PCS7在華新水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
一、工程概述：
水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)在功能分配上同時又是分級式層次結(jié)構(gòu)，高層次是過程控制級，低層次是基礎(chǔ)自動化級。
基礎(chǔ)自動化級，主要進行電氣自動控制和儀表自動控制，對工藝設(shè)備過程信息進行檢測、顯示、記錄及數(shù)據(jù)初步處理，執(zhí)行設(shè)備運轉(zhuǎn)控制及工藝設(shè)備過程自動調(diào)節(jié)、超限報警。
過程控制級，主要完成生產(chǎn)過程優(yōu)化控制、操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理和存儲，與上級管理計算機及其它計算機之間的數(shù)據(jù)通信。
在華新水泥，過程自動化控制系統(tǒng)采用4級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：
·以太網(wǎng)――批量控制服務(wù)器和操作站的數(shù)據(jù)傳輸
·工業(yè)以太網(wǎng)――系統(tǒng)總線，操作站和控制器間的數(shù)據(jù)傳輸
·PROFIBUS-DP――系統(tǒng)I/O總線，控制器與I/O站間的數(shù)據(jù)傳輸
·PROFIBUS-PA――系統(tǒng)與PA智能儀表的數(shù)據(jù)傳輸
華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)依照水泥生產(chǎn)工藝流程，按如下子系統(tǒng)控制站分布（以下WINCC畫面截屏，以華新水泥（陽新）公司一期6000T/D熟料生產(chǎn)線為例）：
1． 石灰石破碎控制站：石灰石破碎及輸送；
2． 原料磨控制站：原料進廠均化及輸送、原料配料、原料粉磨、電收塵、生料入庫、水泵房；
3． 窯尾控制站：廢氣處理（高溫風(fēng)機、增濕塔）、生料均化、生料入窯、窯尾塔架（預(yù)熱器、分解爐）、燒成窯中、空壓機站；
4． 窯頭控制站：熟料冷卻（篦冷機）、熟料入庫、原煤輸送、煤磨、煤粉秤；
5． 水泥磨控制站：熟料配料、水泥粉磨、水泥入庫、；
6． 包裝控制站：水泥輸送、水泥包裝、散裝輸送、袋裝輸送、外運碼頭；
上位機采用WINCC進行組態(tài)。人機界面主要設(shè)計有以下內(nèi)容:
(1) 系統(tǒng)工藝流程顯示:依據(jù)設(shè)備系統(tǒng)工藝流程圖，按照功能組區(qū)域劃分;
(2) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)畫面:回路手操站，調(diào)節(jié)參數(shù)與參數(shù)趨勢的集中顯示;
(3) 重要參數(shù)趨勢顯示:有實時趨勢與歷史趨勢兩種顯示;
(4) 全局報警顯示:系統(tǒng)按照功能區(qū)分為若干個報警組，各個報警組的報警窗口分布于相應(yīng)功能顯示窗口的上方，全局報警顯示提供集中查看系統(tǒng)所有報警的能力，或按優(yōu)先級、報警組過濾查看，并具有全局報警確認。
通常情況下，石灰石破碎控制站使用一個西門子SIMATIC S7-300站（315-2 DP）進行控制，其余各個控制站使用一個西門子SIMATIC S7-400站（416-2 DP）進行控制。依照現(xiàn)場設(shè)備及工藝布局的具體情況，可以將窯尾控制站和窯頭控制站合并為一個控制站；將水泥磨控制站和包裝控制站合并為一個控制站。
以上每個子系統(tǒng)均通過西門子不同的通訊模塊連接在同一個工業(yè)以太網(wǎng)上。在窯線主要生產(chǎn)控制部分，采用工程師站及服務(wù)器/客戶機結(jié)構(gòu)，運用若干數(shù)量的人機界面（操作員站）完成對生料、熟料、水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。并且，管理人員能夠使用IE瀏覽器，利用WINCC中的Web Navigator，通過網(wǎng)關(guān)，對生產(chǎn)線的監(jiān)視和控制進行實時瀏覽。
二、系統(tǒng)要求
1．控制系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)
•提高水泥生產(chǎn)的自動化水平；
•實現(xiàn)實現(xiàn)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的高品質(zhì)運行，提高運行經(jīng)濟性；
•提高運行人員工作效率，滿足整個系統(tǒng)運行全能值班要求；
•提高效益，降低能耗。
2．系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用時的設(shè)計思想
1) 功能設(shè)計：體現(xiàn)DCS建成后的自動化程度、處理事故能力（報警、分析、指導(dǎo)、處理等）及先進的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設(shè)計思想。
