S7-1500冗余PLC自控项目实例分享

摘要：本文介绍了一种基于西门子S7-1500冗余PLC的污水处理厂自动控制系统，包括该项目的软硬件设计、上位机WINCC的应用以及网络结构。

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（一）项目概述

随着我国经济的迅速发展，工业化进程越来越快再加上人们生活水品的提高，工业以及生活污水的排放日益增多，如何才能保护水资源让其循环利用达到节能减排，是目前急需解决的，正是污水处理项目对水资源的改善以及人民生活水平的提高有着重大的意义。而冗余的控制系统可以减少故障停机时间提高系统稳定性，将大大提高污水处理的效率。

此项目是四川省乐山市井研县第二污水处理厂，工程范围为污水处理自控系统设计、供货、安装、编程调试，包含厂区主站控制系统，中控室上位机，将厂区第三方设备预留的硬接线以及通讯接入总控室，组成污水处理系统（包含深床反硝化、精准曝气系统等），主要采用了西门子1515R冗余PLC，每日可以稳定处理22000t污水。

（二）工艺流程

此污水处理采用了多级的生化反应处理、高效沉淀、深床反硝化以及接触消毒，污泥采用了浓缩、脱水以及压滤等进行处理。该厂工艺流程如下图所示：

（三）选型方案

根据污水处理厂现场情况，主要有以下需求：

（1）需采用冗余系统、包括控制器冗余、电源冗余以及不间断电源，保障在部分硬件出现故障能够及时切换到备用模块，在工厂出现断电异常保障系统正常运转，实现系统的稳定可靠且连续的运行。

（2）IO点数有大于15%裕量。

（3）两台现场级控制柜可操作。

（4）中控室远程监控以及操作，包含两个操作员站以及一台工程师站。

PLC系统主要材料选型表如下图：

（四）硬件配置及系统结构

该自控系统最终设计采用包括：

（1）1515R冗余CPU，为了实现更高的可用性。在冗余操作的系统中，即使有个别自动化组件出现故障也不会妨碍污水的连续处理。两个CPU将并行处理相同的项目数据和相同的用户程序。两个CPU通过冗余连接进行同步，如果一个CPU出现故障，另一个CPU就会接替它对整个自控系统进行控制；

（2）ET200MP分布式远程IO控制站，PLC1柜主要控制污水收集至生化处理段工艺，PLC2柜主要控制沉淀工艺、添加剂处理以及污泥处理工艺段。现场层的两套分布式IO通过IM155-5 PN HF高性能接口模块将IO模块（具有 IP20 防护等级，采用和 S7-1500 相同的I/O 模块，具有很好的通用性集成到各自的远程站）。分布式设备通过PROFINET和上层的可编程控制器1515R冗余CPU实现快速的数据交换，开放的PROFINET通讯标准，给自动化系统带来灵活的连接方式。统一的工程开发，透明的诊断，完美实现与PLC和HMI在博途中的集成；

（3）现场触摸操作屏采用西门子TP1200精智12寸面板 ，与S7-1500控制器完美协同，将各个远程站的数据（包括流量、水质、溶解氧、液位等）显示在触摸屏上面，可满足实时显示现场设备运行状态并且远程点控设备，方便现场人员整体操控；

（4）中控室包括一台工程师站和两台操作员站，采用编程组态软件有：WinCC 7.4、博途V16.0。其中WinCC集成图形系统、报警消息系统、归档系统、报表系统、用户管理系统以及脚本系统。完美解决污水处理厂的流程显示、组显示、报表显示、趋势显示、报警记录等。在各个操作站试图中可以自动控制、点动控制现场设备并监控其运行状态，参数设置等。其中博途V16.0完美兼容1500冗余CPU，包括在线下载程序无需停机、CPU高版本固件更新、在冗余环外组态S1设备等，提高本次调试效率也方便后期污水处理厂电气工程师的维护工作；

