探析S7-1515R PLC冗余控制系統(tǒng)設(shè)計范文
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［摘要］針對瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)冗余控制的需求，介紹了西門子S7-1500R/H冗余系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、工作原理、技術(shù)事項等情況，描述了采用S7-1515R控制器的軟件組態(tài)步驟和注意事項，設(shè)計了具備冗余控制功能的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)。
［關(guān)鍵詞］瓦斯抽采監(jiān)控；西門子S7-1500R/H冗余系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；軟件組態(tài)
0引言
為提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，國家出臺了相關(guān)政策，要求煤與瓦斯突出礦井以及高瓦斯礦井必須建立地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)或井下臨時瓦斯抽采系統(tǒng)，并安裝瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)［1］。部分礦井由于地質(zhì)條件復(fù)雜瓦斯涌出量大，一旦抽采系統(tǒng)異常停機，將嚴(yán)重威脅礦井和人員安全，因此控制功能的可靠性是抽采監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。基于此，本文設(shè)計了一種基于S7-1515Rplc的具備冗余功能的控制系統(tǒng)。1冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理目前，西門子公司的S7-1500系列PLC的冗余控制系統(tǒng)主要分為S7-1500R和S7-1500H2類。該系統(tǒng)CPU為冗余，2臺CPU并行處理相同的項目數(shù)據(jù)和相同的用戶程序［2］。2臺CPU通過冗余連接進行同步，如果其中1臺CPU出現(xiàn)故障，另外1臺CPU將快速接替。S7-1500R和S7-1500H系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、組態(tài)限值等性能上均有所不同。
1.1S7-1500R介紹
S7-1500R系統(tǒng)中的冗余連接是支持介質(zhì)冗余協(xié)議（MRP）的PROFINET環(huán)網(wǎng)，2臺CPU除了通過環(huán)網(wǎng)互聯(lián)外，還使用PROFINET電纜連接，以保證環(huán)網(wǎng)中斷時仍能繼續(xù)相關(guān)通信。系統(tǒng)中任意1臺CPU故障都不會影響控制系統(tǒng)運行，由于采用PROFINET環(huán)網(wǎng)，任意1根PROFINET電纜發(fā)生故障不會導(dǎo)致控制系統(tǒng)停止，有效提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。S7-1500R冗余系統(tǒng)的2臺CPU使用了PROFINET電纜連接，因此電纜的部分帶寬用于進行同步，這一部分帶寬不能用于IO設(shè)備通信，2臺CPU的切換時間在200~500ms，S7-1500R冗余系統(tǒng)適用于數(shù)據(jù)交互速度要求不高的場所。
1.2S7-1500H介紹
S7-1500H冗余系統(tǒng)利用2臺CPU組建閉合的PROFINET環(huán)網(wǎng)，而2臺CPU使用2根雙工光纖電纜通過同步模塊組建環(huán)網(wǎng)，將CPU直接連接在一起。CPU之間的冗余連接與PROFINET環(huán)網(wǎng)分開，因此同步不影響PROFINET電纜上的帶寬，2臺CPU切換時間＜100ms，S7-1500H冗余系統(tǒng)適用于時間要求較高的控制系統(tǒng)中。目前S7-1500冗余CPU主要有CPU1513R、CPU1515R和CPU1517H3種，其中CPU1513R和CPU1515R適合中小型項目應(yīng)用，CPU1517H適合大型項目應(yīng)用。
1.3主要技術(shù)事項
（1）S7-1500冗余CPU不支持系統(tǒng)電源（PS）模塊、通信模塊、IO模塊、工藝模塊在本地機架的擴展組態(tài)，可安裝負(fù)載電源（PM）為PLC供電［3］。