具體如下：
對象控制
•按工藝流程的自動化過程由DCS系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，達到平衡。
•保障系統(tǒng)安全、可靠、高效運行和啟停。
提高水泥生產(chǎn)系統(tǒng)運行的技術(shù)經(jīng)濟效益
•實現(xiàn)高自動化投入率，提高可靠性，減少誤操作，降低事故率。
完善的操作指導(dǎo)和事故分析手段
•系統(tǒng)運行工況可由很多監(jiān)測參數(shù)反映出來，當(dāng)運行工況出現(xiàn)異常時，提供相關(guān)參數(shù)、趨勢、圖表等高效方式通知運行人員及時處理。
•操作記錄打印、報警打印、事故追憶打印、周期性報表等功能，有助于系統(tǒng)日常管理和事故分析。
•高效、便捷的系統(tǒng)在線維護。
2) 系統(tǒng)設(shè)計：體現(xiàn)DCS的高可靠性、先進性、易維護、易組態(tài)等為設(shè)計思想。具體如下：
可靠性設(shè)計：
•所有部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化。
•控制系統(tǒng)按分層、分散、自治的原則。
•所有I/O模件均為智能化設(shè)計，采用隔離措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有軟件數(shù)字濾波和消除偶發(fā)干擾的措施。
維護性設(shè)計：
•可帶電插拔。
•系統(tǒng)自診斷至通道級。
•選用模塊化的功能組態(tài)軟件，提高軟件透明度。
擴展性設(shè)計：
•采用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通訊速率100MBPS，主干網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)，個子站通過雙絞電纜掛接在主干網(wǎng)絡(luò)上，有極強的通訊擴展能力。
•提供與其它系統(tǒng)的通訊接口，如工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS DP或MODBUS。
開放性設(shè)計：
•支持國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
•標(biāo)準(zhǔn)MIS數(shù)據(jù)接口站，與廠級MIS互聯(lián)。
三、PCS7系統(tǒng)的主要特點
華新水泥為什么選擇SIEMENS PCS7?
●水泥生產(chǎn)各個車間和工段互不干擾，但它必須實現(xiàn)相互之間的通訊，完成交換數(shù)據(jù)，從而保證連鎖要求；
●系統(tǒng)有大量的離散輸入/輸出數(shù)據(jù)，以及少量的模擬輸入/輸出；
●部分離散輸入/輸出需要高掃描速度；
●部分重要過程傳感器需要系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化處理，也可以實現(xiàn)人工設(shè)置；
●工藝相對簡潔，設(shè)備數(shù)量多；
●系統(tǒng)方便地與隨機控制設(shè)備（PLC）的連接、通訊；
●控制系統(tǒng)必須有很好的兼容性；
●控制系統(tǒng)可靠性高，有自診斷和冗余功能
●TIA的理念和強大的系統(tǒng)軟件功能
PCS7是一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點，將兩者的功能有機的結(jié)合在一起。系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)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(tǒng)一的軟件平臺。系統(tǒng)大量采用了新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)配置上，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。由于PCS7消除了DCS和PLC系統(tǒng)間的界限，真正實現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點，使得系統(tǒng)應(yīng)用范圍變廣，是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型過程控制系統(tǒng)。
PCS7擁有良好的用戶界面及強大的系統(tǒng)功能塊庫，能大大節(jié)省系統(tǒng)編程組態(tài)的時間和費用。
·系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺, 所有軟件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同樣統(tǒng)一的軟件平臺。
·系統(tǒng)大量采用了新技術(shù), 在網(wǎng)絡(luò)配置上使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。
