1刁丽琳 1刘强 1阎振东 2郑爽
1青岛龙发热电有限公司 2江苏新盛信息科技有限公司
摘要：从系统硬件配置、网络结构、监控软件设计等方面,简要介绍了西门子S7-300 PLC软冗余系统在某化工厂高架放散火炬中的应用。经实践证明，软冗余系统满足了高架火炬系统对稳定性和可靠性的要求，保证了工厂的生产和人员安全。
关键词：高架火炬 软冗余 WINCC OPC
0 引言
火炬系统是用来处理石油化工厂、炼油厂及其它工厂或装置无法回收和再加工的可燃和可燃有毒气体及蒸汽的特殊燃烧设施，是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要措施。高架火炬系统应能充分保证上游装置所排放的气体能够及时、安全、稳定的燃烧排放。火炬系统设计的合理性和系统的稳定性直接影响着整个工厂的正常运行和人员安全[1]。因此，高架火炬对主体设备和自控系统的稳定性要求非常高。
某化工厂气体排放主要分为三种：主火炬事故气、酸性气体和氨气，厂区采用高度为90米的高架火炬系统。主火炬事故气在火炬界区外汇总后，通过DN1200总管进入界区内，通过水平总管进入火炬界区内的分液罐，分离直径大于300um的可燃液滴后进去防回火水封罐，火炬气冲破水封后进去火炬竖筒。通过火炬竖筒进去火炬上端的分子密封器。然后通过分子密封器排入火炬燃烧器进行放空燃烧。
酸性火炬排放气在火炬界区外汇总后，通过DN450总管进入界区，通过水平总管进入火炬界区内分液罐，分离直径大于300um的可燃液滴后经阻火器进入火炬竖筒。通过火炬竖筒排入火炬燃烧器进行放空燃烧，燃烧器内部设置有流体密封器。
氨火炬排放气在火炬界区外汇总后，通过DN600总管进入界区，通过水平总管进入火炬界区内分液罐，分离直径大于300um的可燃液滴后经阻火器进入火炬竖筒。通过火炬竖筒排入火炬燃烧器进行放空燃烧，燃烧器内部设置有流体密封器。
1 控制系统的硬件配置
本项目火炬点火系统应能够实现就地手动点火、远程手动遥控点火、自动点火等功能，系统中央处理单元、电源、通讯模块等硬件均为冗余配置。同时，火炬系统的数据需要上传到DCS系统进行集中监控。
SIMATIC S7系列 PLC是西门子全集成自动化 (TIA)的核心组成部分, 凭借其强大的运算处理能力, 灵活的通讯扩展能力和可靠的稳定性, 提供了强大的控制能力、网络通讯和 IT服务等功能。相较于其他品牌的PLC冗余系统、西门子400系列软冗余和S7-400H硬冗余系统，该软冗余系统具有较强的稳定性和极高的性价比，得到了用户的广泛认可。兼顾控制系统稳定性和经济性的要求，我们选用西门子315-2DP双CPU软冗余系统，保证电源模块、CPU模块和通讯模块的1:1硬件冗余配置。上位机系统采用互为备用的两台工作站，满足多个操作员同时监控火炬系统的运行状况的要求。
该项目硬件配置及所需软件构成如下：
1.CPU：2套315-2DP，固件版本号V3.0;
2.电源：2套PS 307模块，输出电流5A;
3.通讯: 2套CP342 DP通讯模块, 固件版本号V6.0;
4.远程IO: 2套IM153-2模块及若干支持软冗余的IO模块等；
5.工作站：2台DELL塔式工作站电脑，配置为酷睿Core i5、4G内存、1T硬盘等；
6.编程软件：1套STEP7 V5.5软件和软冗余软件包（V1.2）；
7.上位机通讯卡：1套CP5611板卡；
8.监控软件：2套亚太版WINCC 7.0；
由于高架火炬设备具体中控室较远（约6公里），PROFIBUS-DP网路在9.6Kb/s传输速率下通讯距离为1200米，随着传输速率的提高，通讯距离也越短。因此，PLC与工作站之间的通讯需要采用光纤来延长通讯距离，具体硬件配置如图1所示。
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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[2]。
在软冗余系统进行工作时，A、B控制系统(处理器，通讯、I/0)独立运行，由主系统PLC掌握对ET200从站中的I/0控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余（non-duplicated)和冗余（redundant backup)用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段[3]。
在高架火炬控制系统中, 为使CPU在切换时能被及时发现,在上位机中对此信号进行状态监控。当由于某种原因发生导致CPU切换时，监控画面可以实时显示主CPU还是备用CPU处于工作状态，并通过报警提示系统操作人员方便查找原因。通过S7-300软冗余系统的运行原理发现，软冗余控制系统在高架火炬系统中可以稳定可靠地工作，保证了工厂设备的安全运行。
2 控制系统的网络结构
两块CPU采用PROFIBUS-DP通讯协议进行冗余切换，PLC本体与远程I/O通讯为PROFIBUS-DP通讯协议，PLC与中控室的操作站采用PROFIBUS-DP，并以PROFIBUS-DP作为冗余网络。系统的网络结构如图2所示。
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从上图可以看出, 系统是由两套独立的 S7- 300系统组成，共有4条通讯链路: ①主系统与从站通讯链路(Master_Line)；②备用系统与从站通讯链路(Reverse_Line)；③主系统与备用系统的数据同步通讯链路 (PROFIBUS)；④主系统与备用系统和上位机通讯链路 (PROFIBUS)。
