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

煤氣廠負責向該公司的高、中壓氣體供應，如蒸汽和磷酸，并承擔部分加壓氣、溶解、碳形成和碳燃燒的任務。這是公司整體生產能否正常運行的基礎。為提高煤氣廠自動化水平、保障期安全生產運行,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。該系統是德國西門子公司推出的一種應用于大型生產過程領域的、功能豐富的新型集散控制系統,它基于現場總線技術,集成了傳統DCS和PLC控制系統的優(yōu)點,將兩者的功能有機的結合在一起。PCS7系統的特點是:所有硬件都基于統一的硬件平臺,所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,有同樣統一的軟件平臺。是一種適用于現在、面向未來的開放型、全集成、高度安全的過程控制系統。煤氣廠安裝該系統后,技術人員進行了調試,但期間該系統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確了解實際的生產運行情況和工藝狀況。針對這一問題,技術人員組織攻關小組進行了深入仔細的研究,經過大量的實驗,找到了解決具體問題的方法。目前該系統運行正常,其成功應用大大提高了煤氣廠的安全運行和生產自動化水平,減少了熱工維護人員的工作量。1profibus-dp西門子PCS7系統的構成如圖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)以太網總線上。CPU同時通過自己的DP口、各DP站(遠程IO站)通過冗余總線接口模塊IM153-2掛在PROFIBUS-DP現場總線上。正常情況下,兩臺CPU共同運行,兩臺服務器與主CPU上交換數據,當主CPU或其通訊模塊、電源模塊或其中的一路工業(yè)以態(tài)網總線出現故障時,兩臺服務器自動無擾動切換到另一路CPU上交換數據?？蛻魴C從主服務器上讀取數據,當主服務器有故障時,自動無擾動切換到從服務器讀取數據,完成和操作站以及各DP站通訊,保障系統安全運行。該CPU模塊的任務是把從各DP站的輸入模塊讀取的各種工藝參數、操作員指令等送入事先編好的程序中進行運算。其運算的結果通過各DP站的輸出模塊送給現場執(zhí)行機構執(zhí)行。各個操作站可以顯示各運行參數值、監(jiān)視生產運行狀況和操作各工藝設備的運行狀況,調整的運行狀況、察看歷史記錄及報警顯示等功能。2系統調試2.1信號不固定的原因西門子PCS7系統安裝以后,初期的系統接入的信號比較少,各模擬量輸入參數均顯示正常。隨著大量信號的陸續(xù)接入,技術人員發(fā)現有些信號不定時的從“0”到“無窮大”跳動顯示,有些參數一直顯示“無窮大”。此時操作人員不能獲得準確的各種數據狀態(tài)和生產運行信息,無法組織生產,經觀察,各跳變信號均為四線制模擬量輸入信號。2.2模-數轉換控制模塊所有的模擬量輸入信號都采用4~20MA的標準信號制信號。模擬量輸入模塊為S7-300系列的6ES7331-7KF02,8通道,模-數轉換精度為12位,兼顧了轉換速度和轉換精度,是西門子公司比較經典的模塊。根據不同的要求,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)問題技術人員通過如下幾個方面的檢查,得到相應的結果:(1)經檢查,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)技術人員分別從接線柜端子排上逐一檢查,現場用模擬器輸入信號顯示正常;(4)經過在線檢查硬件組態(tài),系統提示模塊運行正常,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,技術人員因此分析認為:故障原因是信號有高頻電磁干擾。4解決問題的方法經過多次的檢查和討論研究,技術人員決定從以下兩方面入手進行分析和試驗,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在試運行階段,現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。其它機械和電氣設備都是正常生產時必須運行的設備。分析認為:即使干擾源來自這些設備,也只能想辦法消除和克服,不能移除設備。4.2保護接收點中電位差的情況,主要是信號轉換電路經討論嘗試安裝隔離器的方法,雖排除了對模塊的干擾,但安裝和設計都已經完成,且由于接線柜等地方的空間和生產進度等時間的限制,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,并與各柜子的基礎和機殼絕緣的接地母板連接,最終連在單獨的接地樁上,經測量接地電阻也符合要求;在現場端卻也接在與基礎相連的電氣接地上,查閱西門子模擬量模塊6ES7331-7KF02的技術規(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。最后技術人員按照要求,仔細檢查每一根屏蔽電纜,把所有的現場端都懸空、包好;在控制室側的線不動,發(fā)現此時有一部分信號顯示正常了。分析認為:按原來的接法信號電纜兩端存在電位差,造成系統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值超范圍對轉換電路的干擾西門子技術手冊關于模塊技術規(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,遠遠大于規(guī)范要求。根據規(guī)范要求,此時技術人員將“M-”與“Mana”及“M”之間短接起來,經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-數轉換、數字化被測量等值向總線底版的傳送是逐個且按順序進行的,即按照原理:模擬量輸入通道是順次轉換的。轉換執(zhí)行過程中,轉換電路始終認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換器,而且得到的轉換結果為同一標準。但在生產實際中四線制輸入信號的設備,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。因此實測的結果發(fā)現有些點的Ecm值大大超出允許范圍。因此必須按照技術規(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。分析認為:調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格按照設備廠家的技術規(guī)范要求,如接地方法和接地裝置是一個比較復雜的問題,各個國家、各家公司對各自系統的接地要求都不完全相同,要應用規(guī)范合理的方法解決具體的問題。本案中用短