西门子S7-300系列PLC软冗余系统在电气保护中的应用

1  引言
      设备在启停和运行过程中发生危机设备和人身安全的故障时,自动采取保护和联锁,防止事故的产生和避免事故扩大,从而保证正常启停和安全运行,具有极其重要的意义。通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视,发生异常时,即使发出报警信号,必要时自动启动或者切除某些设备或者系统,维持原负荷运行或减负荷运行直至安全退出运行。
      对于发电机组,一般旧的系统使用中只有手动操作方式,难以实现远程监控,给操作人员带来一定的麻烦与危险,也造成出现报警或危险等情况不能及时处理的现象。升压站多为人工抄表,事故报警信号不能远传,必须有人值守,而且发生报警后,由于数据信号较多,很难及时、准确的判断出事故的原因,影响事故的处理速度。当发生重大事故而危及机组设备时,不能停止机组(或一部分)运行,使事故进一步扩大,造成严重后果,所以需要使用PLC可靠灵活的逻辑监控能力对升压站进行改造。
      出于系统的要求的高可靠性,必须使用冗余系统技术。本项目选用西门子S7-300系列PLC软冗余来达到降低成本的目的。

2  控制系统构成
2.1  系统冗余原理配置
      软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时,A系统为主,B系统为备用,当主系统A中的任何一个组件出错,控制任务会自动切换到备用系统B当中执行,这时,B系统为主,A系统为备用,这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中,即使没有任何组件出错,操作人员也可以通过设定控制字,实现手动的主备系统切换,这种手动切换过程,对于控制系统的软硬件调整、更换、扩容非常有用,即Altering Configuration and Application Program in RUN Mode。
      根据保护系统所需的输入输出点数、节点容量、系统功能等要求,使用两个西门子CPU315-2DP做软冗余CPU,使用CP5611连接上位机与PLC,上位机使用WINCC做HMI人机界面。
      两块CPU之间使用CP342-5进行实时的数据交换,通过ET200M扩展从站。特别应当注意的是软冗余系统应当使用有源总线模板的导轨及有源总线模板。
2.2  网络结构原理配置
网络组态图如图1所示。网络结构中包括了4条链路:
(1) 用于上位机编程和监控的MPI链路;(2) A站与ET200从站Master Line PROFIBUS链路;(3) B站与ET200从站Reserve Line PROFIBUS链路;(4) A站和B站之间进行数据同步的Synchronization Line PROFIBUS链路。

图1     网络组态图

3  软冗余程序的设计
      软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7。在A站的Block中插入OB1(主循环程序块)、OB35(定时中断组织块)、OB100(暖启动调用程序块)、OB80(在主系统与备用系统切换时间超时时,调用该块)、OB82 (DP-Slave ET200站上的IM153-2模块出错报警,调用该功能块)、OB83(DP从站的接口模块与主站链接断开或链接重新建立时调用该块)、OB85(程序运行出错或DP从站连接失败调用该块)、OB86(主从站通讯出错调用该块)、OB87(通讯失败调用该块)、OB122(外围设备访问出错调用该块)、OB121等组织块,并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。
      首先,用户需要在初始化程序中(OB100)定义冗余部分的数据区,该数据区可以包括:一个过程映象区(process image area),一个定时器区(IEC timer area),一个计数器区(IEC counter area),位地址区(memory address area)和一个数据块区(data block area),S7-300同步的最大数据量为8kBytes。
      使用的是OB35的默认属性,即每100ms中断触发一次,可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB 101S‘WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段,实现冗余功能。调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功,原因是CP342-5之间的FDL链接建立的不正确或物理链路不通,或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的链接ID号不一致。当执行‘SWR_START’程序块时,系统分配这些数据区,不能用S7的定时器和计数器,只能使用IEC标准的定时器和计数器。
      OB35中的程序段也可以在OB1中实现,只是不使用中断的方式,而使用主循环的方式。
除去冗余段外的程序大致如下:
CALL FB 101,DB5
DB_WORK_NO:=DB1
CALL_POSITON:=TRUE
RETURN_VAL:=MW6
EXT_INFO:=MW8
上段程序中调用了FB101,使用了数据块DB5。
U DB5.DBX 9.1
SPB MNEXT
上段程序可以在DB5中得到控制字(DBW10)和状态字DBW8的信息。分析状态字中的信息,如果当前站为备用系统,则跳过冗余程序段。
在SPB MNEXT与跳至的MNEXT程序块之间加入实际需要的逻辑块,此处的逻辑块就属于冗余程序段。
4  系统的功能特点
    (1) 结构简单可靠的组件式插接,便于安装维护。
    (2) 双电源供电、双CPU冗余,确保稳定工作。
    (3) 上位机监控,具有报表打印、报警查询、状态监视、保护联锁试验记录等多种功能。
5  结束语
      系统结构简洁合理可靠。扩展性好。能对所有输入输出点进行状态记录,实现保护连锁、动作记录数据管理、状态监视、系统组态等功能。对于提高机组自动化水平,减轻运行人员负担,增加机组的可靠性具有重大意义。