【合成PLC系统升级改造】监控系统升级改造

　　摘 要：合成氨装置（可编程逻辑控制器）PLC系统由S5-135U升级改造为S7-400H系统。解决了老系统严重老化的问题，实现了技术的飞跃。保证了装置的安全稳定运行。　　关键词：PLC；升级；冗余；容错
　　1、背景介绍
　　我厂始建于1987年，1990年投产，合成氨装置的联锁保护系统采用了当时十分先进的西门子公司的S5-135U系统，经过十多年的运行，该系统渐渐达到了其寿命年限。按照电子产品平均故障发生率所示：
　　图1
　　该系统逐步进入了故障高发期。在04年一年时间内便发生了四次由于PLC系统硬件故障导致全厂停车事故。同时，系统备件也越来越难订。因此系统升级改造势在必行。
　　2、老系统组成及升级策略
　　合成氨联锁保护系统由三部分组成，第一部分是合成氨主装置部分，包括03、04、05、08、10、81、82、84等单元联锁保护、辅锅点火控制及11单元顺控。第二部分是压缩厂房合成装置五大机组联锁系统，包括01、02、07、09、85机组等装置联锁保护系统。第三部分是脱盐水部分，包括A/B/C三个系列制水顺控程序等。压缩PLC与主控PLC之间采用点对点方式进行通讯。主控PLC又与DCS控制系统建立通讯联合控制相关设备。
　　由于老系统是西门子公司产品，本着同一家公司，其各系列产品相互之间一脉相承，设计理念相同，相关附件不用更换可以直接在新系统中使用等诸多有利因素，新系统选用了西门子公司现在最先进的S7-400H系统。
　　同时，由于整个PLC联锁保护系统组成复杂，各部分相对独立的特点。制定了相对稳妥可靠的升级策略，大体分为三步走：第一步，先从当时故障发生率最高的压缩PLC系统开始，利用04年大修的机会对其进行升级改造，以积累经验，同时拆下来的老系统可以作为其它两部分的备件。节省投资。第二步，借助压缩改造积累的经验，利用06年大修机会，对主控部分进行改造，保证其升级过程可靠稳定。同时积累顺控程序重新编写调试经验。第三步，利用08年大修机会，对水处理三个系列PLC系统进行升级。最终完成全部的升级改造任务。
　　实践证明，这种策略既稳定可靠，又经济适用。保证了各部分新老系统顺利切换，平稳过渡。
　　3、新系统架构及特点
　　新系统网络结构如图2：
　　图2.
　　包括：
　　1、基于WINDOWS平台的上位机，安装了SIMATIC S7软件包，WINCC上位组态软件等，通过CP1613通讯卡连接至工业以太网。
　　2、工业以太网，由光纤交换机（OSM）通过光纤构成快速冗余环。连接上位机与S7-400H主机架。
　　3、S7-400H主机架，包括冗余主机架，两个PS407电源模块，两个容错CPU模块CPU414-4H，丙个CP443-1通讯模块。四个光纤同步模块，丙对同步光纤。
　　4、冗余CPU带的冗余PROFIBUS网，通过冗余IM153-2带ET-200M分式I/O。
　　5、若干ET-200M分别被组态成冗余对，实现I/O冗余。
　　6、通过CP341通讯模块实现与外系统通讯。
　　新系统主要有以下特点：
　　1、冗余。其工业以太网，通讯速率可达100Mbps ,由OSM构成快速冗余环结构；主机架上各部件全部采用冗余设计；通迅速率可达12Mbps的PROFIBUS网也是冗余的；包括I/O卡件均实现了1：1冗余。极大的提高了可靠性。
　　2、容错。其容错性是通过两个并行CPU实现的，在发生错误时，将会出现一个无扰动的控制传输，热备设备将在中断处继续执行而不丢失任何信息。热备切换时间小于100ms，通常小于20～30ms。
　　3、集成了高达20M工作内存。支持更多的功能块，更大的寻址空间，可以有更大的编程自由度。
　　4、支持更多的工程工具，包括S7-GRAPH，S7-SCL，CFC等。提供了更多的编程方式。
　　4、解决的技术难题
