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Opto22 - opto22.zone

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    OPTO22热备控制系统在锅炉水位中的应用(转载)

    郑蕊 2010-04-16 11:35

    --作者:刘江、王长松、黄效国(北京科技大学机械工程学院)

     

    1.OPTO22控制系统及应用背景

      OPTO22控制系统是由OPTO22公司提供的一系列产品搭建而成。OPTO22公司位于美国加州,成立于1974 年,是工业I/O模块和控制系统的重要制造商。OPTO22产品特别适用于在各种恶劣环境下完成不同要求和高可靠性的控制,其I/O硬件模块在世界上率先采用了陶瓷材料封装,使其具有极好的抗恶劣环境的性能,且终生保用。该公司于1988年,在世界上第1个推出了基于流程图的控制软件,为工业自动化控制提供了一个更加简单方便的捷径。在90年代,OPTO22公司先后推出Mistic I/O、SNAP I/O控制系统和基于以太网I/O控制系统,逐步取代传统的PLC和DCS。

     

      在舞阳钢铁公司20t锅炉仪表控制系统的技术改造项目(此项目包括3个要改造的20t锅炉)中,公司从性能价格比方面考虑,最终选用了OPTO22公司的一系列产品来组建控制系统。该系统采用上、下位机方式,在现场采用多级CPU进行控制处理,各I/O模块对输入输出信号能提供4000V的隔离,系统的实时性、可靠性、灵活性优于其他系统。系统的上位机主要由工控机、控制软件组成;下位机主要由控制器、智能板、I/O模块组成。上位机与控制器是通过100Mb/s以太网进行通信,控制器与智能板是通过RS485进行串行通信,I/O模块直接插在智能板上。控制软件从上位机通过以太网下载至控制器。OPTO22控制系统随机附带的软件包括OptoControl、OptoDisplay、OptoConnect 、OptoServer等配套软件。

      该项目明确要求:系统除了具备正常的汽包水位控制外,还需具备热备功能。在控制器热备切换过程中,一些重要的参数,如蒸汽产量,PID调节参数,调节阀开度等参数不能丢失,系统仍能稳定运行,不能出现突变。由于OPTO22控制系统软件中不包括控制器热备的模块,所以需要开

    发一套具有热备功能的控制系统。

     

    2.热备控制系统的概念及其组成

      在一些重要的控制场合,需要控制器长期连续工作,不允许出现丝毫问题。例如在热电厂、钢

    铁厂的锅炉仪表控制中,如果控制器出现问题,锅炉不能正常工作,则不能向各个车间提供蒸汽,因此而影响各个车间的正常生产,有时甚至造成严重事故。控制器一旦不能正常工作,必须采取及时措施,或手动干预,或自动干预,使被控制的设备仍然能正常工作。另外,在生产过程中,系统有时需要调整控制程序,但在调整程序的时候,要求不间断生产,并且一些记录产量的重要数据不能从控制器中丢失。在这样的控制系统中,一般配备两个控制器,一个称为主控制器,另一个称为备份控制器。在正常情况下,控制系统使用主控制器进行控制。当出现意外情况或调整主控制器程序时,主控制器不能正常工作,则系统自动启动备份控制器代替主控制器进行控制。当主控制器恢复工作后,系统能够自动从备份控制器切换回主控制器,我们通常把这一过程称为热备过程。

     

      在热备控制系统中,主控制器与备份控制器的连接与组成如图1所示。系统的主控制器,备份

    控制器通过以太网(Ethernet)与工控计算机相连,控制器则通过RS485串口与智能板相连。主

    控制器的两根RS485控制线与数字量智能板(B1)的常闭节点模块ODC5R5相连, 从ODC5R5模块引出的控制线与智能板。(B1、B2...)的信号输入端相连,构成主控制器的信号通道。同理备份控制器的两根RS485控制线与数字量智能板(B1)的常开节点模块ODC5R5相连,从ODC5R5模块引出的控制线再与智能板(B1、B2...)的信号输入端相连,构成备份控制器的信号通道。这样,可以通过控制常开、常闭节点来控制主、备控制器与智能板之间的信号通道的通断,从而控制主、备控制器与智能板之间的通信。在主、备控制器之间通过RS232串口进行连接,实现主、备控制器之间的备份数据的传输。

     

