Profibus現(xiàn)場總線在精細化工中的應(yīng)用

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)線一兩條帶式機產(chǎn)線和一條REx產(chǎn)線,年生產(chǎn)量達2900t以上,是國內(nèi)TPU供應(yīng)的主要來源。

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

1Profibus現(xiàn)場總線的選擇

1.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)

傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)采用單對單的接線方式,采集儀表設(shè)備的電流或電壓模擬量信號進行轉(zhuǎn)換測量和控制,雖然信號比較穩(wěn)定可靠,但隨著化工行業(yè)的逐步擴大、儀表設(shè)備的多樣性發(fā)展,傳統(tǒng)接線方式已無法實現(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)濟性。所以,一種現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間數(shù)字式和多點通信的串行數(shù)據(jù)總線近年來被廣泛應(yīng)用,這就是現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生,使現(xiàn)場獨立的、多樣化數(shù)字式的單臺智能設(shè)備可以通過數(shù)字通信總線相連,實現(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)對現(xiàn)場智能設(shè)備的監(jiān)視和控制。

1.2現(xiàn)場總線的選用原則

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

對于離散和批次生產(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)場到機柜間距離較遠,選用現(xiàn)場總線可以大大節(jié)省電纜的鋪設(shè)費用。

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

(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Profibus現(xiàn)場總線連入PLC控制系統(tǒng)。Profibus總線分配表如表1所示。

(5)單臺設(shè)備的故障信息需要傳送到PLC進行報警分析,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Profibus-DP擴展串行連接,同時還能連接不同廠家的可調(diào)試設(shè)備,傳輸通信中詳細包含單臺設(shè)備的地址和功能行為,具體如圖1所示。

基于以上設(shè)計考慮,本生產(chǎn)裝置最終確定由西門子STEP7PLC系統(tǒng)負責(zé)過程控制監(jiān)控?，F(xiàn)場的各類常規(guī)儀表通過Profibus-PA采集,部分儀表通過AS-I通信,緊停PLC采用Pilz實現(xiàn),安全儀表系統(tǒng)采用HIMA安全PLC,通過Profibus-DP現(xiàn)場總線采集數(shù)據(jù)到STEP7。上位機對數(shù)據(jù)進行分析,實現(xiàn)報警管理和歷史數(shù)據(jù)管理,形成管控一體化,達到穩(wěn)定生產(chǎn)和持續(xù)改進的目的。

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臺電腦,其中1臺移動式ES工程師站、6臺SCADA監(jiān)控站、14臺VIEW操作員站、2臺數(shù)據(jù)SERVER機。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)點增刪等。

(3)VIEW操作員站:用于監(jiān)控操作,分為班長和操作員級別。

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

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

2.2現(xiàn)場總線配置

以其中一條REx生產(chǎn)線為例,共有6根總線通過Profibus-DP將現(xiàn)場的眾多設(shè)備連接起來,包括Single加熱器、干燥機、Pilz安全PLC和HIMA安全儀表系統(tǒng),下層通過Profibus-PA連接模擬量信號的溫度、壓力、流量傳感器以及總線定位器,同時接有AS-I通信的傳感器。其中一根總線上有多達47臺設(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:實現(xiàn)PA和DP的轉(zhuǎn)換,采集現(xiàn)場的PA儀表數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

(2)ASI-DP網(wǎng)關(guān):實現(xiàn)ASI和DP的轉(zhuǎn)換,將現(xiàn)場模擬量信號的AS-I設(shè)備轉(zhuǎn)換成DP信號。

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

包含測量信號和設(shè)備狀態(tài)信號的數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳輸?shù)絇LC后,由主控卡進行處理,采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在SCADA站中,VIEW操作站從SCADA中進行顯示數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)人機交互:兩臺SERVER站從SCADA收集數(shù)據(jù)和報警信息,內(nèi)有數(shù)據(jù)處理應(yīng)用,實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的保存和回溯,并可對報警進行記錄篩選,可用于報警管理先進控制,逐步實現(xiàn)對生產(chǎn)的優(yōu)化和改進。

