西門子PA儀表與PCS7系統結合在華新水泥(武穴)項目中的應用

華新水泥股份有限公司是一個有著百年歷史、享譽國內外的國家大型水泥骨干企業，前身為1946年9月28日創建于湖北黃石的華新水泥股份有限公司大冶水泥廠。當年向美國愛立斯公司洽談訂購了兩條3.5*145M大型水泥濕法旋窯和配套設備，建設成了當時“遠東第一”，后來一直享譽中外的華新水泥廠，即今天的華新水泥股份有限公司。

1994年12月31日，公司新建的2000t/d水泥熟料生產線一次點火成功投產，由此公司實現了濕法工藝向先進的干法工藝的歷史性轉變。

進入“十五”以來，華新進入了飛速發展期，到目前為止，華新水泥股份有限公司建設新型干法窯共１０條，粉磨站共8個。

華新水泥股份有限公司武穴分公司地處“鄂東門戶”武穴市，是中國著名水泥企業集團華新水泥股份有限公司，旗下最大的分(子)公司，規劃年產水泥1000萬噸，一期工程為一條日產6000噸的新型干法水泥生產線，具備年產優質熟料200萬噸，優質水泥250萬噸的能力。一期工程于2004年4月29日開工興建，2005年4月26日點火投產，現運行正常。

新型干法水泥生產已成為當代水泥工業發展的主流和最先進的工藝。

整條生產線分為三個階段：(1)生料制備 (2)熟料煅燒 (3)水泥的制成

以上三個階段可以簡稱為“兩磨一燒”。

華新武穴熟料生產線在水泥生產過程中,大致經過了原料開采、原料破碎、生料配料、生料粉磨、熟料煅燒、水泥粉磨、水泥包裝及輸送等過程。

圖1-2：武穴水泥磨工藝生產線監控圖

過程控制儀表是水泥生產自動化中不可缺少的一部分, 而在50 年代, 過程儀表基于 3～15psi 氣動標準信號, 60 年代后發展了 4～20mA(DC) 信號標準, 80年代后---4～20mA(DC) 標準信號和智能儀表并存。

然而，II型儀表存在參數不易調整, 現場人員不易控制；還有互換性差等缺點，

隨著計算機技術、控制技術、網絡通信技術的不斷發展，企業網絡的結構形式發生了較大變化, 現場總線技術的智能儀表等產品應運而生。

SITRANS T3K PA 將來自熱電阻和熱電偶的信號轉換成數字信號。測量值通過微處理器，轉化為PROFIBUS PA上的溫度輸出和其它狀態參數。傳感器、量程、故障信息都可以編程設定，因此，SITRANS T3K PA能夠提供您各種各樣可能的診斷和模擬的功能。

高度的安全性----工作電流小于11mA。出于安全考慮，在故障事件中，總線電流減少到小于14mA。

快速，無故障參數化----SITRANS T3K PA結構緊湊，可安裝在帶蓋的B型接線盒中。此外，在參數設定方面，它還可以利用方便的SIMATIC PDM軟件進行編程。

SITRANS T3K PA帶有的保護功能：

l 電流限值：在出現故障時，避免總線過載，維護其它正確運行節點的數據流通；

l 極性顛倒保護：使總線線路按要求連接；

l EMC濾波：在有電磁干擾時防止誤動作；

SITRANS P DSIII PA系列壓力變送器適用于非腐蝕性和腐蝕性氣體、蒸汽和液體的壓力測量。標準量程寬，從0.1至40MPa

該變送器即可使用三個輸入鍵在現場進行參數設定，并可在數字表頭上觀察測量結果、出錯信息和操作模式。又可通過一個SIMATIC PDM工具軟件在線測試狀態值和診斷值。SITRANS P DSIII 系列變送器特點：

l 可靠性

l 穩定性

l 超強的診斷功能

· 超限監測。當壓力值超限，或錯誤信號產生時，其發生的頻繁度、時間、幅度、都將作為異常事件被記錄。及時掌握生產過程中發生的異常情況。

· 可以通過軟件輸入一個值，修正正常范圍內的漂移情況。

· 內置維護計數器，可以記錄變送器調校次數。根據連續性理論，此功能可用于保證變送器的最大使用精度。

· 變送器內的仿真功能，可基于已定義的數值檢查變送器電子部分和整個回路，以獲得以下重要信息：變送器電子部分是否正常工作？多少壓力時產生超限響應?調節回路是否正常？所有顯示功能是否起作用？

STRANS LR400是一款24GHz連續波調頻工作方式的微波雷達物位計，最大量程可達45米，改進型的量程升級至50米；喇叭口可以根據客戶的實際需要加長，可以完全滿足水泥廠中各種不同高度的倉的要求。

