Profibus现场总线在精细化工中的应用

引言

上海巴斯夫热塑性聚氨酯装置建于2005年,生产的热塑性聚氨酯(简称TPU)在鞋材、汽车、管材、电缆电线等方面有大量广泛的应用。该装置共有三条生产线一两条带式机产线和一条REx产线,年生产量达2900t以上,是国内TPU供应的主要来源。

由于该装置属于中小型批次生产的精细化工类型,所以控制系统采用西门子PLC-STEP7,主要应用现场总线配置,包含Profibus-DP和PA以及AS-Interface总线。现场急停联锁通过Pilz安全PLC控制,安全仪表系统SIS采用德国HIMA安全PLC,现场众多设备及安全PLC均是通过Profibus-DP连接通信。监控操作站采用iFix组态软件实现。

1Profibus现场总线的选择

1.1现场总线系统

传统的DCS控制系统采用单对单的接线方式,采集仪表设备的电流或电压模拟量信号进行转换测量和控制,虽然信号比较稳定可靠,但随着化工行业的逐步扩大、仪表设备的多样性发展,传统接线方式已无法实现多种设备之间及系统和外界的数据交换,一般只适用于大型化工企业。中小型化工企业,特别是精细化工,更加追求的是数据通信的兼容性、开放性和经济性。所以,一种现场设备和控制系统之间数字式和多点通信的串行数据总线近年来被广泛应用,这就是现场总线。

现场总线的产生,使现场独立的、多样化数字式的单台智能设备可以通过数字通信总线相连,实现了设备与设备之间、设备与控制系统之间的数据交换,从而完成控制系统对现场智能设备的监视和控制。

1.2现场总线的选用原则

国内的大型化工企业均为连续性过程控制,目前还是以DCS为主,多为模拟量控制回路,采用现场总线的情况一种是作为现场总线设备的链路接入,此时可根据设备选择总线方式:一种情况是作为DCS的远程通信扩展,此时可以选择Profibus-DP或AS-I总线:还有一种情况是仅仅对模拟量的回路进行控制,不用于联锁和复杂控制,可以选用Profibus-PA或FF基金会现场总线H1。

对于离散和批次生产的中小型化工企业,大多是选用PLC系统,一般均采用Profibus总线,特别是西门子的STEP7应用更为广泛。

本装置属于批次化工生产装置,设计初期考虑控制系统通信方式如下:

(1)控制系统是西门子的PLCSTEP7,所以Profibus-DP成为了总线通信的首选。

(2)考虑到现场到机柜间距离较远,选用现场总线可以大大节省电缆的铺设费用。

(3)现场的通信协议较多,从4~20mA信号到数据信号,以及AS-I模拟量信号,用Profibus信号通信最为方便。

(4)每条生产线的工艺单元分为六大部分,其中紧停安全PLC、调节阀定位器、变频器、热油加热器以及干燥器等均是通过Profibus现场总线连入PLC控制系统。Profibus总线分配表如表1所示。

(5)单台设备的故障信息需要传送到PLC进行报警分析,所以需要总线通信。

(6)使用Profibus-PA协议,可使传感器和执行机构连接在同一条PA总线上。由于Profibus-DP是高速低成本通信,用于设备级控制系统和分散I/0的连接,所以不仅各条PA总线可通过Profibus-DP扩展串行连接,同时还能连接不同厂家的可调试设备,传输通信中详细包含单台设备的地址和功能行为,具体如图1所示。

基于以上设计考虑,本生产装置最终确定由西门子STEP7PLC系统负责过程控制监控。现场的各类常规仪表通过Profibus-PA采集,部分仪表通过AS-I通信,紧停PLC采用Pilz实现,安全仪表系统采用HIMA安全PLC,通过Profibus-DP现场总线采集数据到STEP7。上位机对数据进行分析,实现报警管理和历史数据管理,形成管控一体化,达到稳定生产和持续改进的目的。

2控制系统的构成

2.1控制系统配置

如图2所示,本装置PLC系统硬件配置23台电脑,其中1台移动式ES工程师站、6台SCADA监控站、14台VIEW操作员站、2台数据SERVER机。功能分配如下:

(1)ES工程师站:用于PLC组态编程修改、下装,现场状态监控等。

(2)SCADA:用于iFix组态修改编程、流程图绘制、历史数据点增删等。

(3)VIEW操作员站:用于监控操作,分为班长和操作员级别。

(4)SERVER机:用于存储各条生产线的数据,可进行历史数据和报警的采集和分析。

(5)现场控制层:PLC通过Profibus总线将各类仪表、SIS系统连接起来。

2.2现场总线配置

以其中一条REx生产线为例,共有6根总线通过Profibus-DP将现场的众多设备连接起来,包括Single加热器、干燥机、Pilz安全PLC和HIMA安全仪表系统,下层通过Profibus-PA连接模拟量信号的温度、压力、流量传感器以及总线定位器,同时接有AS-I通信的传感器。其中一根总线上有多达47台设备,具体如图3所示。

每块西门子S7CP443-5通信卡上连接一根总线,本装置的总线上的通信耦合器主要包括如下两类:

