引言

上海巴斯夫熱塑性聚氨酯裝置建于2005年,生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯(簡(jiǎn)稱TPU)在鞋材、汽車、管材、電纜電線等方面有大量廣泛的應(yīng)用。該裝置共有三條生產(chǎn)線一兩條帶式機(jī)產(chǎn)線和一條REx產(chǎn)線,年生產(chǎn)量達(dá)2900t以上,是國(guó)內(nèi)TPU供應(yīng)的主要來(lái)源。

由于該裝置屬于中小型批次生產(chǎn)的精細(xì)化工類型,所以控制系統(tǒng)采用西門子PLC-STEP7,主要應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線配置,包含Profibus-DP和PA以及AS-Interface總線?，F(xiàn)場(chǎng)急停聯(lián)鎖通過(guò)Pilz安全PLC控制,安全儀表系統(tǒng)SIS采用德國(guó)HIMA安全PLC,現(xiàn)場(chǎng)眾多設(shè)備及安全PLC均是通過(guò)Profibus-DP連接通信。監(jiān)控操作站采用iFix組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。

1Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇

1.1現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)采用單對(duì)單的接線方式,采集儀表設(shè)備的電流或電壓模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量和控制,雖然信號(hào)比較穩(wěn)定可靠,但隨著化工行業(yè)的逐步擴(kuò)大、儀表設(shè)備的多樣性發(fā)展,傳統(tǒng)接線方式已無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備之間及系統(tǒng)和外界的數(shù)據(jù)交換,一般只適用于大型化工企業(yè)。中小型化工企業(yè),特別是精細(xì)化工,更加追求的是數(shù)據(jù)通信的兼容性、開放性和經(jīng)濟(jì)性。所以,一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間數(shù)字式和多點(diǎn)通信的串行數(shù)據(jù)總線近年來(lái)被廣泛應(yīng)用,這就是現(xiàn)場(chǎng)總線。

現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生,使現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立的、多樣化數(shù)字式的單臺(tái)智能設(shè)備可以通過(guò)數(shù)字通信總線相連,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,從而完成控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的監(jiān)視和控制。

1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的選用原則

國(guó)內(nèi)的大型化工企業(yè)均為連續(xù)性過(guò)程控制,目前還是以DCS為主,多為模擬量控制回路,采用現(xiàn)場(chǎng)總線的情況一種是作為現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的鏈路接入,此時(shí)可根據(jù)設(shè)備選擇總線方式:一種情況是作為DCS的遠(yuǎn)程通信擴(kuò)展,此時(shí)可以選擇Profibus-DP或AS-I總線:還有一種情況是僅僅對(duì)模擬量的回路進(jìn)行控制,不用于聯(lián)鎖和復(fù)雜控制,可以選用Profibus-PA或FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線H1。

對(duì)于離散和批次生產(chǎn)的中小型化工企業(yè),大多是選用PLC系統(tǒng),一般均采用Profibus總線,特別是西門子的STEP7應(yīng)用更為廣泛。

本裝置屬于批次化工生產(chǎn)裝置,設(shè)計(jì)初期考慮控制系統(tǒng)通信方式如下:

(1)控制系統(tǒng)是西門子的PLCSTEP7,所以Profibus-DP成為了總線通信的首選。

(2)考慮到現(xiàn)場(chǎng)到機(jī)柜間距離較遠(yuǎn),選用現(xiàn)場(chǎng)總線可以大大節(jié)省電纜的鋪設(shè)費(fèi)用。

(3)現(xiàn)場(chǎng)的通信協(xié)議較多,從4~20mA信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào),以及AS-I模擬量信號(hào),用Profibus信號(hào)通信最為方便。

(4)每條生產(chǎn)線的工藝單元分為六大部分,其中緊停安全PLC、調(diào)節(jié)閥定位器、變頻器、熱油加熱器以及干燥器等均是通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線連入PLC控制系統(tǒng)。Profibus總線分配表如表1所示。

(5)單臺(tái)設(shè)備的故障信息需要傳送到PLC進(jìn)行報(bào)警分析,所以需要總線通信。

(6)使用Profibus-PA協(xié)議,可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接在同一條PA總線上。由于Profibus-DP是高速低成本通信,用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)和分散I/0的連接,所以不僅各條PA總線可通過(guò)Profibus-DP擴(kuò)展串行連接,同時(shí)還能連接不同廠家的可調(diào)試設(shè)備,傳輸通信中詳細(xì)包含單臺(tái)設(shè)備的地址和功能行為,具體如圖1所示。