可以通過紅外手持編程器直接對儀表進行編程，也可以使用SIMATIC PDM 軟件進行遠程編程。

除此之外，它還有以下特點：

1) 高頻、耐高溫特性，使其很好地用于諸如生料、熟料、成品水泥、粉煤灰等介質的測量應用中，測量結果可靠、穩定、準確。

2) 先進的回波處理算法——聲智能技術，能夠將真假回波信號區分開來，從而保證測量的可靠性。

3) 采用PTFE長喇叭防塵封頭設計，外加吹掃裝置，既克服粉塵吸附，又消除干擾信號的影響。

堅固的鋁制外殼設計，能夠滿足各種惡劣的工況。

對于華新而言，如何選擇可靠高效的自動化控制系統、電控設備及儀表設備是提高產品的競爭力的成本控制策略的重要內容。在水泥廠中，利用溫度、壓力、物位等儀器對不同的爐膛、管道、物料倉的準確測量，是提高整個生產線的產品質量、生產效率和安全環保起著至關重要的作用。

表2-1 西門子產品

　　

　　　　　　

西門子變頻器440 西門子PA 壓力&溫度儀表

DP執行器SIPOS5 用現場接線盒取代TAP頭　

LR400 雷達料位計

3.1系統共設3個控制室：石灰石破碎控制室1個，中央控制室1個，包裝控制室1個。

3.2 全廠過程控制系統需控制的點：DI 2624點、 DO 1280點、AI 200點、AO 8點、PT100 320點、 共4432點、DP 256個、 PA 105個。

圖3-­1武穴過程控制系統配置圖

根據華新武穴6000t/d新型干法水泥熟料生產線項目的工廠管理、生產過程及功能要求，過程控制系統體系結構可分為3層，即

3.3 工廠級(企業管理層)、車間級(監控層)和現場級(現場控制層)。

現場控制層：

（1）SIMATIC ET 200M 遠程I/O站通過ProfibusDP通信標準與S7 416-2進行通信；

（2）現場低壓智能保護、中壓智能保護、交直流傳動、調速變頻裝置以及電動執行機構通過ProfibusDP通信標準與 S7 416-2 PLC進行通信；

（3）現場智能儀表（包括總線式壓力變送器和總線式溫度變送器）通過Profibus-PA通信標準與DP/PA-LINK及COUPLER連接與S7 416-2 PLC進行通信；

3.3.2 現場控制層組成：6個現場控制站、5個遠程I/O站。

３．４控制系統軟件

3.4.1 武穴項目選用的是西門子的PCS7作為操作平臺；

3.4.2　用戶軟件有華新技術中心技術人員自己開發的應用軟件；

西門子網絡以PROFIBUS協議為主流，網絡組態簡單快捷，直觀易于操作。

ProfiBus-PA儀表組態步驟：（以壓力變送器為例，其它儀表類似）

4.1.1 打開PCS7中的硬件配置，將現場儀表圖標拖入，西門子的GSD文件自動集成在后臺；

4.1.2 現場儀表硬地址（例如：８）必須與硬件配置中的地址匹配；

4.1.3 編輯下載后，控制器開始通訊;

4.1.4　邏輯分配的地址(例如：５１６)存放的數據是有效的；

4.1.5 雙擊現場儀表圖標，打開SIMATIC PDM, 即可對現場儀表進行參數配置；

圖4-1 ProfiBus-PA儀表在PCS7中硬件配置

4.2.1 在CFC chart圖中拖進一個“PA_AI”塊；

4.2.2 “PA_AI” 模塊具有自動轉換功能，將邏輯I/O單元內容轉換成測量值和狀態值，例如”516”

