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解脱527

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PLC控制器升级技术研究

解脱527  发表于 2007/9/6 16:50:38      976 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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济钢第一烧结厂2×90m2烧结机1994年10月投产,电控系统使用4台美国Modicon 984系列PLC,控制器型号984-785E,根据烧结工艺分区域控制生产设备和部分仪表,分别叫做1PC、2PC、3PC和4PC。每台控制器有一个本地站(即主站)和若干远程I/O站(即RIO),本地站与RIO之间使用Modicon的S908,实现主从轮询方式LAN通讯,本地站作为S908的主节点, RIO站使用J89x、P89x等通讯模块,通讯介质为同轴电缆,分双缆冗余总线、单缆总线和分布式等几种结构。由于生产需要,2002年底的“济钢2× 90m2烧结机工艺优化和自动化改造工程”中,将其中2台PLC控制器升级为Schneider Quantum系列PLC,保留原有远程I/O站不变。
  控制器之间,及其与下位编程工控机、上位监控机之间使用Modbus Plus(简称MB )通讯。控制器用标准9针RS485串行端口,工控机用AS-SA85-000网络插卡,实现相互间数据读写。网络用屏蔽双绞线构成总线形拓扑结构。控制器之间使用984梯形图指令集的MSTR指令进行数据交换。
  PLC组态软件用Modicon公司DOS环境下的Modsoft 2.1,进行电控系统梯形图编程。上位监控软件用美国USDATA公司的Unicell,基于Windows 3.1操作系统,实现集中计算机画面显示、控制与报警等功<能,由组态和运行两种硬件KEY进行软件和数据保护。

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2、升级动机
  “济钢2×90m2烧结机工艺优化和自动化改造工程”的实施,引进芬兰RAUTARUUKKI公司的烧结过程监控系统(即SPSS),通过L1、L2的11个控制模型,对烧结生产的全过程进行实时监控。SPSS系统要求与电控PLC系统进行大量数据交换,984系统完成这种数据交换非常困难,必须对984 PLC进行改造。PLC系统整体改造,不仅投资大,施工周期长,改造过程中还会碰到很多难以预知的情况,因此考虑只对PLC控制器进行升级的可能性, Modicon现已是Schneider的下属公司,经过与Schneider公司的技术交流及多方论证,得出984控制器升级到Schneider Quantum控制器是完全可行的。
  另外,984系列PLC设备陈旧,运行速度慢,生产商不再生产产品,备品备件——特别是控制器价格昂贵且购置困难,对老系统运行已是一种阻碍。其DOS下的Modsoft组态、Windows 3.1下的Unicell上位监控都远远落后于计算机技术的发展,给生产操作和控制带来很大不便。

3、可行性研究
3.1、硬件
  美国Modicon公司现是法国Schneider公司的一个下属公司,Quantum系列PLC是Schneider 公司的高性能PLC,对984系统,特别是其RIO具有兼容性,能直接与984的RIO进行通讯。其140CPU53414A控制器具有下列性能: 5X86/133MHz、1M闪存/4M SRAM、57K寄存器、984梯形逻辑解算时间:0.09~0.45mS/K、每个站64字入/出。

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标准通讯端口支持Modbus和Modbus Plus联网通讯,控制器背面的旋转开关用来设定1-64个有效MB 地址,控制器内含一个基于通用984指令集的80多条指令。
  提供984梯形逻辑图编程语言和IEC 61131-3的5种标准编程语言:梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本和指令表。

3.2、软件
  Quantum系列PLC组态软件Concept 2.5是Schneider公司基于Windows的编程工具,具有易用的接口、强大的搜索和在线帮助功能、满足大多数苛刻的算法和应用要求、支持984 梯形逻辑图,并包括一个Modsoft程序转换器,兼容984梯形图程序,用Concept 984在Concept IEC语言和传统的Modsoft编程技术之间架起桥梁,能很容易地由Modsoft过渡到Concept,使用更有效的Concept工具。
  上位监控软件仍用USDATA公司的产品,版本是更新的Monitor Pro V7.0(MP7)。
  操作系统使用基于NT的Windows2000,采用C/S结构。服务器中用MP7自带的Microsoft公司SQL Server7.0数据库。

3.3、通讯
  Quantum支持984  RIO的S908通讯,有三种I/O结构:本地I/O、远程I/O、分布式I/O。
Quantum同样支持MB 通讯方式。Modbus Plus典型应用包括:控制连网与互锁、数据采集、程序上装/下装、远程在线编程、与操作员接口连接和主机数据采集。

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  另外,Quantum TCP/IP Modbus Ethernet模块兼有Ethernet、TCP/IP和Modbus三种开放的通用的网络标准。Ethernet网络系统包括:控制器之间执行对等通讯,可用标准PC服务器进行简单且集中的程序归档,允许用户自由地在本地计算机市场中采购元器件,通过LAN与控制器进行通讯,对Quantum控制器进行编程,在控制器和主系统之间集成通讯,通过使用标准PC Web浏览器获取系统状态信息和诊断信息。