（5）网络部分包括：1515R冗余环网中有支持冗余的2台光纤交换机，WINCC监控系统包括两台支持环网冗余的光纤交换机以及2台光电转换器用作与第三方CPU通讯；

（6）第三房设备包括：

由200smartCPU控制的鼓风机自动控制系统、污泥脱水系统、PAC加药、加氯和乙酸钠投加系统；由S7-300CPU控制的反硝化深床滤池和反冲洗风机房自动控制系统；由K37环保数采仪采集的进出水水质检测设备。

（7）该自动控制系统网络结构如下图所示：

（五）软件开发

本次调试内容主要为：主站控制系统手自动程序编写、触摸屏运行画面组态；中控室WINCC画面组态与第三方设备通讯；PLC与第三方设备通讯。

（1）组态设备：

通过博途软件对主站1515R冗余控制系统进行组态，需要注意的有：

对于1515R冗余CPU组环网必须用X1，同时X1 PR2口需要互相连接用作冗余CPU的同步，而且在这之间不能连接其他的设备；在MRP环网中的设备必须支持MRP环网功能，尤其是环中的交换机需要支持MRP环网以及转发功能，同时需要对交换机的冗余端口、IP地址进行设置，如此才能方便与环外设备通讯；在本项目中采用了双网段，X2所在网段用作与上位机通讯，需要启用系统IP，以便上位机与冗余系统通讯；对组态的设备需要分配对应的IP地址和介质冗余角色。

组态硬件设备如下图所示：

（2）控制方式：

现场设备的主要控制方式为：

通过采集到的本地远程信号来决定设备是由现场操作箱控制还是由PLC自动控制系统控制；通过采集到的运行和故障信号来反馈现场设备的运行状态；通过采集到的现场模拟量信号包括：液位、水质、溶解氧等的变化来自动控制相关设备的启停；通过采集到的模拟量信号来反映污水处理的情况是否达标以及生产量；通过自控系统给定模拟量信号来控制相关阀门开度、电机转速等。

（3）程序编写：

此项目主要采用了梯形图的编程方式，程序主要包括：程序调用快、模拟量块、电机块、自动逻辑块、自定义公共块。由于此项目包含大量电机和阀门，而且各自运行的方式大致一样，所以此项目编写了公共的电机FB块和阀门FB块，同时较多的仪表我们采用了公共的模拟量处理FC块来进行转换。对于1515R冗余CPU的程序下载，需要注意的有：

通过博途V16将CPU固件升级至V2.8版本，才可在设备运行时备份，而无需中断运行过程。设备不间断运行可有效地降低设备停机时间，保证每日的污水处理量。冗余PLC第一次下载时，在下载窗口不显示主备关系，只显示MAC地址，此时要根据冗余PLC上的显示面板查看主备关系，找到主PLC对应的MAC地址，下载时再根据MAC地址选择正确的主PLC执行下载，如果选择备PLC下载操作将无法执行。

（4）HMI控制：

此污水处理厂现场设备控制有两个PLC柜，每处都有一台精智面板，通过博途平台与1515RCPU完美协同，集成在一个项目中编程调用变量，对于1515R冗余CPU与HMI连接，需要注意的有：

在新建连接时，在网络视图中点击连接，连接HMI与CPU时会弹出黄色选择框，连接伙伴需要选择S7-1500R/H systerm；需在网络组态中将网段设定与PLC第二网段一致；注意像此类环网设备的介质冗余角色我们统一设定为环网中无设备。

