西门子CP1623以太网卡。

5 系统软件设计

■5.1 PLC编程

使用西门子STEP 7组态软件编写工业硅电炉冗余系统PLC程序，PLC编程主要包括硬件组态、网络组态和程序编写。

5.1.1 硬件组态

STEP 7组态软件中新建项目，插入一个“SIMATIC H Station”。在硬件组态界面中添加UR2-H机架，插入10A 407电源和412-5H PN/DP CPU并设定CPU的PROFIBUS等参数。在冗余PROFIBUS上插入ET200M站，在ET200M站上添加SM300 I/O模块并设定模块的输入/输出地址等参数。在冗余PROFIBUS上插入DP Link站，在该站非冗余PROFIBUS上添加只有一个PROFIBUS DP接口的设备。SIMATIC H Station硬件组态如图2所示。

图2 SIMATIC H Station硬件组态

在项目中插入“SIMATIC PC Station”。在硬件组态界面的PC Station中插入Application和CP1623并设定CP1623的以太网等参数。在STEP 7界面的PC站的操作员站属性中设置WinCC项目在操作员站的存储路径。配置PC站，确认目标工控机名称与本地网络连接。

5.1.2 网络组态

在网络组态界面中，为操作员站插入与SIMATIC H Station的S7容错连接。系统网络组态如图3所示。

图3 系统网络组态

5.1.3 程序编写

工业硅电炉PLC程序主要由组织块OB、功能块FB、功能FC、数据块DB、系统功能块SFB和系统功能SFC组成。组织块包括主程序扫描组织块OB1和各类中断组织块。中断组织块中包括与冗余功能有关的块，例如OB70（I/O冗余故障）和OB72（CPU冗余故障）。工业硅电炉程序复杂，采用结构化编程[4]方法，将电炉程序内容按电炉设备分类，在各类设备功能块、功能和共享数据块中根据工艺控制要求编写该类设备程序和数据。同类多个设备的控制使用功能块的多重实例。在该类设备功能块或功能中通过一个功能块控制多个相同设备，每个设备的数据保存在一个或多个背景数据块中。除了自己编程外，使用CPU提供的可在用户程序中调用的预编程系统功能块和功能。

工业硅电炉程序主要功能包括电极位置自动调节、电极消耗补充、电炉自动求料上料、烟罩炉门与料管闸阀遥控开关、烟道钟罩阀开关、炉底冷却、炉体旋转、液压系统设备启停、与除尘系统等其它工段通信交换数据等。

■5.2 上位机软件组态

使用西门子WinCC V7组态软件进行工业硅电炉冗余系统上位机软件组态，软件组态主要包括通信与变量组态、画面组态、过程值归档组态、报警组态和报表组态。

图4 电炉主画面

图5 电极画面

PLC程序硬件组态时，在PC站的操作员站属性中设置WinCC项目在操作员站的存储路径并编译PC站后，在WinCC项目“命名连接”通道下生成一个名为“S7$Program”的连接。工业硅电炉WinCC项目变量数量较多，将变量按设备分组，便于变量的查找。在WinCC用户管理器中为用户分配WinCC功能的访问权限，用户需在起始画面登录后再进入操作画面，确保电炉生产操作安全可靠。电炉操作画面包括电炉主画面、电炉变压器画面、电极画面、水分配器画面、液压系统画面、历史趋势画面、报警信息画面等。通过操作画面菜单栏上的按钮，可将当前操作画面切换至其它画面。操作画面实时显示工艺流程、系统设备运行状态、仪表参数和冶炼数据历史变化趋势等信息。用户通过操作画面设置系统设备运行参数，控制系统设备运行。电炉主画面、电极画面和水分配器画面如图4～图6所示。使用 WinCC过程值归档功能，采集和归档电炉冶炼的过程数据。过程数据保存在归档数据库中，为 WinCC项目的趋势和报表提供历史数据。使用 WinCC消息系统功能，在报警记录界面中实时显示系统设备的报警和故障等信息，并将这些信息归档。在消息系统中将“电炉波纹管压力低”、“液压系统压力低”等重要消息单独创建消息等级，并分配录制的语音文件，可在消息到达时直接语音告知操作员报警的内容。使用WinCC自带的DataMonitor选件，定时以Microsoft Excel文件形式生成并发布电炉冶炼历史数据报表。

图6 水分配器画面

6 结语

本文通过建立系统网络架构，配置系统硬件，编写PLC程序，组态上位机软件，详细阐述了西门子S7-400H冗余系统在工业硅电炉中的应用。现场运行结果表明，该系统功能完善，安全稳定，操作维护方便，减少了工人的工作量和劳动强度，降低了企业的人力成本，最大限度释放机械设备的生产能力，提高了生产效率。该系统使控制系统的可靠性大大增强，保证了整个电炉冶炼过程的连续性，有效减少了因控制系统故障停炉造成的重大经济损失，提高了企业的经济效益。