控制系統簡介

本系統的總控制和監視平臺采用了美國Honeywell公司的DCS控制系統，實現對整套氟化工生產設備進行整體控制和監視歸檔。上位機系統采用客戶機/服務器構架，服務器用于保存整個生產過程的報警和歸檔數據，客戶機作為操作接口對工藝、分站設備和現場儀表進行操作和監視。上位機系統和控制系統通過100MHz的光纖傳輸快速交換式以太網作為操作員站、工程師站和自動化系統站的系統總線，為用戶提供了高水平的通信方案。

現場電機運行的控制裝置采用了德國西門子公司的MASTERDRIVE變頻器，良好的矢量控制變頻方案大大提高了對現場裝置的控制精度。變頻器的啟停和轉速控制以及變頻器的實際轉速、電流和電機溫度的狀態監控均是通過PROFIBUS進行傳輸，網絡構架為主從結構：DCS作為主站，變頻器作為從站。PROFIBUS的實時性和穩定性極好的保證了DCS和變頻器之間的控制和狀態數據的傳輸。

緊急停車系統（ESD）是極其重要和關鍵的設備，對安全可靠和穩定性具有很高的要求。而PLC又是ESD中的最核心控制部件，在綜合考慮和性能、安全和價格等因素之后，采用了西門子的S7-400H冗余系統，其良好的可靠性和冗余方案保證了緊急停車系統的穩定運行。在DCS和變頻器以及緊急停車系統之間均采用PROFIBUS-DP現場總線來實現控制和數據通訊，同時為保證S7-400H冗余系統與DCS的PROFIBUS總線之間通訊時冗余網絡的無縫切換，采用Y-Link和DP/DP耦合器來完美實現了兩個主站網絡之間的數據交換。整個控制系統的構成如下圖1所示。

圖1 控制系統構架總覽

基于S7-400H系統的緊急停車控制系統

針對氟化工工業裝置的特殊工藝要求，設計并實現高可靠性的裝置運行和緊急停車系統是非常關鍵的部分。該系統核心控制單元PLC采用S7-400H系列，是西門子推出的最新的高端冗余PLC，具有所有西門子S7系列PLC的先進性和高可靠性。根據工藝和可靠性的要求，PLC控制系統采用S7-400H系列模塊做主站，遠程I/O做從站，PROFIBUS總線來實現PLC和從站之間的數據通訊。同時為了保證系統的安全性和高可靠性，主站有一個支持冗余的底板、兩套S7-400H系列電源模塊、CPU模塊和CP443-1以太網通訊組成，從站ET200M同樣采用兩個IM153接口模塊和I/O模塊組成，兩套CPU和從站ET200M之間采用兩套PROFIBUS現場總線來實現主從站之間的通訊冗余，由此保證了系統具有極高的可靠性。S7- 400H冗余控制系統的結構如圖2所示。

圖2 S7-400H冗余控制系統圖

在正常操作下，主PLC通過PROFIBUS總線和從站進行通訊，當主PLC發生故障時，后備PLC自動接管，由后備PLC通過后備PROFIBUS總線和從站繼續進行通訊。兩個PLC之間由光纖把四個同步模塊鏈接起來，每個PLC在每個掃描周期都向另一個PLC發送內部狀態數據，而且由于光纖的高速傳輸，保證了兩個PLC控制權的平滑切換功能。當主網斷開時，備用PLC自動接替與總線接口模塊的通訊，并能平滑切換，使網絡狀態保持不變。

基于DP/DP耦合器和Y-LINK的DCS與S7-400H系統間雙主站通訊設計

為了實現DCS和基于S7-400H的緊急停車系統之間的數據交換，本系統采用了西門子DP/DP耦合器作為DCS控制主站和S7-400H冗余系統主站之間的Master-Master雙主站通訊設計。DP/DP耦合器被用來連接兩個PROFIBUS-DP主從網絡以實現雙主站網絡之間的數據傳輸，其特點包括：最大傳輸數據由244字節的輸入數據和244字節的輸出數據；PROFIBUS地址既可以通過硬件選擇開關進行設置也可以通過編程工具進行設置；耦合器兩側可以有不同的傳輸波特率，當一側傳輸失敗時另一側的輸出數據被保持；具有冗余的雙電源供電模式；DP/DP耦合器可以通過GSD文件的方式集成在PROFIBUS-DP網絡里。

由于緊急停車系統采用的是PLC和PROFIBUS冗余解決方案，于是在冗余網絡和DP/DP耦合器之間實現平滑切換成為一個重要的網絡耦合設計環節。本系統最后采用了基于西門子Y-LINK的DP冗余網絡切換裝置來實現。Y-LINK是由兩個IM153-2接口模塊和一個實現總線互連的Y耦合器組成。Y-LINK提供了從S7-400H冗余的DP主網系統到一個非冗余的DP主網系統的網關，由此使得具有唯一DP接口的裝置可以作為一個切換輸入輸出系統連接到S7-400H冗余DP網絡系統中去。其在STEP7里面的網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 Y-LINK和DP/DP耦合器在S7-400H系統中的網絡組態

項目總結與體會

目前，現場總線技術融合了PLC、DCS和驅動技術構成的全集成自動化系統，PROFIBUS現已成為國際現場總線技術標準之一和我國國家現場總線標準，在工業自動化，傳動和化工等領域占據主導地位。通過此項目的規劃和實踐調試，對西門子PROFIBUS現場總線、DP/DP耦合器和Y-LINK裝置的應用以及S7-400H冗余系統具有了更深入的認識和應用經驗。

PROFIBUS總線傳輸速度高，具有確定的傳輸響應時間和很強的實時性，可以應用于對實時性和穩定性要求比較高的復雜控制系統。

S7-400H冗余PLC系統和冗余PROFIBUS網絡的實施以及Y-LINK切換裝置的使用，既保證了控制系統的穩定可靠性能又靈活解決了在冗余與非冗余網絡設備之間的平滑切換和耦合。

通過DP/DP耦合器對雙主站PROFIBUS網絡系統的耦合，解決了兩個不同的復雜主站系統之間的數據交換問題，大大提高了PROFIBUS網絡的應用靈活性和擴展性。

PROFIBUS滿足了從現場層到工廠管理層對網絡的需求，而且由于標準的開放性，使其應用面廣，幾乎所有的廠家的產品都支持PROFIBUS，保證了不同公司產品之間的通用性。

本控制系統已經經過調試順利運行，此系統無論在工藝要求、控制功能和操作方便還是可靠性以及全集成自動化方面均取得了顯著的效果和良好的經濟效益，為以后氟化工工業領域提供了極好的控制系統設計案例。

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