上位机部分操作画面如下图所示：

（六）中央控制室

中央控制室使用分散控制站显示实际的过程界面和控制功能，主要是集中检测和控制流程，同时可以报告运行状态。画面主要包括：

（1）总工艺流程图，提供了整个污水处理厂的视图，以及电机、阀门、仪表显示；

（2）组显示，分别显示各个处理系统，如：生化处理系统、加药系统、污泥脱水系统等。而且能够直接操作其中的设备和显示仪表参数；

（3）趋势显示，可以显示污水处理厂所有的仪表参数，实时更新，通过曲线图来显示时间轴也可移动和放大；

（4）报警&事件显示，包括液位限制警告、添加剂警告、电机故障、温度报警、通讯故障等。

主要工艺的WINCC画面如下图所示：

（七）第三方设备通讯

需要注意的是1515R V2.8版本是不支持PUT/GET指令的。该污水处理厂第三方设备仅要求在中控起到监视的作用即可，对于西门子200smart和S7-300CPU我们直接将其跟WINCC通讯。其中200Smart采用OPC服务器与WINCC建立通讯，315CPU与WINCC通过TCP/IP建立通讯。与第三方数据采集仪的通讯时通过NT50网关将MODBUS转换为PN IO设备，将其GSD文件在博途中安装，与其他S1设备一样组态，再与1515R通讯（MRP环外）。

（八）小结

1515R冗余控制器，适合类似于该污水处理厂的中型项目。1515R采用了透明化的编程方式，使用博途V16编程，将程序下载至冗余系统。通过系统IP与精智面板和上位机WINCC连接简单快捷，无需额外工作。此外该系统采用了PROFINET系统冗余，支持S2冗余功能的设备连接到CPU组成了冗余通讯，即使网络发生中断也能保障设备的正常运行。由于1515R不支持PUT/GET指令，就不太方便与西门子PLC做S7通讯。好在该项目中200smart和S7-300CPU只需与WINCC建立。最终经过调试，该冗余系统运行平稳，为井研第二污水处理厂的可靠运行提供了有力保障。正好借此机会给大家分享一下，有不足之处请多指教。

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乐山：“新质”发力 领跑未来

开栏语：

承关怀而奋起，知重任而担当。省委、省政府出台《支持乐山高质量发展加快提升区域中心城市能级的意见》，赋予了乐山重大使命任务，这是对乐山工作的高度重视、对乐山干部的充分信任和对乐山人民的深切关怀，是乐山面向未来牵引性、领向性的大事，具有标志性、开创性的里程碑意义。以埋头苦干、拼搏实干的精气神，不折不扣推动《意见》在乐山落地生根、开花结果，是全市上下共同的目标和义不容辞的责任。

为讲好乐山发展新故事，从今日起，本报策划推出“承关怀而奋起 知重任而担当——加快提升乐山区域中心城市能级”大型主题采访活动，统一开设专栏，围绕理论阐释、政策解读、权威访谈、产业调查 、区 县 行 动 等 10 个 方面，策划开展采访报道活动，力求以基层一线的视角、直击问题的态度、平实的表达，助力提升一线干部、市场主体、社会群众的信心，凝聚起全市上下克难奋进推动高质量发展、加强乐山现代化建设的强大合力。

夹江核技术应用产业园医用同位素试验堆项目建设现场 邹勇智 摄

发展新质生产力，是推动高质量发展的内在要求和重要着力点。

聚焦高质量发展首要任务，乐山深入实施先进制造业发展倍增计划，紧扣现代化产业体系建设精准发力，聚焦晶硅光伏、核技术应用、新型建材、绿色化工、食品饮料五大工业主导产业，加快推动先进制造业发展能级不断迈上新的台阶。

抢占新赛道，如何作出新成效？2月21日，“万千气象看四川”大型主题采访活动走进乐山夹江县和乐山高新区，采访团下工地、进车间，聚焦乐山新质生产力发展，探寻产业创新升级的“乐山路径”。

向“新”出发

中国堆谷聚“链”成势

“目前，国内用于心、脑、肾等常规核医学诊断所需的原料钼-99全部依赖进口，用于甲亢和甲状腺癌治疗的碘-131百分之八十依赖进口。”2 月 21 日，夹江核技术应用产业园医用同位素试验堆项目旁，张劲松如是感叹。