（2）當(dāng)分布式IO設(shè)備使用負(fù)載電源（PM）或者其它DC24V供電時，IM155-5向背板總線供電，但其功率有限且最大只能連接12個模塊。如模塊數(shù)量超出12個，需要增加系統(tǒng)電源（PS）。
（3）S7-1500冗余CPU可通過PROFINET擴展支持PROFINET系統(tǒng)冗余（SR）NAPS2冗余協(xié)議的IO設(shè)備，選擇分布式IO設(shè)備時需要明確支持NAPS2冗余協(xié)議，如：ET200MPIM155-5PNHF（6ES7155-5AA00-0AC0）。
（4）MRP環(huán)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要支持MRP和H-sync轉(zhuǎn)發(fā)，H-sync轉(zhuǎn)發(fā)功能用于MRP環(huán)網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)主備PLC之間的同步數(shù)據(jù)。（5）不支持MRP的PROFINET設(shè)備，如需接入系統(tǒng)須通過交換機與環(huán)網(wǎng)進行分隔。
2.1系統(tǒng)主要功能需求
瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對瓦斯抽采泵、電動閥門、冷卻塔、通風(fēng)機等設(shè)備的集中控制和閥門開度值的采集；控制系統(tǒng)采用硬件冗余設(shè)計，如果1臺CPU失效，備用CPU將自動接管控制；抽采管路、環(huán)境、工況傳感器數(shù)據(jù)從安全監(jiān)控分站直接獲取；上位機在調(diào)度室實現(xiàn)抽采泵站和抽采管路的遠程監(jiān)測控制，并具備冗余功能。
2.2系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)CPU采用西門子公司S7-1515R控制器,通過電氣接口PROFINETX1接口實現(xiàn)同步，不需要額外的同步模塊。平臺軟件采用Wincc7.3組態(tài)軟件，如圖3所示。
2.3S7-1515R冗余系統(tǒng)主要步驟
（1）項目使用博途V16軟件，在項目中添加1515RCPU，系統(tǒng)自動組態(tài)X1P2端口互聯(lián)。
（2）設(shè)置2臺PLC的IP地址。其中，主PLC的X1接口IP地址為192.168.1.10，從PLC的X1接口IP地址為192.168.1.11；主PLC的X2接口IP地址為192.168.2.21，從PLC的X2接口IP地址為192.168.2.22。X2接口的系統(tǒng)IP地址為192.168.2.20。X2系統(tǒng)的IP地址可與HMI設(shè)備、組態(tài)軟件進行通信。
（3）在PLC模塊的“介質(zhì)冗余”項檢查介質(zhì)冗余角色，默認(rèn)為“管理員（自動）”；在“連接機制”項中激活“允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問”功能。
（4）在“網(wǎng)絡(luò)視圖”窗口將接口模塊IM155-5PNHF作為IO設(shè)備從硬件目錄拖動到任務(wù)窗口，并將所需功能模塊拖動到IO設(shè)備中的相應(yīng)插槽中。
（5）在“網(wǎng)絡(luò)視圖”窗口選擇IO設(shè)備并右鍵點擊設(shè)備上的“未分配”提示符，在其下拉框中點擊“分配給新IO控制器”項，在彈出的對話框中選擇2個冗余PLC并點擊“確定”。該IO控制器上“未分配”提示符變?yōu)椤岸嘀胤峙洹薄?/p>
（6）IO設(shè)備依據(jù)項目規(guī)劃修改IP地址，并在“介質(zhì)冗余”項中設(shè)置介質(zhì)冗余角色為“客戶端”，在“實時設(shè)定”項中修改“接受的更新周期”參數(shù)。
（7）程序編譯完成后點擊“下載到設(shè)備”按鈕，在對話框中設(shè)置“PG/PC接口類型”、“PG/PC接口”、“接口/子網(wǎng)連接”項的參數(shù)并點擊“開始搜索”按鈕。在“選擇目標(biāo)設(shè)備”表中會顯示系統(tǒng)中的CPU及其角色，選擇主CPU并點擊“下載”按鈕。冗余PLC的程序下載只能下載主PLC，備用PLC只有在啟動時將組態(tài)和程序從主PLC同步備份到備PLC。
