淺談西門子pcs7模擬量輸入信號顯示跳變問題

淺談西門子pcs7模擬量輸入信號顯示跳變問題

煤氣廠負(fù)責(zé)向該公司的高、中壓氣體供應(yīng)，如蒸汽和磷酸，并承擔(dān)部分加壓氣、溶解、碳形成和碳燃燒的任務(wù)。這是公司整體生產(chǎn)能否正常運行的基礎(chǔ)。為提高煤氣廠自動化水平、保障期安全生產(chǎn)運行,2004年中鋁廣西分公司在煤氣廠的造氣爐、排送機等崗位,選用了兩套德國西門子公司的PCS7過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是德國西門子公司推出的一種應(yīng)用于大型生產(chǎn)過程領(lǐng)域的、功能豐富的新型集散控制系統(tǒng),它基于現(xiàn)場總線技術(shù),集成了傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點,將兩者的功能有機的結(jié)合在一起。PCS7系統(tǒng)的特點是:所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺,所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,有同樣統(tǒng)一的軟件平臺。是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型、全集成、高度安全的過程控制系統(tǒng)。煤氣廠安裝該系統(tǒng)后,技術(shù)人員進(jìn)行了調(diào)試,但期間該系統(tǒng)許多四線制電流輸入的模擬量輸入信號顯示異常。如不定期地跳變、或一直不停地顯示“無窮大”,使得操作人員很難準(zhǔn)確了解實際的生產(chǎn)運行情況和工藝狀況。針對這一問題,技術(shù)人員組織攻關(guān)小組進(jìn)行了深入仔細(xì)的研究,經(jīng)過大量的實驗,找到了解決具體問題的方法。目前該系統(tǒng)運行正常,其成功應(yīng)用大大提高了煤氣廠的安全運行和生產(chǎn)自動化水平,減少了熱工維護(hù)人員的工作量。1profibus-dp西門子PCS7系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示:雙冗余兩塊CPU模塊通過通訊處理器CP443-1和各操作站掛在冗余的工業(yè)以太網(wǎng)總線上。CPU同時通過自己的DP口、各DP站(遠(yuǎn)程IO站)通過冗余總線接口模塊IM153-2掛在PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上。正常情況下,兩臺CPU共同運行,兩臺服務(wù)器與主CPU上交換數(shù)據(jù),當(dāng)主CPU或其通訊模塊、電源模塊或其中的一路工業(yè)以態(tài)網(wǎng)總線出現(xiàn)故障時,兩臺服務(wù)器自動無擾動切換到另一路CPU上交換數(shù)據(jù)?？蛻魴C從主服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù),當(dāng)主服務(wù)器有故障時,自動無擾動切換到從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù),完成和操作站以及各DP站通訊,保障系統(tǒng)安全運行。該CPU模塊的任務(wù)是把從各DP站的輸入模塊讀取的各種工藝參數(shù)、操作員指令等送入事先編好的程序中進(jìn)行運算。其運算的結(jié)果通過各DP站的輸出模塊送給現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行。各個操作站可以顯示各運行參數(shù)值、監(jiān)視生產(chǎn)運行狀況和操作各工藝設(shè)備的運行狀況,調(diào)整的運行狀況、察看歷史記錄及報警顯示等功能。2系統(tǒng)調(diào)試2.1信號不固定的原因西門子PCS7系統(tǒng)安裝以后,初期的系統(tǒng)接入的信號比較少,各模擬量輸入?yún)?shù)均顯示正常。隨著大量信號的陸續(xù)接入,技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)有些信號不定時的從“0”到“無窮大”跳動顯示,有些參數(shù)一直顯示“無窮大”。此時操作人員不能獲得準(zhǔn)確的各種數(shù)據(jù)狀態(tài)和生產(chǎn)運行信息,無法組織生產(chǎn),經(jīng)觀察,各跳變信號均為四線制模擬量輸入信號。2.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換控制模塊所有的模擬量輸入信號都采用4~20MA的標(biāo)準(zhǔn)信號制信號。模擬量輸入模塊為S7-300系列的6ES7331-7KF02,8通道,模-數(shù)轉(zhuǎn)換精度為12位,兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度,是西門子公司比較經(jīng)典的模塊。根據(jù)不同的要求,可組態(tài)成電壓輸入、四線制電流輸入、二線制電流輸入、熱電阻輸入和熱電偶輸入方式,組態(tài)為四線制電流輸入方式。該模塊的端子接線圖如圖2所示,各端子含義如下:L+:DC24V+;M+:輸入信號+端;Mana:模擬測量電路的參考電壓。