PLC控制器升级技术研究

1、前言 　　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。 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。 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。 　　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。 　　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。 　　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。 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。