天津石化化工部短丝PLC系统改造

摘要：本文主要介绍了短丝PLC通讯系统的运行情况并分析了短丝装置PLC通讯系统目前存在的主要问题，同时针对存在问题提出切实可行的改造解决方案。

关键词：短丝通讯系统 PROFIBUSPLC 干扰

中图分类号： TJ768.4文献标识码：A 文章编号：

一、短丝PLC通讯概况说明

化工部短丝装置从2000年8月投产以来，前纺A、B线增压泵每年均出现不同程度的停车故障，但即时就可以恢复生产，且变频器和DCS上均无报警显示。通过分析工艺数据不是由工艺联锁条件引起的停车。用PG连接PLC的CPU，从PLC故障诊断信息发现是由于部分从站（包括变频器和ET200M）从PROFIBUS通讯总线上丢失，这一情况说明有通讯的故障存在。故障信息在PLC内最多可存贮120条，系统抓不到最初发生的通讯故障点。经过对多次故障进行分析和判断，在长时间（几十至几百毫秒，相对于几个到十几毫秒为长时间）的通讯故障的情况下就有可能产生PROFIBUS通讯数据传输错误，导致误动作停车。

2012年大修之前的停车统计数据如下：统计数据为2001年4次，2002年2次，2003年2次，2004年4次，2005年2次，2006年3次，2007年4次，2008年1次，2009年1次，2010年3次，2011年19次，2012年10次给生产造成很大损失。

二、 短丝前纺PLC系统工作原理

短丝前纺增压泵A、B线各由1套PLC进行自动控制，采用SIEMENS的S7-400系统，PLC与外部设备之间通讯由以下构成：

1、CPU通过PROFIBUS与其它机柜的ET200M从站进行通讯，通讯网络总线为PROFIBUS L2-DP.1

2、PLC系统的IM467模块通过PROFIBUS与变频器进行连接通讯，通讯网络总线为PROFIBUS L2-DP.2

3、PLC系统通过CP 441模块与HONEYWELL的DCS进行通讯， 进行数据交换。PLC与DCS之间的通讯方式采用MODBUS。

短丝的PROFIBUS通讯构成图如下：

短丝车间PROFIBUS通讯构成图

PROFIBUS 是一种具有国际化、开放化以及不依赖生产商的现场总线标准，PROFIBUS协议分为三类，其中短丝采用PROFIBUS-DP,满足自动化工厂中分布式I/O与现场设备之间所需要的高速数据通讯。PROFIBUS网络上的站点，按照地址顺序组成一个逻辑拓扑环。令牌只在主站(Masters)之间顺序传递。获得令牌的主站可以在拥有令牌期间对属于它的从站(Slavers)进行发送或读取数据的操作。PROFIBUS-DP网络就是基于这种存取机制，在一个PROFIBUS网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站，从而构成了单主站的主、从系统。短丝的网络结构CPU414为主站， ET200M（地址为3.4.5.6.21.22.23）、变频器(地址为3.4.5….55.57)为从站，每一个从站有一个且唯一的地址，CPU通过寻址与从站建立通讯连接。

三、 PLC系统改造具体方案

根据历年的故障现象我们总结出故障原因有主要以下几点：

1、PROFIBUS L2-DP1总线上的ET200M通讯出现故障，导致前纺增压泵、计量泵电机的启、停信号、电机辅助控制回路的信号与CPU失去联系，无法进行传输。CPU根据通讯协议不停的向从站发出通讯指令，但从站无响应，造成以上数据不能传递到CPU与DCS,导致增压泵停机。我们从PLC的故障诊断截取出的信息中可以体现：

PLC故障诊断信息截取图

2、PROFIBUS L2-DP2总线上挂接的均是变频器，包括增压泵变频器、增压泵备用变频器、计量泵变频器。当PROFIBUS L2-DP2总线上的某个或多个变频器出现通讯故障时，IM467卡件报警，导致全线停车。