4.2.3 PA_AI 共5BYTES, 高4ｂｔｙｅｓ是測量值，１ｂｔｙｅ過程狀態；

4.2.4 通過狀態值的評估在線診斷現場設備；

4.2.5 將CFC　chart 塊編輯、然后下載到CPU控制器，現場設備的數據為有效數據

圖4-2 ProfiBus-PA儀表在PCS7的CFC中的應用圖

圖4-3 461KH1T1窯頭罩溫度曲線

圖4-4 461KH1P1窯頭罩壓力曲線

（2006.11.03，14:23~15:23 一個小時的溫度、壓力曲線記錄）

5.1 SIMATIC PDM—是一個過程設備管理工具，適用于所有的現場設備，如溫度變送器、壓力變送器、物位計、電動執行機構等智能儀表；

5.2 打開PDM工具展示供貨商所有的設備參數描述；

5.3 提供統一的人機界面易于操作；

5.4 SIMATIC PDM 有集成版或單機版；

5.5 一臺現場設備的所有參數可以通過通訊傳輸上來；

5.6 SIMATIC PDM 特殊功能

- 設置現場設備地址

- 顯示連續記錄

- 參數設置比較

圖5-1 SIMATIC PDM 可視平臺

圖6-1 壓力表頂的保護蓋

圖6-2 三個現場按鈕

6.1壓力儀表調校

對于西門子壓力儀表參數設置方法很多，并且所設定的參數有20多個，如何簡單迅速的對儀表進行設定，是儀表工程師關注的問題。通過現場摸索，總結出一套簡單的操作步驟：

6.1.1 直接打開現場安裝好的壓力表頂的保護蓋，通過三個現場按鈕進行參數調整；

6.1.2 SITRANS P DSIII PA系列壓力變送器依按照下列基本參數設定

6.1.3 零點誤差的調整：將變送器放空或抽真空，然后通過零點調整使實際位差顯示為0Pa，從而達到校正因安裝位置等原因導致的零點誤差。

6.2壓力儀表安裝需要注意的問題

6.2.1 測量氣體時，變送器安裝在高于取壓點的位置，保證冷疑液流回主管線而不至于產生假指示；

6.2.2 測量液體時，變送器安裝在低于取壓點的位置，確保主管線的含雜的氣體被放掉；

6.2.3 安裝便于操作，盡量靠近取樣點；

6.2.4 建議向下垂直安裝；

6.2.5 避免變送器曝曬，避免強振動，避免高溫；

6.3溫度儀表調試和安裝需要注意的問題

由于西門子溫度儀表體積小巧，安裝方便，我們直接用PDM在室內進行參數設定，調試。安裝便于操作，盡量靠近取樣點，同時，避免變送器曝曬，避免強振動，避免高溫。

PROFIBUS-PA配置方式兩種：一種是通過Coupler直接接PA-儀表，但這種方式通訊速率較低，使得PROFIBUS-DP總線回路速率只有45.45KBit/S；另一種采用Link+Coupler的方式配置系統，適合于系統規模較大，每個站的儀表超過20臺以上，而ProfiBus DP所掛接的設備要求具有較高的通訊速率，故而，通過PCS7組態網絡時利用Link作為DP從站占據一個DP 地址，所有溫度變送器、壓力變送器等智能儀表作為Like的從屬獨立于ProfiBus DP單獨進行編址。

　

Iseg：回路總電流

Ibn：總線設備基本電流消耗

Ifde：總線故障電流

Is：耦合器供電電流

M：總線設備數量

N：起始數

舉例： (1)SIRANS TF PA型溫度變送器，消耗基本電流Ibn =11mA，最大故障電流Ifde <=3mA時，則在6ES7 157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多鏈接溫變臺數：（400mA-3mA）/11mA=36臺

(2)若SITRANS P壓力變送器其消耗基本電流Ibn=12.5Ma,最大故障電流Ifde =15.5mA,則在6ES7 157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多鏈接壓變臺數：（400Ma-15.5Ma）/12.5mA=30臺

但是，大家知道ProfiBus行規協議規定，每段僅鏈接31臺智能儀表

確保最后一臺儀表的工作電壓大于9V

其中：

Ubn：最后設備電壓

Us：耦合器的電壓

Is：耦合器的電流

R'：單位長度導線阻抗

Lges：總長度

Iseg：回路總電流

例如：選用Coupler 型號6ES7 157-0AC81-0XA0為非防爆型，最大輸出電流為400mA，輸出電壓19VDC，則(16V-9V)/400*44 /km=0.4km

所以我們在武穴項目PA儀表網絡配置中，充分考慮以上因素，優化了網絡配置， 使得生產處于良好的運行狀態。

8.1 在硬件上節省電纜、節省I/O模板、減少盤柜量，節約電源隔離器 ；

8.2　在軟件上設計集中、設計故障源減少，節省調試時間；

8.3　在生產安全上減少停機時間、尋找故障直觀，迅速、具有預維護和診斷功能；

8.4用現場總線與非現場總線成本差別

隨著計算機技術，控制技術，網絡技術的發展 ，網絡結構的變化，現場總線技術有著廣闊的發展前景。運用該技術研究和開發的現場總線過程控制系統及智能儀表 , 必將大大推動水泥生產過程中自動化控制技術的實用化。通過我公司多年來西門子溫度、壓力、料位計等儀表的應用情況來看，其穩定性好。可靠性高，故障診斷方便等優點，為我公司的儀表推薦應用產品。