4、方案实施
  利用工艺设备大修改造时间,将2PC、3PC两台PLC的控制器由984升级到Quantum,只对本地站的设备作相应改造,而远程I/O站不作任何改动。采用Quantum的以太网模块,将PLC直接连到10M/100M以太网上。
  改动如下本地站硬件:
  1、Quantum系列140CPU53414A控制器,由984-785E升级
  2、本地站机架(即背板)XBP,配合Quantum控制器
  3、电源模块CPS,配合Quantum背板
  4、通讯模块CRP,配合Quantum背板
  5、I/O模块,配合Quantum背板
  6、以太网模块140NOE77110,用于100M以太网通讯
  984控制器与RIO的S908、控制器间的MB 通讯可继续在Quantum上使用,仅将本地站的通讯模块S908换成CRP模块。其它如MB 、S908通讯附件等,不用更换即可使用到Quantum上。

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  优化PLC系统,用UPS对CPU集中供电,重新敷设接地线。
  使用可直接插入Quantum背板上的Quantum TCP/IP Modbus Ethernet通讯模板,将控制器直接连到Ethernet网络,与连在Ethernet的工控机及上位机实现100M高速通讯。
  组态软件由Modsoft升级到Concept 2.5,上位监控软件由Unicell升级到C/S结构的Monitor Pro 7.0,操作系统升级到Windows2000。
  升级后,不但PLC控制器的性能得到大大提高,而且可以使用最新的组态软件和监控软件,与过程控制系统更好地进行数据交互,使控制水平和操作方式提升到一个全新档次。

5、注意的问题
  使用过PLC的人都知道,PLC运行中最常碰到、最令人头痛的问题是通讯和接地,通讯或接地故障会造成整个PLC系统停止工作,且具有特征隐蔽性,发生不可预料性,表象不可知性,判断困难性,排除复杂性等特点。
  实际PLC升级中需注意以下问题:
5.1、通讯问题
  PLC通讯问题一是控制器间通讯故障(MB 故障),一是远程站通讯故障(S908故障)。MB 故障时,控制器之间通讯中断,不能实现数据有效传送,引起不同控制器控制的设备联锁不起作用。S908故障更加隐蔽,查找排除更加困难,通讯网中只要由一个连接头接触不良,就会引起整个网络通讯间断,造成设备全面故障停机。

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  升级过程中碰到了PLC内部的S908通讯故障,通讯过程瞬间中断,接着马上恢复正常。由于设备之间存在工艺联锁,故表现为从第二台设备开始,后续设备全部停机,延时5秒钟后又自动重新开机的现象。排查过程如下:
  1、电气排查。检查电气设备(开关、接触器等)接点正常,电源电压正常,电气接地正常,初步排除电气问题。
  2、通讯检查。开机时各通讯接头不能断开,简单检查晃动每一个接头,没有发现问题。
  3、程序强制。专门设计制作一段小程序,让第二台设备接到停机命令后,保持1秒钟后再停,这时发生了从第三台设备开始的自开自停现象。由此类推。
  4、原因分析。此时已基本断定是S908通讯故障,其中的某一处接头接触不良,引起通讯瞬间(μS级)中断,造成生产设备全线停机,第一台设备因接触器的机械反应速度慢而没有表现出停机。
  5、故障排除。要求生产停机,从本地站开始,用排除法检查S908的每一条通讯电缆的每一个通讯接头,最终发现是同轴电缆连接头松动引起的。

5.2、Modsoft梯形图转换问题
  Modsoft到Concept的梯形图转换,必须用Conccept的Modsoft Converter程序转换器,按操作说明一步一步地将原有的984 Modsoft梯形图程序转换成Concept程序。
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5.3、施工问题
  施工主要难题在工期,为不影响生产,一般工期不会超过三天,这就要求本地站硬件更换、软件转换及系统、控制设备的调试必须一次成功,不允许有失败。因此,施工前的准备必须充分,对硬件施工网络详细计划,对软件事先做好实验室调试,确保无误。

  6、结论
  自2002年11月,济钢第一烧结厂2台PLC控制器由984升级到Quantum以来,系统运行一直稳定可靠,没有出现任何因控制器升级引起的问题。实践证明,Modicon 984 PLC控制器升级到Quantum是完全可行的,在不改变远程I/O的情况下,只升级控制器,对本地站作相应改动即可。这种升级方式实施简单,投资少,工期短,效果好,值得推广和借鉴。
  PLC控制器升级是建立在改造的基础上,难免存在一些不如人意的地方:
  1、完整性不如系统整体升级。
  2、梯形图不如功能块图直观简洁。
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