(1)DP/PA耦合器:实现PA和DP的转换,采集现场的PA仪表数据和设备状态信息。

(2)ASI-DP网关:实现ASI和DP的转换,将现场模拟量信号的AS-I设备转换成DP信号。

不同于DCS即插即用的设备,Profibus的现场设备不能自动分配地址,所以需要事先在硬件组态中和现场设备上编订好DP地址,从而实现主从设备的连接访问。DP总线下的PA设备和AS-I设备也需要进行PA地址拨码,不同的DP总线上的地址可以重复。

包含测量信号和设备状态信号的数据经总线传输到PLC后,由主控卡进行处理,采集的监控数据存储在SCADA站中,VIEW操作站从SCADA中进行显示数据采集,实现人机交互:两台SERVER站从SCADA收集数据和报警信息,内有数据处理应用,实现历史数据的保存和回溯,并可对报警进行记录筛选,可用于报警管理先进控制,逐步实现对生产的优化和改进。

3Profibus在实际应用中的问题

虽然现场总线是今后发展的趋势,但想完全取代DCS目前还无法实现,更多的是DCS和现场总线的融合使用。笔者使用和维护过TPS、DeltaV、浙大中控ECS-100以及西门子PCS7等DCS系统,虽然DCS和PLC本身就不具有可比性,但仅从数据通信来说,个人认为PLC的Profibus通信更加脆弱,严重的甚至会导致PLCSToP的现象,下面以两个实例进行说明。

3.1DP通信故障导致PLCSTOP

本装置曾发生过因为ProfibusDP通信接头接触不良短时间内频繁报警,最终致使PLCSToP,导致全线停车的故障。当时首先恢复PLC到正常运行阶段,采用逐点断站的方式找出引起整条线故障的DP从站,确定故障点后,更换接触不良的DP通信接头,恢复生产。

事后,经分析PLCCPU状态和报警记录发现,CPU的负荷并没有超出高限,排除了因为CPU负荷过大导致处理终端停止运行的可能性:随后对报警信息进行分析,发现是由于某个从站的DP通信频繁报警,导致CPU的诊断信息记录被报警信息占满,使得CPU频繁对该站进行访问分析,耗用了大量的扫描时间,如图4所示。

对CPU在线诊断中检查发现CPU的ScanMonitoringTime设置为150mS,而当前CPU的ScanTime最大时间曾经达到过169mS,大于设定值,如图5所示。西门子S7PLC的CPU实际扫描时间会因为回路的状态产生变化,如果CPU诊断时因外部原因造成的诊断中断较多,相应CPU的扫描时间也会增加。依据西门子手册描述:"IftheScancycletimeexceedStheScanmonitoringtime,theCPUenterStheSToPmode",故分析认为是CPU诊断中断短时间内剧增,使得CPU的扫描时间延长,超过了系统监控时间,最终导致CPUSToP,致使整条生产线停车。

为了防止此类故障再次发生,依照西门子厂家建议,扩大了每条线PLC的CPU扫描诊断时间,将150mS的扫描周期扩展为2000mS,增加系统扫描中断的容错性。同时对ProfibusDP总线上的DP通信接头进行计划性更换,并对每个通信接头的屏蔽进行检查,避免因通信接头原因导致通信偶发性故障产生。

3.2伺服电机DP总线干扰故障

正常生产的模具线,突然出现Profibus一DP频繁掉线报警,无法正常运行。排除现场网络中枢节点0DT模块和DP通信接头的硬件故障:检查内存容量,排除内存饱和引起中断的可能:检查CPU网络设置中DP连接重试次数,之前该生产线曾发生过类似故障,在不改变硬件结构的情况下,对网络设置DP连接重试次数进行扩展,从2次扩为7次。

DP连接重试次数指DP通信故障发生时,如果连续两个周期都无法连接,则系统认为通信中断,会自动报警联锁网络通信故障,造成停车。但现在该尝试重试值已经为最大值7,依然报网络通信的故障,便可判断应为通信故障始终存在,无法用软件兼容进行修正。最后认为是该故障总线上的通信与其他设备通信链路有干扰,需改变网络设备间的拓扑方式,如图6所示。

将原来的链路从通信卡后的0BT上改入新增加的通信卡上,直接创建一条新的通信总线,不和之前的部分电机变频器共享同一网段,杜绝了网段上的信号干扰。硬件改变后,下装组态程序,故障解决。

本装置类似这种因为设计时没有考虑到Profibus通信的干扰等情况,导致在运行一段时间后,需要重新对硬件架构进行改动的情况偶有发生,由于排查有一定难度,且需要控制系统厂家工程师现场检测,对生产的日常正常维护造成了一定的困难。

4结语

Profibus现场总线发展至今已经比较成熟,在不同的化工企业中都有所应用,但要想充分体现总线比传统DCS的优越性,就必须严格按照总线的设计原则和选用条件,严谨施工,注意从通信、屏蔽接地到现场各种可能性干扰的预防,避免出现因为通信干扰而造成查无头绪、不知从何下手的故障。这就要求我们系统维护人员对于初期的系统设计、中期的现场施工、后期的调试联校都需要参与并给出有参考价值的意见,真正为装置稳定生产保驾护航。