OPC（用于过程控制的OLE）是一种用于自动化工业领域内组件的全球性通讯标准。基于Windows 技术而开发的OPC提供了一种开放式接口，通过它可在 PLC、操作和监控系统以及来自不同厂商的办公应用程序之间进行标准化的数据交换，而不会出现任何问题[4]。高架火炬控制系统与DCS系统进行数据通讯就是采用OPC方式，此种方式无需增加通讯模块，极大地节省了硬件的成本开支。
3 监控软件设计
目前，市场上常见的组态软件有很多，如Intouch、iFix、Wincc、组态王等。该项目组态软件优先选择西门子WINCC软件。WinCC作为西门子工业自动化通用的应用程序，适合所有的工业自动化场合。另一方面它的设计极其人性化，WinCC跟大部分工业硬件都能建立连接，从而组成大的工业网络。Wincc兼容性强、系统稳定的特点，能够完全满足高架火炬项目所需要求。
监控系统主要以报表、曲线等方式为操作员提供系统运行的实时数据及异常报警,并提供历史记录查询。系统参数及报警联锁值可以实现在线修改,保证了控制系统安全稳定运行。在Wincc系统中, 西门子提供了冗余切换程序,该程序属于WINCC的基本软件包，极大地降低了开发人员的编程难度。
当硬件组态和PLC编程完成以后，我们需要把软冗余系统和WINCC的上位机画面连接起来，首先要添加S7通讯协议组，在PROFIBUS系统参数下选择逻辑设备名称：CP5611(PROFIBUS)。设置完成后，建立PROFIBUS协议下的PLC变量。然后，在画面编辑器打开一个画面，在右边动态向导栏里选择“建立冗余连接”。根据向导选择主连接，然后进去如图3的对话框，备用连接的参数与主连接参数一样，这里把“L2,7 0,,0,2,02”改为“L2,8 0,,0,2,02”（A站DP地址是7，B站DP地址是8）。然后根据向导提示直至设置完成，此时冗余连接就生成了。
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但此时Wincc还不能完全实现冗余系统自动切换和手动切换，尤其是主备站都没问题时，手动切换后会发现WINCC会与PLC失去联系，画面上显示的数据也是错误的。要实现完整正确的切换，需要在全集脚本修改代码来强制连接切换。具体方法在是在全局脚本编辑器中添加代码如下：
if ( GetTagDWordWait( "@S7$程序(2)@ConnectionState") == 0 )
{
SetTagDWord( "@S7$程序(2)@ForceConnectionState", 1 );
}
else
{
if ( GetTagBitWait( "SWR_ZYK_1") == 1 )
{
SetTagDWord( "@S7$程序(2)@ForceConnectionState", 0);
}
}
其中"@S7$程序(2)@ConnectionState ", "@S7$程序(2)@ForceConnectionState"这两个变量在@S7$程序(2)变量组里面，其中“S7$程序(2)”是PLC连接的名称。" SWR_ZYK_1"变量对应的是FB101冗余程序块的背景数据块中的变量DB*.DBX9.1（*是在PLC冗余程序中调用冗余程序时设定的背景数据块号）。
根据高架火炬系统的工艺流程求，在Wincc组态软件中设计火炬系统的监控主画面如图4所示,此界面包含故障信息报警提醒、历史数据曲线查看、运行参数的监控等功能。
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在火炬系统中，所有现场设备都可以单步控制，实现了远程手动点火。同时，系统设计了全自动工作模式，在排放条件满足时可以根据控制逻辑自动点火，实现24小时全天候无人值守。为了便于管理人员的后期运行维护，监控软件还设计了用户权限管理和操作日志功能。用户权限分为三级：超级管理者、管理者和操作员。超级管理者拥有所有权限，主要针对该项目开发人员；管理者权限拥有关键设备的操作控制、参数的更改等；操作员权限仅仅能监视设备的运行情况和查看相应的报警和历史数据曲线等。不同权限的用户登录系统后，操作时间、操作内容、开关机时间等信息会自动记录到日志中。
4 结束语
对于稳定性要求较高的高架火炬控制系统来说，采用西门子S7-300软冗余系统和WINCC监控软件完全满足现场工艺对控制系统的要求。系统于2016年11月投入运行，目前系统运行良好，满足工厂对排放气体的安全泄放燃烧要求。
参考文献：
[1] 方士珍，张红伟.炼油厂火炬系统的工艺设计[J].安徽化工,2010,36(3):67-70.
[2] 西门子. SIMATIC S7-300/S7-400 SIMATIC S7 的软冗余[EB/OL].（2010-04）. https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/1137637/s7_swr_k_zh-CHS.pdf?download=true
[3] 西门子. Siemens PLC系统软件冗余的说明与实现[EB/OL].(2010-9）.https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/78604454/PLC.pdf
[4] 西门子. WinCC V7.0 组态手册[EB/OL].（2008-11). https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/37436832/WinCCInformationSystemConfiguration_zh-CHS.pdf?download=true