·通過冗余的 10 Mbps 光纖環(huán)網(wǎng)(工業(yè)以太網(wǎng))相連接,分別將信號傳送至中央控制室, 全廠主要設(shè)備的開、停和故障信號都將在過程控制系統(tǒng)和中央控制室顯示。
·采用 SIEMENS 高速以太網(wǎng)光纖通信模塊 OSM, 大大加強了網(wǎng)絡(luò)抗電磁干擾的能力, 省去了采用普通雙絞線連網(wǎng)所必須考慮的防雷擊及過電壓保護的措施, 使得控制系統(tǒng)安全可靠, 風(fēng)險系數(shù)大大降低。
·自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站采用帶有帶電熱插拔特性的 SIMATIC ET200M 分布式輸入/輸出控制站,允許控制站中的信號模塊在系統(tǒng)運行的情況下插拔, 而無需停止系統(tǒng),大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
·系統(tǒng)所有的分布式遠程I/O分站和低壓保護裝置、高壓保護裝置、執(zhí)行機構(gòu)、變頻器、現(xiàn)場控制器等通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與系統(tǒng)控制器進行通信，最高通信速率可達12Mbps。
四、PCS7系統(tǒng)在華新水泥的應(yīng)用
1． 硬件組成
華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)的硬件包括：1個西門子SIMATIC 300站和5個（最少為3個）西門子SIMATIC 400站。（各個站包括1個電源模塊、1個CPU、1個工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口模塊和數(shù)量不等的ET200M、模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出模塊）、1臺工程師站計算機和1組服務(wù)器對及若干臺工控計算機、2個西門子CP1613網(wǎng)卡、1臺MIS服務(wù)器。
2、 軟件組成
華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)的軟件包括：Windows 2000 Server 英文版操作系統(tǒng)、西門子PCS7編程軟件和CEMAT水泥行業(yè)專業(yè)軟件。
3、 系統(tǒng)配置（見附圖）
華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)中各個現(xiàn)場控制站通過西門子工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊連接在同一個SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)（采用光纖熔接為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，如下圖中綠線所示）上完成控制功能，同時服務(wù)器通過西門子CP1613網(wǎng)卡、若干臺工控計算機也通過經(jīng)RJ45屏蔽雙絞線由普通網(wǎng)卡到交換機或中控室的OSM TP62連接到此SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)上完成監(jiān)視和操作功能。其中，原料磨控制系統(tǒng)的SIMATIC 400站通過工業(yè)以太網(wǎng)與石灰石破碎控制系統(tǒng)的SIMATIC 300站交換數(shù)據(jù)，同時原料磨控制系統(tǒng)的SIMATIC 400站通通過工業(yè)以太網(wǎng)與窯尾控制系統(tǒng)和窯頭控制系統(tǒng)的SIMATIC 400站交換數(shù)據(jù)。而且，SIMATIC 400站基于PROFIBUS-DP/PA網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場遠程控制站、PROFIBUS-DP設(shè)備（低壓保護裝置、高壓保護裝置、執(zhí)行機構(gòu)、變頻器、現(xiàn)場控制器等）或PROFIBUS-PA儀表（溫度變送器、壓力變送器）。
4、 硬件評估
SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)是德國西門子公司開發(fā)的一種基于TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，它的優(yōu)點是連接簡單、便于擴展、速度快、兼容性好。華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)在主站監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)采用SIEMENS Industrial Ethernet，在設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP。華新水泥采用室外重鎧六芯62.5um/125um光纖作為SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)的連接介質(zhì)，有效地實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾功能，保證了系統(tǒng)運行的可靠性。
