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PCS7在华新水泥生产过程控制系统中的应用
栏目:行业应用案例   2017-06-12 14:37
        华新水泥股份有限公司是水泥行业具有百年历史的龙头企业,也是政府重点扶持的大型工业企业之一。在新的世纪,公司坚持积极、稳妥、快速、高效的原则,以宏伟的气魄,非凡的胆识,通过新建、扩建与并购等手段,实现了超常规的扩张。在建设工期、工程质量、资金投入、项目管理及设备国产化等方面均创造了国内较佳,为国内外行家所高度赞赏,瑞士豪西蒙集团将其作为水泥项目工程建设的典范向其它国家和地区推广。

      华新水泥股份有限公司在国内乃至世界水泥生产企业中名列前茅,在水泥生产过程中,运用的电气技术及相关系统产品的档次质量,特别是控制系统软件和硬件配置方案及系统应用体现的能力和水平,体现了高度的?#26377;?#24615;和前瞻性。

 
一、工程概述:

        水泥生产过程控制系统在功能分配上同时又是分级式层次结构,高层次是过程控制级,低层次是基础自动化级。基础自动化级,主要进行电气自动控制和仪表自动控制,对工艺设备过程信息进行检测、显示、记录及数据初步处理,执行设备运转控制及工艺设备过程自动调节、超限报警。过程控制级,主要完成生产过程优化控制、操作指导、数据处理和存储,与上级管理计算机及其它计算机之间的数据通信。

        在华新水泥,过程自动化控制系统采用4级网络系统:
   ·以太网――批量控制服务器和操作站的数据传输
   ·――系统总线,操作站和控制器间的数据传输
   ·PROFIBUS-DP――系统I/O总线,控制器与I/O站间的数据传输
   ·PROFIBUS-PA――系统与PA智能仪表的数据传输

        华新水泥生产过程自动化控制系统依照水泥生产工艺流程,按如下子系统控制站分布(以下WINCC画面截屏,以华新水泥(阳新)公司一期6000T/D熟料生产线为例):

1. 石灰石破碎控制站:石灰石破碎及输送;


2. 原料磨控制站:原料进厂均化及输送、原料配料、原料粉磨、电收尘、生料入库、水泵房;

3. 窑尾控制站:废气处理(高?#36335;?#26426;、增湿塔)、生料均化、生料入窑、窑尾塔架(预热器、分解炉)、烧成窑中、空压机站;
4. 窑头控制站:熟料冷却(篦冷机)、熟料入库、原煤输送、煤磨、煤粉秤;

5. 水泥磨控制站:熟料配料、水泥粉磨、水泥入库
6. 包装控制站:水泥输送、水泥包装、散装输送、袋装输送、外运码头;

上位机采用WINCC进行组态。主要设计有以下内容:

(1) 系统工艺流程显示:依据设备系统工艺流程图,按?#23637;?#33021;组区域划分;
(2) 调节系统、调节画面:回路手操站,调节?#38382;?#19982;?#38382;?#36235;势的集中显示;
(3) 重要?#38382;?#36235;势显示:有实时趋势与历史趋?#23631;?#31181;显示;

(4) 全局报警显示:系统按?#23637;?#33021;区分为若干个报警组,各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方,全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力,或按优先级、报警组过滤查看,并具有全局报警确认。

        通常情况下,石灰石破碎控制站使用一个西门子SIMATIC S7-300站(315-2 DP)进行控制,其余各个控制站使用一个西门子SIMATIC S7-400站(416-2 DP)进行控制。依照现场设备及工艺布局的具体情况,可以将窑尾控制站和窑头控制站合并为一个控制站;将水泥磨控制站和包装控制站合并为一个控制站。

        以上每个子系统均通过西门子不同的通讯模块连接在同一个工业以太网上。在窑线主要生产控制部分,采用工程师站及服务器/客户机结构,运用若干数量的人机界面(操作员站)完成对生料、熟料、水泥生产过程自动化控制系统的监视和控制。并且,管理人员能够使用IE浏览器,利用WINCC中的Web Navigator,通过网关,对生产线的监视和控制进行实?#21464;?#35272;。