基于以上設(shè)計(jì)考慮,本生產(chǎn)裝置最終確定由西門子STEP7PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)過(guò)程控制監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)的各類常規(guī)儀表通過(guò)Profibus-PA采集,部分儀表通過(guò)AS-I通信,緊停PLC采用Pilz實(shí)現(xiàn),安全儀表系統(tǒng)采用HIMA安全PLC,通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線采集數(shù)據(jù)到STEP7。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)報(bào)警管理和歷史數(shù)據(jù)管理,形成管控一體化,達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)和持續(xù)改進(jìn)的目的。

2控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1控制系統(tǒng)配置

如圖2所示,本裝置PLC系統(tǒng)硬件配置23臺(tái)電腦,其中1臺(tái)移動(dòng)式ES工程師站、6臺(tái)SCADA監(jiān)控站、14臺(tái)VIEW操作員站、2臺(tái)數(shù)據(jù)SERVER機(jī)。功能分配如下:

(1)ES工程師站:用于PLC組態(tài)編程修改、下裝,現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控等。

(2)SCADA:用于iFix組態(tài)修改編程、流程圖繪制、歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)增刪等。

(3)VIEW操作員站:用于監(jiān)控操作,分為班長(zhǎng)和操作員級(jí)別。

(4)SERVER機(jī):用于存儲(chǔ)各條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù),可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警的采集和分析。

(5)現(xiàn)場(chǎng)控制層:PLC通過(guò)Profibus總線將各類儀表、SIS系統(tǒng)連接起來(lái)。

2.2現(xiàn)場(chǎng)總線配置

以其中一條REx生產(chǎn)線為例,共有6根總線通過(guò)Profibus-DP將現(xiàn)場(chǎng)的眾多設(shè)備連接起來(lái),包括Single加熱器、干燥機(jī)、Pilz安全PLC和HIMA安全儀表系統(tǒng),下層通過(guò)Profibus-PA連接模擬量信號(hào)的溫度、壓力、流量傳感器以及總線定位器,同時(shí)接有AS-I通信的傳感器。其中一根總線上有多達(dá)47臺(tái)設(shè)備,具體如圖3所示。

每塊西門子S7CP443-5通信卡上連接一根總線,本裝置的總線上的通信耦合器主要包括如下兩類:

(1)DP/PA耦合器:實(shí)現(xiàn)PA和DP的轉(zhuǎn)換,采集現(xiàn)場(chǎng)的PA儀表數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

(2)ASI-DP網(wǎng)關(guān):實(shí)現(xiàn)ASI和DP的轉(zhuǎn)換,將現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)的AS-I設(shè)備轉(zhuǎn)換成DP信號(hào)。

不同于DCS即插即用的設(shè)備,Profibus的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能自動(dòng)分配地址,所以需要事先在硬件組態(tài)中和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上編訂好DP地址,從而實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備的連接訪問(wèn)。DP總線下的PA設(shè)備和AS-I設(shè)備也需要進(jìn)行PA地址撥碼,不同的DP總線上的地址可以重復(fù)。

包含測(cè)量信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳輸?shù)絇LC后,由主控卡進(jìn)行處理,采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在SCADA站中,VIEW操作站從SCADA中進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互:兩臺(tái)SERVER站從SCADA收集數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,內(nèi)有數(shù)據(jù)處理應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的保存和回溯,并可對(duì)報(bào)警進(jìn)行記錄篩選,可用于報(bào)警管理先進(jìn)控制,逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的優(yōu)化和改進(jìn)。

3Profibus在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

雖然現(xiàn)場(chǎng)總線是今后發(fā)展的趨勢(shì),但想完全取代DCS目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn),更多的是DCS和現(xiàn)場(chǎng)總線的融合使用。筆者使用和維護(hù)過(guò)TPS、DeltaV、浙大中控ECS-100以及西門子PCS7等DCS系統(tǒng),雖然DCS和PLC本身就不具有可比性,但僅從數(shù)據(jù)通信來(lái)說(shuō),個(gè)人認(rèn)為PLC的Profibus通信更加脆弱,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致PLCSToP的現(xiàn)象,下面以兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1DP通信故障導(dǎo)致PLCSTOP

本裝置曾發(fā)生過(guò)因?yàn)镻rofibusDP通信接頭接觸不良短時(shí)間內(nèi)頻繁報(bào)警,最終致使PLCSToP,導(dǎo)致全線停車的故障。當(dāng)時(shí)首先恢復(fù)PLC到正常運(yùn)行階段,采用逐點(diǎn)斷站的方式找出引起整條線故障的DP從站,確定故障點(diǎn)后,更換接觸不良的DP通信接頭,恢復(fù)生產(chǎn)。

事后,經(jīng)分析PLCCPU狀態(tài)和報(bào)警記錄發(fā)現(xiàn),CPU的負(fù)荷并沒(méi)有超出高限,排除了因?yàn)镃PU負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致處理終端停止運(yùn)行的可能性:隨后對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)是由于某個(gè)從站的DP通信頻繁報(bào)警,導(dǎo)致CPU的診斷信息記錄被報(bào)警信息占滿,使得CPU頻繁對(duì)該站進(jìn)行訪問(wèn)分析,耗用了大量的掃描時(shí)間,如圖4所示。