　　4．1 冗余工业以太网的建立。在压缩PLC改造过程中，在新系统上电后，先用编程器通过集成的MPI接口将锃序下装，硬点测试完成，上位机就位，在用上位机与控制器建立连接时，发现无论如何上位机就是无法与下位建立连接。检查通讯卡，通迅卡状态正常。软连接各参数设置也正确。光纤也没有断裂现象，这到底是怎么回事呢，检查OSM光纤交换机设置也正常，最后，经过查阅资料，发现OSM交换机上有一个开关，将其设为STANDBY模式后，再次测试网络状态，网络通讯正常。
　　4．2 与外系统通讯的建立。
　　4．2．1 在压缩PLC改造过程中，有一个难点，就是S7-400H系统与S5-135U系统的通讯，在原来的系统设计中，压缩PLC系统需要将压缩各机组各点状态通过点对点方式单向伟输给主控。用于主控监视。现在压缩改造成了S7-400H系统，如何与老的主控的S5-135U系统通讯呢？经过慎重选型，选用CP341通讯卡，仍遵守老的RK512通迅协议，采用电流环连接方式，由于新老通讯卡接口不统一，因此就必须为CP341重新焊接接头。经过多次试验，逐一确定了各个通讯参数。在实际投用过程中一次通迅成功。
　　4．2．2 在主控PLC升级改造过程中，其除了要接收压缩来的通讯信号外，还要与同步改造的DCS系统进行通迅。一边是S7-400H系统，一边是横河CS3000系统。两个系统采用什么方式通迅呢？经过研究，最终采用了开放性良好的MODBUS通迅协议，CS3000作为主站，PLC系统作为从站。双方各项参数设置完成后，发现DCS这边接不到数据。查看通讯卡状态，发现收发灯状态正常。这是为什么呢？经过多次测试发现，原来是起始字节设置错了。修改后，通迅状态马上恢复正常。
　　4．3 顺控程序重新编写。在主控PLC系统和脱盐水PLC系统中都包括有顺控程序，在转换程序过程中，发现S5系统中的顺控功能块在S7系统中没有现成的功能块与之对应。因此只能重新编写。用S7-GRAPH语言，在消化吸收老程序功能的基础上，重新编写调试。最终一次联体试车成功。
　　4．4 在线打印机升级。在主控PLC系统中，老CPU通过专用通迅卡采用PT88协议带了一台在线打印机，每当一个信号动作时，自动触发一个打印任务，单行打印该信息。但在主控PLC升级过程中，发现新的系统如果用下位控制器实现这种功能十分不经济。经过认真研究，决定利用新系统中强大的上位机实现该功能。新系统上位机采用的是WINCC系统，其中有一个行式打印机功能。经过对老系统打印功能的消化，并对老的打印信息进行整理后。完全实现了该功能。
　　5、实现的功能优化
　　5．1 用WINCC实现上位功能。在老PLC系统中，压缩及主控只有一台PG675编程器，基本不关心上位。只有脱盐水三个系列有上位机作为人机操作界面。通过对上位机组态，在压缩及主控，最主要的是通过报警组态，实现了ms级的报警信息采集。对跳车后区分第一动作信号起到了重要作用。在脱盐水其老的上位组态软件是基于UCDOS的，其组态十分繁杂，在新的平台上，不可能直接转化，主要是消化吸收老的组态内容，在与工艺人员结合的基础上。完美实现了原有功能，并增加了不少功能，极大地方便了工艺操作。
　　5．2 重新编写部分程序。由于S5至S7程序转换过程中，有很大一部分程序不能转换，其中包括顺控块，电机控制块，通迅块等，重新编写后的程序结构清晰，可读性好，完全实现了原有功能并进行了部分优化。赢得了大家的一致好评。
　　6、结束语
　　此次PLC系统升级改造，通过精密部署，科学施工。大家协调配合，成功地实现了全系统分步骤升级改造。本着早准备、早试验、大投入的原则，各阶段都是提前完成任务，新老系统顺利切换，平稳过渡。实现了战略目的，一举解决了设备老化问题，大大提高了系统可靠性。同时新系统具有当时最先进的技术，使合成装置PLC联锁保护系统重新焕发了生机。