PROFIBUS作為一種總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放、國際化、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商等特點，由其構(gòu)成的兼容網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可應(yīng)用于不同的場合，分別是PROFIBUS-FMS，提供強有力的通信功能；PROFIBUS-DP，用于傳感器和執(zhí)行器級 的高速數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS-PA，用于安全性較高的場 合，允許對設(shè)備進行完全的內(nèi)部操作。SIMATIC Profibus DP網(wǎng)是西門子公司開發(fā)的一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備網(wǎng)，它的特點是可以在PLC（可編程序控制器）與現(xiàn)場設(shè)備（如變頻器、工業(yè)鍵盤、智能儀表、分布式I/O站等）之間交換數(shù)據(jù)。華新水泥生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)采用西門子專用DP/PA線作為Profibus DP/PA網(wǎng)的連接介質(zhì)?！ ?/SPAN>
華新水泥自2002年起至今，大規(guī)模使用PROFIBUS技術(shù)。在華新，各條水泥大約使用DP設(shè)備200臺，PA儀表100臺。
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨特的技術(shù)特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它符合：- IEC 61158 國際標(biāo)準(zhǔn) 和- JB/T10308.3-2001(中國標(biāo)準(zhǔn)2001 年) 。
PROFIBUS 協(xié)議包括以下主要部分：
· PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
· PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。
PROFIBUS技術(shù)與傳統(tǒng)集中控制比較，在系統(tǒng)設(shè)計、安裝調(diào)試、維護及擴展方面都具有十分明顯的優(yōu)勢：
· 12M 的通信速率和可靠的通信質(zhì)量
· 適用多種通信介質(zhì)(電、光、紅外、導(dǎo)軌以及混合方式)
· 靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，支持線型、樹型、環(huán)型結(jié)構(gòu)以及冗余的通信模型
· 強大的通信功能，支持基于總線的驅(qū)動技術(shù)和符合IEC61508 的總線安全通信技術(shù)
· 先進的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(最多支持126 個總線站，網(wǎng)絡(luò)規(guī)格可達90 公里)
采用PROFIBUS技術(shù)后，與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)比較，系統(tǒng)具有以下幾個特點：
·系統(tǒng)設(shè)計更加方便、清晰----負載饋電器的使用，免去了電機保護開關(guān)、接觸器及與 PLC輸入/出的大量原理圖、接線圖的設(shè)計，出圖量大幅 度減少，ET200M模塊化組件的使用，也使柜(箱)內(nèi)布 線、設(shè)計更為簡便，加快了控制系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)周期。
·安裝簡單、快捷----在不采用任何工具的情況下，接口模塊和端子模塊卡在導(dǎo)軌上，完成接線后，電子模塊、電源模塊、負載饋電 器模塊“即插即用”。
·組態(tài)、調(diào)試更加容易----無須其他特殊軟件，在S7軟件包中，用鼠標(biāo)拖拉即可完 成PROFIBUS-DP的組態(tài)。不需額外費用，設(shè)備故障就可通過總線報告，故障定位更加方便。
·維護簡單----劃分子站和模塊化組件的使用，以及強大的故障診斷能 力，都為日后設(shè)備維護帶來極大的便利。