對(duì)CPU在線診斷中檢查發(fā)現(xiàn)CPU的ScanMonitoringTime設(shè)置為150mS,而當(dāng)前CPU的ScanTime最大時(shí)間曾經(jīng)達(dá)到過(guò)169mS,大于設(shè)定值,如圖5所示。西門子S7PLC的CPU實(shí)際掃描時(shí)間會(huì)因?yàn)榛芈返臓顟B(tài)產(chǎn)生變化,如果CPU診斷時(shí)因外部原因造成的診斷中斷較多,相應(yīng)CPU的掃描時(shí)間也會(huì)增加。依據(jù)西門子手冊(cè)描述:"IftheScancycletimeexceedStheScanmonitoringtime,theCPUenterStheSToPmode",故分析認(rèn)為是CPU診斷中斷短時(shí)間內(nèi)劇增,使得CPU的掃描時(shí)間延長(zhǎng),超過(guò)了系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間,最終導(dǎo)致CPUSToP,致使整條生產(chǎn)線停車。

為了防止此類故障再次發(fā)生,依照西門子廠家建議,擴(kuò)大了每條線PLC的CPU掃描診斷時(shí)間,將150mS的掃描周期擴(kuò)展為2000mS,增加系統(tǒng)掃描中斷的容錯(cuò)性。同時(shí)對(duì)ProfibusDP總線上的DP通信接頭進(jìn)行計(jì)劃性更換,并對(duì)每個(gè)通信接頭的屏蔽進(jìn)行檢查,避免因通信接頭原因?qū)е峦ㄐ排及l(fā)性故障產(chǎn)生。

3.2伺服電機(jī)DP總線干擾故障

正常生產(chǎn)的模具線,突然出現(xiàn)Profibus一DP頻繁掉線報(bào)警,無(wú)法正常運(yùn)行。排除現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中樞節(jié)點(diǎn)0DT模塊和DP通信接頭的硬件故障:檢查內(nèi)存容量,排除內(nèi)存飽和引起中斷的可能:檢查CPU網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中DP連接重試次數(shù),之前該生產(chǎn)線曾發(fā)生過(guò)類似故障,在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下,對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置DP連接重試次數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展,從2次擴(kuò)為7次。

DP連接重試次數(shù)指DP通信故障發(fā)生時(shí),如果連續(xù)兩個(gè)周期都無(wú)法連接,則系統(tǒng)認(rèn)為通信中斷,會(huì)自動(dòng)報(bào)警聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)通信故障,造成停車。但現(xiàn)在該嘗試重試值已經(jīng)為最大值7,依然報(bào)網(wǎng)絡(luò)通信的故障,便可判斷應(yīng)為通信故障始終存在,無(wú)法用軟件兼容進(jìn)行修正。最后認(rèn)為是該故障總線上的通信與其他設(shè)備通信鏈路有干擾,需改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的拓?fù)浞绞?如圖6所示。

將原來(lái)的鏈路從通信卡后的0BT上改入新增加的通信卡上,直接創(chuàng)建一條新的通信總線,不和之前的部分電機(jī)變頻器共享同一網(wǎng)段,杜絕了網(wǎng)段上的信號(hào)干擾。硬件改變后,下裝組態(tài)程序,故障解決。

本裝置類似這種因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到Profibus通信的干擾等情況,導(dǎo)致在運(yùn)行一段時(shí)間后,需要重新對(duì)硬件架構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)的情況偶有發(fā)生,由于排查有一定難度,且需要控制系統(tǒng)廠家工程師現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),對(duì)生產(chǎn)的日常正常維護(hù)造成了一定的困難。

4結(jié)語(yǔ)

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟,在不同的化工企業(yè)中都有所應(yīng)用,但要想充分體現(xiàn)總線比傳統(tǒng)DCS的優(yōu)越性,就必須嚴(yán)格按照總線的設(shè)計(jì)原則和選用條件,嚴(yán)謹(jǐn)施工,注意從通信、屏蔽接地到現(xiàn)場(chǎng)各種可能性干擾的預(yù)防,避免出現(xiàn)因?yàn)橥ㄐ鸥蓴_而造成查無(wú)頭緒、不知從何下手的故障。這就要求我們系統(tǒng)維護(hù)人員對(duì)于初期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、中期的現(xiàn)場(chǎng)施工、后期的調(diào)試聯(lián)校都需要參與并給出有參考價(jià)值的意見,真正為裝置穩(wěn)定生產(chǎn)保駕護(hù)航。