3硬件組態(tài)問題技術(shù)人員通過如下幾個方面的檢查,得到相應(yīng)的結(jié)果:(1)經(jīng)檢查,運行中的各模塊的組態(tài)、各變送器、閥門、變頻器等工藝設(shè)備接線無誤,且各點接觸良好,排除了接線不良和接線工藝的問題;(2)技術(shù)人員用中間變量代替實際物理量,此時信號顯示正常,確定了監(jiān)控軟件無問題;(3)技術(shù)人員分別從接線柜端子排上逐一檢查,現(xiàn)場用模擬器輸入信號顯示正常;(4)經(jīng)過在線檢查硬件組態(tài),系統(tǒng)提示模塊運行正常,排除了模塊本身的問題;(5)直接把各信號接到電流表,電流表顯示的電流值對應(yīng)真實的工況,又排除了各傳感器的問題;(6)把輸入信號通過隔離器送入模塊,顯示正常。通過以上的排查,技術(shù)人員因此分析認(rèn)為:故障原因是信號有高頻電磁干擾。4解決問題的方法經(jīng)過多次的檢查和討論研究,技術(shù)人員決定從以下兩方面入手進(jìn)行分析和試驗,解決信號異常問題。4.1排除了大量電焊機工作投切造成的影響安裝初期系統(tǒng)在試運行階段,現(xiàn)場有些地方還在施工,如有一臺大容量的電焊機在附近作業(yè)。經(jīng)試驗,電焊機無論工作與否,原來跳變的信號繼續(xù)跳,不跳的照樣不跳,即信號顯示依然異常,排除了大容量電焊機工作投切造成的影響。其它機械和電氣設(shè)備都是正常生產(chǎn)時必須運行的設(shè)備。分析認(rèn)為:即使干擾源來自這些設(shè)備,也只能想辦法消除和克服,不能移除設(shè)備。4.2保護(hù)接收點中電位差的情況,主要是信號轉(zhuǎn)換電路經(jīng)討論嘗試安裝隔離器的方法,雖排除了對模塊的干擾,但安裝和設(shè)計都已經(jīng)完成,且由于接線柜等地方的空間和生產(chǎn)進(jìn)度等時間的限制,無法給每個信號通道都安裝隔離器。(1)消除等電線連接電流對模擬信號的干擾技術(shù)人員再次檢查各線路,由于各個信號線的屏蔽層在控制室端都辮綁起來,并與各柜子的基礎(chǔ)和機殼絕緣的接地母板連接,最終連在單獨的接地樁上,經(jīng)測量接地電阻也符合要求;在現(xiàn)場端卻也接在與基礎(chǔ)相連的電氣接地上,查閱西門子模擬量模塊6ES7331-7KF02的技術(shù)規(guī)范要求得知:所有的屏蔽層都必須單端接地,且必須接在單獨的接地裝置上。最后技術(shù)人員按照要求,仔細(xì)檢查每一根屏蔽電纜,把所有的現(xiàn)場端都懸空、包好;在控制室側(cè)的線不動,發(fā)現(xiàn)此時有一部分信號顯示正常了。分析認(rèn)為:按原來的接法信號電纜兩端存在電位差,造成系統(tǒng)的單獨接地與電氣接地之間由于電磁干擾,使這個電位差在屏蔽層中產(chǎn)生等電線連接電流,形成了對模擬信號的干擾,單端接地則解決了這類干擾帶來的故障。(2)消除Ecm值超范圍對轉(zhuǎn)換電路的干擾西門子技術(shù)手冊關(guān)于模塊技術(shù)規(guī)范要求:“M-”與“Mana”之間的電位差,即Ecm值小于2.5VDC。實測Ecm值為2.3V~7VDC不等,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。根據(jù)規(guī)范要求,此時技術(shù)人員將“M-”與“Mana”及“M”之間短接起來,經(jīng)過此接線方式信號顯示正常。由于該西門子模塊的8個通道的模-數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化被測量等值向總線底版的傳送是逐個且按順序進(jìn)行的,即按照原理:模擬量輸入通道是順次轉(zhuǎn)換的。轉(zhuǎn)換執(zhí)行過程中,轉(zhuǎn)換電路始終認(rèn)為各個通道的信號的“M-”電位是相同的,只有這樣,各個通道才能公用一個轉(zhuǎn)換器,而且得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果為同一標(biāo)準(zhǔn)。但在生產(chǎn)實際中四線制輸入信號的設(shè)備,如變送器、閥門和變頻器等由于供電有可能取自三相電源中的不同相別,各信號所處位置的干擾源不盡相同,干擾強度大小也不同,造成各個輸入通道的“M-”與“Mana”的電壓差不同。因此實測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些點的Ecm值大大超出允許范圍。因此必須按照技術(shù)規(guī)范的要求把各“M-”端和“Mana”端及“M”之間短接起來,使各信號的參考電壓在同一點上,故障得以排除。分析認(rèn)為:調(diào)試初期給各個通道輸入由電池供電的模擬器信號時,或輸入經(jīng)過信號隔離器隔離的信號時,顯示沒有發(fā)生異常跳變,是因為此時的輸入信號與交流電是隔離的,和“Mana”之間是沒有電壓的,則不會存在各個通道的Ecm值超范圍。而二線制模塊的輸入信號本身就是由該模塊來供電的,各個通道的Ecm值都一致,不會存在各個通道的Ecm值超范圍的問題。5短接口的接地工藝系統(tǒng)安全運行必須具備較好的抗干擾能力,在安裝和接線過程中必須嚴(yán)格按照設(shè)備廠家的技術(shù)規(guī)范要求,如接地方法和接地裝置是一個比較復(fù)雜的問題,各個國家、各家公司對各自系統(tǒng)的接地要求都不完全相同,要應(yīng)用規(guī)范合理的方法解決具體的問題。本案中用短