张劲松是中国核动力研究设计院一所副所长、医用同位素研发技术负责人，他身后，正是今年1月底动工的国内首座医用同位素专用生产堆，同时也是全球功率最高溶液型医用同位素试验堆。

医用同位素是核医学诊疗的基础，广泛应用于各重大疾病的诊断治疗，但长期以来，我国医用同位素绝大部分依赖进口，面临“卡脖子”现状。

“该项目预计 2027 年建成投产，届时可实现钼-99 年产能 10 万居里、碘-131年产能2万居里，满足国内数千万人次的核医学诊断与治疗需求，甚至实现出口。”张劲松说，这也将解决两种同位素长期依赖进口、受制于人的困境，对我国癌症诊断治疗带来战略性改变。

热火朝天的，不仅是医用同位素试验堆项目。

作为全国第一个取得园区环评批复的核技术专业园区，规划面积1.2平方公里的夹江核技术应用产业园，自2022年9 月集中开工以来便按下“加速键”。短短一年多时间，“规划图”逐渐变为“实景图”，这样的“乐山速度”背后底气何在？

底气，来源于突出的资源优势——全国可用于医用同位素生产和制备的反应堆有2座在夹江。近年来，中国核动力研究设计院将夹江境内1座反应堆改造为医用同位素生产专用堆，加上新建全球功率最高溶液型医用同位素试验堆，“两堆生产、两堆研发”布局，将成为全国医用同位素生产能力最强基地。

底气，来源于完备的园区承载——高标准编制完善园区规划、指导园区建设，累计投入资金20亿元，竣工园区安置房、主要道路、外部管网铺设，标准化厂房、科创中心等16个基础设施项目正按进度建设。

底气，来源于健全的产业链条——围绕全产业链贯通，梳理形成核技术应用产业招商“两图一表”，按图索骥、精准招商，基本形成“堆、源、素、药”完整产业链条。夹江县人民医院核医学科于2023年4月开业，在全市率先实现“一县一科”。

底气，来源于优良的发展环境——出台《乐山市加快核技术应用产业发展支持政策》等政策措施，为项目落地、人才引进、税收减免等提供更好保障。成立总投资10亿元的核技术产业基金，成功举办中国同位素与辐射产业峰会，加快建设人才公寓项目留住人才……

筑巢引凤来，劲风好扬帆。

“这里是全国最早取得园区环评批复的核技术专业园区，有着全国最好的堆资源，乐山及夹江政府很重视核技术发展，提供了很好的营商环境。”乐山纽瑞特医疗科技有限公司总经理柳芳告诉记者，随着医药企业入驻，园区产业链实现闭环，“我们预计今年底具备试生产条件，待产品正式上市后，将加快推进8至10种国内紧缺的放射性药物、放射性同位素的自主化供应。”

在医用同位素生产设施项目现场，8 条生产线已完成主体设备安装，预计今年 7 月进入小批量试生产。这里也是同位素及药物国家工程研究中心中试基地所在地，未来“研产一体”发展，将与医用同位素试验堆项目一起，成为全球规模最大、品类最齐全的医用同位素供应基地。

在中国同辐放射源研发生产建设项目现场，一期主体结构已完成建设，预计今年10 月完成设备安装调试，年底进入试生产。“二期预计今年 6 月完成主体结构施工，2025 年具备投产能力。”四川中核同源科技有限公司副总经理曾卫东介绍，一期、二期全部投产后，这里将成为世界一流、亚洲最大的放射源创新高地。

紧扣“重大产业项目质效年”经济工作主基点，加快园区建设和重点项目建设，持续推动产业布局从核医药及设备产业向先进核能产业等领域拓展……向“新”而行，中国堆谷蓄势前行风正劲。