·便于擴展和信息集成----PROFIBUS的使用將孤立的單元設(shè)備帶進了信息化網(wǎng)絡(luò)中, 為今后系統(tǒng)擴展和企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。
·最終用戶工程造價降低----PROFIBUS技術(shù)的使用，節(jié)省了大量的線纜、橋架、端子 排、柜體等，培訓(xùn)和維護費用減少，這些都降低了工程總造價。
SIMATIC 400站是西門子公司的拳頭產(chǎn)品，無論在控制速度、控制精度還是抗干擾性、靈活性各方面講都處與PLC產(chǎn)品的領(lǐng)先地位。
5、 軟件評估
PCS7是西門子公司為S7-400系列PLC設(shè)計的編程軟件，它能完成龐大的邏輯控制和復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制；它的組織塊、功能塊、數(shù)據(jù)塊相結(jié)合的編程思想可以隨心所欲地實現(xiàn)各種控制要求；它的時間中斷組織塊可以實現(xiàn)短到10ms長到5s的快速中斷請求；它的符號表（Symbol）可以方便進行程序注釋。
- 基于標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC軟件和硬件組件
- 先進的分布式客戶機/服務(wù)器架構(gòu)
- 可伸縮性強，從小型實驗室系統(tǒng)，到具有高達60，000個過程對象的大型工廠
- 可用于連續(xù)和批處理應(yīng)用
- 可用于所有工業(yè)領(lǐng)域：過程、制造以及混合工業(yè)
- 強大的HMI系統(tǒng)，帶有集成的基于SQL服務(wù)器的歸檔系統(tǒng)
- 基于IEC 61131 的集中式，工廠范圍內(nèi)的工程系統(tǒng)
- 通過現(xiàn)場總線PROFIBUS，現(xiàn)場設(shè)備和驅(qū)動系統(tǒng)均可很靈活和容易的集成
- 無縫集成的安全系統(tǒng)，通過TüV*驗證的可滿足AK6/SIL3
- 在同一個可編程控制器中可以混合運行標(biāo)準(zhǔn)和故障安全相結(jié)合的形式，高可用性和故障安全相結(jié)合的形式
- 可在所有層級實現(xiàn)冗余，提高可用性
- 符合ISA S 88.01 和FDA 21 CFR Part 11規(guī)范的模塊化批處理系統(tǒng)SIMATIC BATCH
- 通過SIMATIC IT架構(gòu)實現(xiàn) MES/ERP層級的接口
SIMATIC PCS 7 ——一個真正的現(xiàn)代DCS系統(tǒng)
HMI
- 具有多用戶能力的HMI組件
- 大容量架構(gòu)
- 客戶機-服務(wù)器結(jié)構(gòu)
- 冗余
- 在線修改
AS, I/O 模塊, I/O - 熱插拔（運行中插入和拔出模塊）
- 運行中可進行擴展 / 修改
- 用于危險區(qū)域的I/O 模塊
- 冗余（控制器、模塊和PROFIBUS）
- 集成的故障安全技術(shù)
- 智能現(xiàn)場設(shè)備/驅(qū)動設(shè)備的集成
通訊 - 快速以太網(wǎng)和PROFIBUS DP/PA
- 光纖交換技術(shù)
- 冗余（系統(tǒng)總線和現(xiàn)場總線）
- 在線擴展
工程 - 集中式工程工具，簡單易用，通用操作
- 批量工程，具有導(dǎo)入／導(dǎo)出功能
- 應(yīng)用圖形化和面向PLT的工具進行全面、有效的工程
- 集成的SIMATIC PDM軟件對智能現(xiàn)場設(shè)備進行集中參數(shù)化
- 軟件模擬和測試
- 修改跟蹤功能
- 分布式、并行工程功能
6、 疑難與解答
1） 標(biāo)準(zhǔn)化編程
大型的自動化控制系統(tǒng)很難一個人完成，因此需要很多人的分工與合作。標(biāo)準(zhǔn)化編程就是要使軟件工程師編寫的程序整齊劃一，通用性和可讀性強，除了作者本人的閱讀者也能輕而易舉地理解作者的編程思想和工藝要求。這樣不但可以使編程人員不再糾纏編程的枝節(jié)問題，縮短編制程序的時間，集中精力解決更加困難的工藝上的問題；而且有利于維護人員對程序的理解，為生產(chǎn)保駕護航提供了更加寶貴的經(jīng)驗。標(biāo)準(zhǔn)化編程的實現(xiàn)是多方面的，首先根據(jù)設(shè)計圖紙編制各系統(tǒng)的點號表（用EXCEL表格）；再根據(jù)點號表編制STEP7符號表（SYMBOL）；再根據(jù)點號表找出各控制設(shè)備的輸入/輸出點號，據(jù)此定義下列STEP7使用的點號：模擬手/自動轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)；啟動按鈕、停止按鈕（對單線圈的泵或電磁閥）；開啟按鈕、關(guān)閉按鈕、停止按鈕（對雙線圈的電動閥）；手動輸出值、給定值、比例系數(shù)、積分時間（對PID調(diào)節(jié)閥）；再根據(jù)各控制設(shè)備的輸入/輸出點號和中間線圈點號編制各控制設(shè)備的手動程序；最后根據(jù)設(shè)計說明書編制各控制設(shè)備之間的邏輯連鎖程序，即自動程序。
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