造纸厂PLC控制系统的冗余配置与应用
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造纸厂PLC控制系统主要用于集散控制和传动控制，如下图1所示。集散控制主要包括制浆流程、造纸流程和仓储流程；传动控制则以造纸机的分部传动为主。
图1造纸PLC控制系统所针对的主要生产工艺
在造纸生产工艺的控制要求中，需要做到以下三点：
（1）造纸设备在启停和运行过程中发生危机设备和人身安全的故障时，需要自动采取保护和联锁，防止事故的产生和避免事故扩大，从而保证正常启停和安全运行；
（2）通过对造纸设备工作状态和运行参数的严密监视，发生异常时，即时发出报警信号，必要时自动启动或者切除某些设备或者系统，维持原负荷运行或减负荷运行直至安全退出运行；
（3）造纸自动化的集散控制要求更快的速度、更有效控制与监测、更高的数据处理能力和抗风险能力，以及更高的集成能力。在这种情况下，仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系统才能够比较有效地解决设备安全问题，才能保障整个系统的安全与效率。
在冗余控制系统中，整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。
本文将主要讨论造纸厂PLC系统的冗余配置和应用。
2西门子PLC控制系统的冗余配置
2.1 冗余原理配置
造纸厂的西门子冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行。这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整、更换、扩容非常有用。图2为西门子冗余结构示意。
图2西门子PLC冗余结构示意
根据保护系统所需的输入输出点数、节点容量、系统功能等要求，可以使用两个西门子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特别应当注意的是冗余系统应当使用有源总线模板的导轨及有源总线模板。其中冗余系统中主备系统的切换时间按照以下公式计算：主备系统的切换时间=故障诊断检测时间+同步数据传输时间+DP从站切换时间。
如果CPU的故障是停机或断电，则故障诊断为大约100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字节的数据所需的时间大约为200～300ms，8个DP从站的切换时间在100ms左右。
无论控制程序循环扫描到哪里，当前激活的系统（即主系统）随时都会接收并处理报警，这样，在主系统A与备用系统B进行切换过程中产生的报警存在被丢失的可能。在冗余系统进行工作时，A、B控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。
2.2 S7-300冗余程序的设计
（1）系统配置
中小纸机的控制系统可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造纸机。它是由两套S7-300系统组成，实现主机冗余和通讯冗余，两套CPU315互为热备，当系统正常时一个工作、另外一个处于备投状态，两个CPU315中的数据保持一致；当运行中的CPU315出现故障时，另外一个CPU315自动投入运行，确保系统的正常运行。
系统采用多个分布式输入输出I/O站ET200M，每个ET200M上有两个网络结构模块IM153-2，通过ProfiBus-DP总线与CPU连接。上位监控采用CP5613通讯卡与S7-300连接。图3为PLC系统原理。
图3PLC系统原理
图3中，造纸机的自动化控制系统能够实现：主机架电源、背板总线等冗余；PLC处理器冗余；PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余）；ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。
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