向“质”而行

乐山高新攀“高”向强

“这是一个安全的、可以让人放心睡觉的电池。”曾经，四川伟力得能源股份有限公司副董事长陈继军，如此概括企业核心产业的突出优势。

显然，伟力得在抢跑储能赛道中所持的好牌是一张“安全牌”。

作为一家已成立 20 年的国家高新技术企业，伟力得在“电领域”耕耘已久。2016年，伟力得开始研发全钒液流电池储能技术，现已成为行业领先。“我们解决了钒电池传统工艺导致的电堆漏液问题这一行业痛点，大大提高电池使用寿命、安全性和环境友好度，大幅降低储能电站后期设备维护成本。”伟力得副总经理朱晓星自信介绍。

全钒液流电池储能技术的研发成功，为电能储存赋予了新的可能。

风电、光电是来自大自然的绿色能源，但稳定性较差。“钒电池储能可以把‘风光’能源储存起来，不仅有效弥补用电缺口，还弥补了太阳能、风能等可再生资源发电的间歇性和波动性的问题。”朱晓星说，“凭借全钒液流电池储能技术，我们与中核钛白合作，利用张掖及河西走廊丰富的风、光资源，大力发展钒电池系统集成和储能电站的投资建设，致力打造‘风、光、储’一体化的全国样板工程示范基地。”

与伟力得一样，在新质生产力上大施拳脚的还有四川硅旺科技新材料有限公司。

作为通威、协鑫等晶硅光伏龙头企业的上游企业，四川硅旺以工业硅颗粒制造、贸易及工业硅期现贸易仓储服务为主，并通过数字化建设和降本增效，加快形成新质生产力，助力乐山加快建设中国绿色硅谷。“在硬件方面，公司办公大楼安装了集中控制BI大屏、全覆盖的视频监控和 PLC 自动化上料等先进系统。这些系统实现了配料、电力、设备、环保等方面的远程监控和操控。在软件方面，我们研发上线了业务全流程管理软件。”四川硅旺总经理李波介绍，“从 BI 集控中心，我们就可以实时了解采购、生产、销售、质检、仓储等业务数据情况，实现了业务全生命周期数据化，让企业从‘业务驱动’转向‘数据驱动’。”

立足优势，进行技术创新、产业布局拓新的，还有乐山希尔电子股份有限公司。

走进希尔电子，一面是已经主体封顶的新项目大楼，一面是忙碌生产的车间。清洗、扩散、光刻、蚀刻、成膜、封测……经过系列工艺工序，简单的单晶硅片在车间里实现蜕变，成为高可靠性应用广泛的 GPP、FRD等芯片、元器件产品。

二十余年来，希尔电子致力于功率半导体器件的应用研究，拥有从芯片设计、制造到器件研发、封测和销售的 IDM 完整产业链。美的、格力、海尔等各大品牌均是希尔电子的长期合作伙伴。近年来，希尔电子抢跑新赛道，从家电电源向光伏逆变、新能源汽车、储能等新能源领域拓展，与新能源汽车行业头部客户合作。

“希尔电子始终坚持科技创新引领企业发展，持续加大技术创新投入，在完成FRD、IGBT 产品系列化开发的基础上，加快 IPM、PIM 集成模块和 SIC、GAN 第三代半导体等高端器件的研发，不仅满足客户多品种系列化产品需求，还能为客户提供整体应用解决方案，可提升应用性能和降低采购成本，为客户创造更多价值，促进功率半导体及下游产业的高质量发展。”希尔电子副总经理马照容介绍，“今年，企业规划销售比去年增加30%以上，同时新的项目大楼预计将在今年下半年逐步投用，届时企业将新增 4 个品类的生产线，全部投用后可实现年销售额10亿元。”

乐山高新区以光伏及电子信息、新能源新材料两大主导产业为箭，以晶硅光伏、电子信息、大数据、正极材料、负极材料、新型储能、新能源智能制造七大产业链为弓，拉出了新质生产力的强弓硬弩。这里，“两主七链”的产业生态全景图正逐步显现，一幅生机勃勃的发展画卷正缓缓展开。(记者 宋雪 唐诗敏)

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