二、系统要求

1.控制系统设计的总体目标
  •提高水泥生产的自动化水平;
  •实现实现水泥生产系统的高品质运行,提高运行经济性;
  •提高运行人员工作效率,满足整个系统运行全能值班要求;
  •提高效益,降低能耗。

2.系统设计及应用时的设计思想
  
1) 功能设计:体现建成后的自动化程度、处理事故能力(报警、分析、指导、处理等)及先进的控制策略等,以较大限度提高效益,降低能耗为设计思想。

具体如下:
  对象控制
  •按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成,达到平衡。
  •保障系统安全、可靠、高效运行和启停。
  提高水泥生产系统运行的技术经济效益
  •实现高自动化投入率,提高可靠性,减少误操作,降低事故率。
  完善的操作指导和事?#21490;?#26512;手段
  •系统运行工况可由很多监测?#38382;?#21453;映出来,当运行工况出现异常时,提供相关?#38382;?#36235;势、图表等高效方式通知运行人员及时处理。
  •操作记录打印、报警打印、事?#39318;?#24518;打印、周期性报表等功能,有助于系统日常管理和事?#21490;?#26512;。
  •高效、便捷的系统在线维护。
  
2) 系统设计:体现DCS的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下:
  可靠性设计:
  •所有部件标准化、通用化、模块化。
  •控制系统按分层、分散、自治的原则。
  •所有I/O模件均为智能化设计,采用隔离措施,具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有软件数字滤波和消除偶发干扰的措施。
  维护性设计:
  •可带电插拔。
  •系统自诊?#29616;?#36890;道级。
  •选用模块化的功能组态软件,提高软件透明度。
  扩展性设计:
  •采用工业以太网网络结构,通讯速率100MBPS,主干网采用冗余环网,个子站通过双绞电缆挂接在主干网络上,有极强的通讯扩展能力。
  •提供与其它系统的通讯接口,如工业以太网、PROFIBUS DP或MODBUS。
  开放性设计:
  •支持国?#26102;?#20934;数据接口,如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
  •标准MIS数据接口站,与厂级MIS互联。

三、PCS7系统的主要特点

华新水泥为什么选择SIEMENS PCS7?
  
          ●水泥生产各个?#23548;?#21644;工?#20301;?#19981;干扰,但它必须实现相互之间的通讯,完成交换数据,从而保证连锁要求;
   ●系统有大量的离散输入/输出数据,以及少量的模拟输入/输出;
   ●部分离散输入/输出需要高扫描速度;
   ●部分重要过程传感器需要系统能够实现优化处理,也可以实现人工设置;
   ●工艺相对简洁,设备数量多;
   ●系统方便地与随机控制设备()的连接、通讯;
   ●控制系统必须有很好的兼容性;
   ●控制系统可靠性高,有自诊断和冗余功能
   ●TIA的理念和强大的系统软件功能  

        PCS7是一种模块化的基于的新一代过程控制系统,结合了传统DCS和PLC控制系统的优点,将两者的功能有机的结合在一起。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台;所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,有同样统一的软件平台。系统大量采用了新技术,在网络配置上,使用标准工业以太网和PROFIBUS网络。由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限,真正实现了仪控和电控的一体化,充分体现了全集成自动化的特点,使得系统应用?#27573;?#21464;广,是一?#36136;?#29992;于现在、面向未来的开放型过程控制系统。

        PCS7拥有良好的用户界面及强大的系统功能块库,能大大节省系统编程组态的时间?#22836;?#29992;。
  ·系统的所有硬件都基于统一的硬件平台, 所有软件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同样统一的软件平台。
  ·系统大量采用了新技术, 在网络配置上使用标准的工业以太网和 PROFIBUS 网络。
  ·通过冗余的 10 Mbps 光纤环网(工业以太网)相连接,分别将信号传送至中央控制室, 全厂主要设备的开、停和?#25910;?#20449;号都将在过程控制系统和中央控制室显示。
  ·采用 SIEMENS 高速以太网光纤通信模块 OSM, 大大加强了网络抗电磁干扰的能力, 省去了采用普通双绞线连网所必须考虑的?#35272;?#20987;及过电压保护的措施, 使得控制系统安全可靠, 风险系数大大降低。
  ·自动化系统的现场控制站采用带有带电热插拔特性的 SIMATIC ET200M 分布式输入/输出控制站,允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下插拔, 而无需停止系统,大大提高了系统的可靠性。
  ·系统所有的分布式远程I/O分站和低压保护装置、高压保护装置、、、现场控制器等通过PROFIBUS-DP现场总线与系统控制器进行通信,较高通信速?#22763;?#36798;12Mbps。