产生上述情况的主要原因在于控制联锁信号使用通讯传递。在项目设计中将短丝前纺增压泵、计量泵电机的启、停信号，电机辅助控制回路的信号放在通讯里进行传输控制，而不是进行硬线连接，这些信号又在PLC、变频器、DCS之间进行控制联锁，一旦出现通讯故障或通讯中断，就使得这些控制或联锁信号不能顺利传输到变频器、PLC的CPU、DCS，造成增压泵联锁停车。由于短丝生产工艺的连续性和装置的特殊性我们制定了大修期间的彻底改造方案：

针对上述情况我们做了以下工作：

1、将PROFIBUS-DP1上的地址为3、4、5从站ET200M取消，在增压泵PLC控制柜旁边增加一面PLC控制柜，柜内将主机架上增加的扩展机架安装在内，并配备了相应的电源模块及接线端子。这样我们将地址为3、4、5的从站输入输出点移到扩展机架的输入输出卡上，从而避免了ET200M从站出现通讯掉站的故障。

2、将PROFIBUS-DP1上的其它从站的通讯介质由电气双绞线全部改为光纤通讯，提高总线对电气的抗干扰能力，且鉴于原来的OP（操作屏）很多已经损坏，根据工艺的意见OP也基本没有太大作用，除保留增压泵的OP外，其它OP取消，且OP的通讯介质也改为光纤通讯。将PROFIBUS-DP2上的变频器通讯有一条总线控制改变为两条总线控制，从而减轻总线的负载率，提高总线的稳定性。

3、由于原设备中PROFIBUS-DP1上的IM467总站下共带有54台SIEMENS变频器，按照RS485串口通讯的规范，当网络中的硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通讯距离已经超出规定范围时就应该使用RS485中继器来拓展网络连接。PROFIBUS通讯属于RS485通讯的一种，因而也遵循这样的原则，及如果网络中实际连接的硬件超过32个时，或者所对应的波特率超过一定的距离时，则需要增加相应的RS485中继器来进行物理网段的扩展。 设备的原始设计是整个网络总线直接连接了54台变频器，我们决定将变频器网络分成两段控制，每段网络的起始端增加中继器。

另外为了增加系统网络的稳定性，在PROFIBUS电缆的两端应该连接终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，因为信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：断线），信号会在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。

因而，在一个物理网段中，应该保证在网络的两个终端各有一个终端电阻，不能增加也不能减少，否则我们的总线上的网线与终端电阻将会出现不匹配的问题。这就意味着，如果终端站点出现问题，则有可能会影响到整个网络的通讯质量，因而除了使用PROFIBUS connector上自带的终端电阻，可以使用有源的终端电阻设备。

同时为了增加PROFIBUS-DP1上的变频器通讯网络的抗干扰能力，我们将原IM467模块进行更换，更换为抗干扰能力更强的IM461-0，同时将原有的profibus通讯电缆及通讯接头全部进行更换。

3、为了方便控制系统的诊断，在控制系统上增一块以太网通讯模块和相应的交换机，便于编程器的接入和快速诊断。

根据以上的硬件调整，优化整个控制系统的程序和网络结构，对控制系统的通讯程序和联锁关系进行修改和完善，如将增压泵的故障信号和电流在WINCC上显示、增加故障信号的归档记录等。并增加相应的软件包。

新改造的PLC控制系统如下图所示：

短丝车间改造后的PLC控制系统原理图

四、改造后的效果

系统改造升级后，完全杜绝由于通讯造成的前纺停车故障，降低故障率和故障范围，从而保证前纺的生产正常运行。目前通过增加的wincc系统监测，截止至今未发生任何通讯故障。解决了自2000年以来困扰的难题，从而保证前纺的生产长、稳、优运行。

五、参考文献

[1]．SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全．西门子

[2]．西门子S7-400使用手册．西门子

[3]．化工部短纤维装置工艺手册．天津石化公司化工部