（8）在網(wǎng)絡(luò)視圖窗口選擇相應(yīng)的IO設(shè)備并點擊“右鍵”，在下拉菜單中選擇“分配設(shè)備名稱”項，在對話框中設(shè)置“PG/PC接口類型”、“PG/PC接口”項的參數(shù)并點擊“更新列表”按鈕。在“網(wǎng)絡(luò)中的可訪問的節(jié)點”表中選擇需要分配設(shè)備名稱的設(shè)備，點擊“分配名稱”按鈕。IO控制器將自動為從站分配組態(tài)的IP地址。
2.4控制功能設(shè)計
控制程序主要完成抽采泵、循環(huán)水泵、電動閥門、冷卻塔及排風(fēng)扇等被控設(shè)備的控制以及保護聯(lián)動，主要分為集中和遠程2種控制模式。其中，集中控制模式主要是就地顯示控制柜進行設(shè)備啟、停操作［4］；遠程控制模式是用戶在值班室的上位機上操作相應(yīng)設(shè)備的啟動和停止。
（1）抽采泵缺水保護功能。在抽采泵運行時，監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測供水情況，在供水管路無水流時，視為抽采泵缺水，發(fā)出聲光報警，缺水情況持續(xù)2min發(fā)出停泵指令。
（2）環(huán)境甲烷超限保護功能。監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測泵房內(nèi)、管路間的環(huán)境甲烷濃度，當(dāng)甲烷濃度＞0.5％時，發(fā)出報警并啟動排風(fēng)裝置；當(dāng)環(huán)境甲烷濃度＞1.0％時，控制器切斷相關(guān)設(shè)備的電源，保障抽采系統(tǒng)安全。
（3）機電設(shè)備超溫保護功能。監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測抽采泵軸承溫度、電機軸承與定子溫度，當(dāng)抽采泵軸承溫度＞65℃時發(fā)出報警信號，＞70℃時發(fā)出停泵指令；當(dāng)電機的軸承溫度＞80℃或定子溫度＞120℃時，發(fā)出報警信號。
2.5位機設(shè)計
瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)以西門子WinCC7.3組態(tài)軟件作為監(jiān)控平臺，通過驅(qū)動與S7-1515R控制器實現(xiàn)通信連接、數(shù)據(jù)歸檔、腳本編寫等功能，實現(xiàn)上位機與PLC實時監(jiān)控［5］。根據(jù)瓦斯抽采工藝流程，在WinCC7.3軟件中以圖形界面的方式展示了抽采系統(tǒng)工藝流程，實現(xiàn)抽采監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)展示、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)歸檔、報表打印等。2臺上位機保持聯(lián)網(wǎng)運行，其中1臺設(shè)為主機，另1臺設(shè)為備機，組態(tài)軟件的冗余功能實現(xiàn)2臺上位機的自動同步匹配。當(dāng)主機出現(xiàn)故障后，備機可以快速接替，保障了過程監(jiān)控的可靠性。
3結(jié)語
分析了西門子S7-1500R/H冗余系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、工作原理和運用場合，并介紹了軟件組態(tài)的主要步驟和注意事項。借助于國家大力推行“機械化換人,自動化減人”科技強安的機遇，基于西門子S7-1515R冗余PLC的瓦斯抽采泵站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了可靠的冗余功能、穩(wěn)定的通信傳輸。該系統(tǒng)在山西晉城某礦瓦斯抽采泵站投入運行，其穩(wěn)定性和可靠性保障了瓦斯抽采泵站安全運行，為后續(xù)抽采泵站無人化建設(shè)提供了參考。
［參考文獻］
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［3］西門子（中國）有限公司.SIMATICS7-1500與TIA博途軟件使用指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2017.
［4］劉東科，謝國軍，劉健康.基于力控和S7_300的煤礦瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2014，27（6）：67-68.
［5］西門子（中國）有限公司.西門子SIMATICWinCC使用指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2018.
作者：蔣志龍 單位：天地（常州）自動化股份有限公司