四、PCS7系统在华新水泥的应用

1. 硬件组成
  华新水泥生产过程自动化控制系统的硬件包括:1个西门子SIMATIC 300站和5个(较少为3个)西门子SIMATIC 400站。(各个站包括1个电源模块、1个CPU、1个工业以太网通讯接口模块和数量不等的ET200M、模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块)、1台工程师站计算机和1组服务器对及若干台计算机、2个西门子CP1613网卡、1台MIS服务器。

2、 软件组成
  华新水泥生产过程自动化控制系统的软件包括:Windows 2000 Server 英文版操作系统、西门子PCS7编程软件和CEMAT水泥行业专业软件。

3、 系统配置(见附图)
  华新水泥生产过程自动化控制系统中各个现场控制站通过西门子工业以太网通讯模块连接在同一个SIMATIC工业以太网(采用光纤熔接为环形网络,如下图?#26032;?#32447;所示)上完成控制功能,同时服务器通过西门子CP1613网卡、若干台工控计算机也通过经RJ45屏蔽双绞线由普通网卡到交换机或中控室的OSM TP62连接到此SIMATIC 工业以太网上完成监视和操作功能。其中,原料磨控制系统的SIMATIC 400站通过工业以太网与石灰石破碎控制系统的SIMATIC 300站交换数据,同时原料磨控制系统的SIMATIC 400站通通过工业以太网与窑尾控制系统和窑头控制系统的SIMATIC 400站交换数据。而且,SIMATIC 400站基于PROFIBUS-DP/PA网络,连接现场远程控制站、PROFIBUS-DP设备(低压保护装置、高压保护装置、执行机构、变频器、现场控制器等)或PROFIBUS-PA仪表(温度变送器、压力变送器)。

4、 硬件评估
  SIMATIC 工业以太网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网,它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。华新水泥生产过程自动化控制系统在主站监控级网络采用SIEMENS Industrial Ethernet,在设备级网络采用PROFIBUS-DP。华新水泥采用室外重铠六芯62.5um/125um光纤作为SIMATIC 工业以太网的连接介质,有效地实现了工业以太网数据传输过程中的抗干扰功能,保证了系统运行的可靠性。

        PROFIBUS作为一种总线标准,具有开放、国际化、不?#35272;?#20110;设备生产商等特点,由其构成的兼容网络系统,可应用于不同的场合,分别是PROFIBUS-FMS,提供强有力的通信功能;PROFIBUS-DP,用于传感器和执行器级 的高速数据传输;PROFIBUS-PA,用于安全性较高的场 合,允许对设备进行完全的内部操作。SIMATIC Profibus DP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网,它的特点是可以在PLC(可编程序控制器)与现场设备(如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等)之间交换数据。华新水泥生产过程自动化控制系统采用西门子专用DP/PA线作为Profibus DP/PA网的连接介质。  

        华新水泥自2002年起至今,大规模使用PROFIBUS技术。在华新,各条水泥大约使用DP设备200台,PA仪表100台。

        PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一,以其独特的技术特点、严格的?#29616;?#35268;范、开放的标准、众多厂商的支持和?#27426;?#21457;展的应用行规,已成为较重要的现场总线标准。它符合:- IEC 61158 国?#26102;?#20934; 和- JB/T10308.3-2001(中国标准2001 年) 。

PROFIBUS 协议包括以下主要部分:
· PROFIBUS DP:主站和从站之间采用轮循的通讯方式,主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信。
· PROFIBUS PA:电源和通信数据通过总线并行传输,主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

PROFIBUS技术与传统集中控制比较,在系统设计、安装调试、维护及扩展方面都具有十?#32622;?#26174;的优势:

· 12M 的通信速率和可靠的通信质量
· 适用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)
· 灵活的拓扑结构,支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型
· 强大的通信功能,支持基于总线的驱动技术?#22836;?#21512;IEC61508 的总线安全通信技术
· 先进的网络规模(较多支持126 个总线站,网络规格可达90 公里)

        采用PROFIBUS技术后,与传统的电控系统比较,系统具有以?#24405;?#20010;特点:
  ·系统设计更加方便、清晰----负载馈电器的使用,免去了保护开关、接触器及与 PLC输入/出的大量原理图、接线图的设计,出图量大幅 度减少,ET200M模块化组件的使用,也?#26500;?箱)内布 线、设计更为简便,加快了控制系统设计、生产周期。
  ·安装简单、快捷----在不采用任何工具的情况下,接口模块和端子模块卡在导轨上,完成接线后,电子模块、电源模块、负载馈电 器模块“即插即用”。
  ·组态、调试更加容易----无须其他特殊软件,在S7软件包中,用鼠标拖拉即?#36175;?成PROFIBUS-DP的组态。不需额外费用,设备?#25910;?#23601;可通过总线报告,?#25910;?#23450;位更加方便。
  ·维护简单----划分子站和模块化组件的使用,以及强大的?#25910;?#35786;断能 力,都为日后设备维护带来极大的便利。
  ·便于扩展和信息集成----PROFIBUS的使用将孤立的单元设备带进了信息化网络中, 为今后系统扩展和企业综合自动化的实现打下良好的基础。
  ·?#29616;?#29992;户工程造价降低----PROFIBUS技术的使用,节省了大量的线缆、桥架、端子 排、柜体等,培训和维护费用减少,这些都降低了工程总造价。

        SIMATIC 400站是西门子公司的拳头产品,无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的领先地位。

5、 软件评估
  PCS7是西门子公司为S7-400系列PLC设计的编程软件,它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制;它的组织块、功能块、数据块相结?#31995;?#32534;程思想可以随心所欲地实?#25351;?#31181;控制要求;它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求;它的符号表(Symbol)可以方便进行程序注释。

基于标准的SIMATIC软件和硬件组件
先进的分布式客户机/服务器架构
可伸缩性强,?#26377;?#22411;实验室系统,到具有高达60,000个过程对象的大型工厂
可用于连续?#22242;?#22788;理应用
可用于所有工业领域:过程、制造以及混合工业
强大的HMI系统,带有集成的基于SQL服务器的归档系统
基于IEC 61131 的集中式,工厂?#27573;?#20869;的工程系统
通过现场总线PROFIBUS,现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成
无缝集成的安全系统,通过TüV*验证的可满足AK6/SIL3
在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和?#25910;?#23433;全相结?#31995;男问劍?#39640;可用性和?#25910;?#23433;全相结?#31995;男问?br /> 可在所有层级实现冗余,提高可用性
符合ISA S 88.01 和FDA 21 CFR Part 11规范的模块化批处理系统SIMATIC BATCH
通过SIMATIC IT架构实现 MES/ERP层级的接口

SIMATIC PCS 7 ——一个真正的现代DCS系统

HMI

具有多用户能力的HMI组件
大容量架构
客户机-服务器结构
冗余
在线修改
AS, I/O 模块, I/O
热插拔(运行中插入和拔出模块)
运行中可进行扩展 / 修改
用于危险区域的I/O 模块
冗余(控制器、模块和PROFIBUS)
集成的?#25910;?#23433;全技术
智能现场设备/驱动设备的集成
通讯
快速以太网和PROFIBUS DP/PA
光纤交换技术
冗余(系统总线和现场总线)
在线扩展
工程
集中式工程工具,简单易用,通用操作
批量工程,具有导入/导出功能
应用图形化和面向PLT的工具进行全面、有效的工程
集成的SIMATIC PDM软件对智能现场设备进行集中?#38382;?#21270;
软件模拟和测试
修改跟踪功能
分布式、并行工程功能