    3.工作原理

    3.1数据传输

      主控制器与备份控制器之间的数据传输是热备系统的一个重要问题。热备时系统需要不断地

    从主控制器将一些重要的设定数据和运行数据传输到备份控制器。只有这样,在控制器切换时,系统才能继续正常工作,实现无扰动切换。否则,由于设定数据和运行数据的突变,可能引起系统的突变,造成难以预料的后果。

     

      在本文的热备系统中,主、备控制器数据传输是通过RS232串口实现的。使用RS232串口传输数据时应遵循以下4步:

    (1)在主、备控制器上正确跳线,设置串口的传输速率。

    (2)将要传输的数据放入一个数组中,以便于整批传送,提高传送效率。在用数组进行数据传输时,一次最多可以传送32个浮点数或整形数。若要传送多于32个数据,可以分为几个数组进行传输。每个数组在传输前应先传送一个数组标识字。接收方接收数据时,先接收数组标识字,然后接收相应的数组。

    (3)检测控制器的标识,判断主控制器工作是否正常。若正常,则从RS232串口向备份控制器传送数组。同样备份控制器不断地检测它与智能板的信号通道是否畅通,若不畅通,意味着备份控制器此时起备份数据的作用,因此备份控制器从串口接收数组。

    (4)备份控制器将接收到的数组中的

    数据送入各自相应的控制变量。

     

    3.2主控制器到备份控制器的自动切换

      当主控制器正常运行时,系统不断地检查主控制器与智能板之间的通信是否正常。一旦智能

    板收不到主控制器的信号,则判断主控制器出现异常,系统自动将主控制器与智能板的信号通道

    切断,将备份控制器的信号通道打开,启用备份控制器作为主导控制器。其流程图见图2。另外还需在主控制器上进行一些具体设置:

    (1)设置数字量智能板(B1)的Watchdog时间,通常为1s或0.5s。

    (2)打开主控制器的控制程序,将数字量智能板(B1)上与主控制器相连的常闭节点I/O模块的,Watchdog置为on,将与备份控制器相连的常开节点I/O模块的Watchdog也置为on。这样,通过对数字量智能板(B1)上I/O模块Watchdog的正确设定,可在控制器发生故障时实现硬件自动切换。也即常闭节点打开,断开主控制器信号通道;常开节点闭合,打开备份控制器的信号通道,使备份控制器成为主导控制器,实现主控制器到备份控制器的自动切换。

     

    3.3备份控制器到主控制器的自动切换

      当备份控制器起主导作用时,它不断地从串口向主控制器发送数据,虽然此时的主控制器可

    能出现故障,不能接收数据,但系统认为,此时的主控制器起备份数据的作用。同时备份控制器不断地检测串口,是否收到由主控制器发来的已修复好信号。当它收到来自主控制器的已修复好信号后,立即发出指令,打开主控制器的信号通道,切断备份控制器的信号通道,将主导控制权转交给主控制器。其程序流程图见图3。

      当主控制器修复后,主控制器首先检测备份控制器是否起主导作用。如果是,则接收由备份

    控制器发送过来的备份数据,此时主控制器起备份数据的作用。当主控制器接收过几轮备份数据

    后,便开始不断地向备份控制器发送已修复好信号,准备收回主导控制权。当主控制器检测到其

    信号通道畅通后,意味着其主导控制权已经恢复,则不再向备份控制器发送主控制器已修复好信

    号,而开始发送备份数据,使备份控制器重新起到备份数据的作用,其程序的具体流程图见图4。

    4.结束语

      笔者参与设计并调试舞阳钢铁公司20t锅炉仪表控制系统的改造项目。该项目应用锅炉汽包水位三冲量PID控制算法,融合主、备控制器自动互切的热备技术,圆满地解决了系统的控制及自动热备问题。该项目控制部分软件使用基于流程图的软件开发工具OptoControl进行开发。系统的监控部分软件使用OptoDisplay进行开发。在使用OptoDisplay(版本为3.1d或更高)开发基于热备的监控软件时,应作如下设置:在OptoDisplay的控制器设置处,选择正确的主控制器及备份控制器,确保上位机与下位机的同步一致。控制系统的数据管理及存储部分使用OptoConnect 、access及PowerBuilder配合开发完成。此项目从2001年3月开始设计、开发,至10月中旬3个锅炉全部正式投入运行,效果良好。

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