3Profibus在實際應(yīng)用中的問題

雖然現(xiàn)場總線是今后發(fā)展的趨勢,但想完全取代DCS目前還無法實現(xiàn),更多的是DCS和現(xiàn)場總線的融合使用。筆者使用和維護過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)通信來說,個人認為PLC的Profibus通信更加脆弱,嚴重的甚至?xí)?dǎo)致PLCSToP的現(xiàn)象,下面以兩個實例進行說明。

3.1DP通信故障導(dǎo)致PLCSTOP

本裝置曾發(fā)生過因為ProfibusDP通信接頭接觸不良短時間內(nèi)頻繁報警,最終致使PLCSToP,導(dǎo)致全線停車的故障。當(dāng)時首先恢復(fù)PLC到正常運行階段,采用逐點斷站的方式找出引起整條線故障的DP從站,確定故障點后,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)和報警記錄發(fā)現(xiàn),CPU的負荷并沒有超出高限,排除了因為CPU負荷過大導(dǎo)致處理終端停止運行的可能性:隨后對報警信息進行分析,發(fā)現(xiàn)是由于某個從站的DP通信頻繁報警,導(dǎo)致CPU的診斷信息記錄被報警信息占滿,使得CPU頻繁對該站進行訪問分析,耗用了大量的掃描時間,如圖4所示。

對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最大時間曾經(jīng)達到過169mS,大于設(shè)定值,如圖5所示。西門子S7PLC的CPU實際掃描時間會因為回路的狀態(tài)產(chǎn)生變化,如果CPU診斷時因外部原因造成的診斷中斷較多,相應(yīng)CPU的掃描時間也會增加。依據(jù)西門子手冊描述:"IftheScancycletimeexceedStheScanmonitoringtime,theCPUenterStheSToPmode",故分析認為是CPU診斷中斷短時間內(nèi)劇增,使得CPU的掃描時間延長,超過了系統(tǒng)監(jiān)控時間,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,擴大了每條線PLC的CPU掃描診斷時間,將150mS的掃描周期擴展為2000mS,增加系統(tǒng)掃描中斷的容錯性。同時對ProfibusDP總線上的DP通信接頭進行計劃性更換,并對每個通信接頭的屏蔽進行檢查,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頻繁掉線報警,無法正常運行。排除現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中樞節(jié)點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)生過類似故障,在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下,對網(wǎng)絡(luò)設(shè)置DP連接重試次數(shù)進行擴展,從2次擴為7次。

DP連接重試次數(shù)指DP通信故障發(fā)生時,如果連續(xù)兩個周期都無法連接,則系統(tǒng)認為通信中斷,會自動報警聯(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,無法用軟件兼容進行修正。最后認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)備間的拓撲方式,如圖6所示。

將原來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變頻器共享同一網(wǎng)段,杜絕了網(wǎng)段上的信號干擾。硬件改變后,下裝組態(tài)程序,故障解決。

本裝置類似這種因為設(shè)計時沒有考慮到Profibus通信的干擾等情況,導(dǎo)致在運行一段時間后,需要重新對硬件架構(gòu)進行改動的情況偶有發(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)場檢測,對生產(chǎn)的日常正常維護造成了一定的困難。

4結(jié)語

Profibus現(xiàn)場總線發(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,就必須嚴格按照總線的設(shè)計原則和選用條件,嚴謹施工,注意從通信、屏蔽接地到現(xiàn)場各種可能性干擾的預(yù)防,避免出現(xiàn)因為通信干擾而造成查無頭緒、不知從何下手的故障。這就要求我們系統(tǒng)維護人員對于初期的系統(tǒng)設(shè)計、中期的現(xiàn)場施工、后期的調(diào)試聯(lián)校都需要參與并給出有參考價值的意見,真正為裝置穩(wěn)定生產(chǎn)保駕護航。