6、 疑难与解答

1) 标准化编程
  大型的自动化控制系统很难一个人完成,因此需要很多人的分工与合作。标准化编程就是要使软件工程师编写的程序整齐划一,通用性和可?#21015;?#24378;,除了作者本人的阅读者也能轻而易举地理解作者的编程思想和工艺要求。这样不但可以使编程人员不再纠缠编程的枝节问题,缩短编制程序的时间,集中精力解决更加困难的工艺?#31995;?#38382;题?#27426;?#19988;有利于维护人员对程序的理解,为生产保驾护航提供了更加宝贵的经验。标准化编程的实现是多方面的,首先根据设计图纸编制各系统的点号表(用EXCEL表格);再根据点号表编制STEP7符号表(SYMBOL);再根据点号表?#39029;?#21508;控制设备的输入/输出点号,据此定义下列STEP7使用的点号:模拟手/自动转换选择开关;启动按钮、停止按钮(对单线圈的泵或电磁阀);开启按钮、关?#30651;磁ァ?#20572;止按钮(?#36816;?#32447;圈的电动阀);手动输出值、给定值、比例系数、积?#36136;?#38388;(对PID调节阀);再根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序;较后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序,即自动程序。

2) 数据通讯。
  这里的数据通讯包括SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 400 PLC之间,SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 300 PLC之间的数据通讯。其中,SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 400 PLC之间是通过SIMATIC 工业以太网通讯,编程使用FB205(FR_AGSEN/发送数据功能块)和FB206(FR_AGRCV/接收数据功能块);SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 300 PLC之间的数据通讯也采用相同的方法处理。?#26723;?#27880;意的是FB205(FR_AGSEN/发送数据功能块)和FB206(FR_AGRCV/接收数据功能块)必须在OB35(100s时间中断组织块)中调用。

3) PID调节
  水泥生产过程中有很多控制对象,诸如系统风力压力、物料流量等都需要稳定的值。以前这些模拟量的调节采用智能仪表,现在有了西门子SIMATIC 400 PLC就可以取代这些智能仪表,PID调节在STEP7中使用FB513(连续PID调节控制);在WINCC中使用PID调节器的操作面板,完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID?#38382;?#27604;例系数、积?#36136;?#38388;)输入等功能。

4)画面强制
  大型工厂自动化控制系统涉及的控制设备很多,控制工艺复杂,导致控制过程中的逻辑连锁非常复杂,主要设备动作的诸多条件很难同时满足。为了调试程序的需要,在画面上增设许多选择开关,当某开关置“1”时,?#22270;?#35774;此条件满足。当所有条件满足时,程序就可以对设备进行操作,而不必等待?#23548;?#26465;件满足。在生产中有时?#25104;?#22791;出现临时?#25910;希?#20026;不影响正常生产,也可以在画面上强制,继续生产,直到设?#24863;?#22909;,再把强制解除即可。

5)SIMATIC Web Navigator:
  
        Web Navigator 软件包可使用户通过Internet或局域网同过IE浏览器直接访问WINCC过程画面。客户端无须安装WINCC应用程序,所有WINCC应用都位于服务器上,因此降低了对客户端的系统要求。通过Web Navigator 可实现办公室与现场的数据实时交换,满足当前对现代化DCS系统的基本要求。同时只需要较少的软硬件配制就?#36175;?#26102;满足50个操作员站。由于此功能是通过Internet来实现,所以安全性是必须考虑的问题。

五、 项目中的难点:

   由于华新水泥项目中使用了大量的Profibus通讯,?#19994;?#19977;方设备较多。较初十分担心设备的混合通讯以及现场设备间的相互干扰。但在?#23548;?#20351;用过程中,深刻的体会到现场总线技术所带来的方便。同时也感觉到西门子PCS7的开放性对华新水泥过程控制系统项目的帮助。由于第三方设备较多,因此使用大量的自编写的CFC功能块,但是正是由于PCS7的开放性能够为这些CFC功能块生成相应的BlockIcon、FacePlate、报警信息等DCS系统所必须的功能;不仅第三方设备可以这样处理,一些比较复杂的工艺过程也采用了同样的方法,取得了满意的效果,得到分公司生产维护人员的好评。在通讯调试过程中发现,调试设备通讯时应注意系统的接地,通讯电缆的短路,系统的等电位等因素都会导致系统总线的瘫痪。









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