PCS7在華新水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

華新水泥股份有限公司是水泥行業(yè)具有百年歷史的龍頭企業(yè)，也是政府重點(diǎn)扶持的大型工業(yè)企業(yè)之一。在新的世紀(jì)，公司堅(jiān)持積極、穩(wěn)妥、快速、高效的原則，以宏偉的氣魄，非凡的膽識(shí)，通過新建、擴(kuò)建與并購(gòu)等手段，實(shí)現(xiàn)了超常規(guī)的擴(kuò)張。在建設(shè)工期、工程質(zhì)量、資金投入、項(xiàng)目管理及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等方面均創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)最佳，為國(guó)內(nèi)外行家所高度贊賞，瑞士豪西蒙集團(tuán)將其作為水泥項(xiàng)目工程建設(shè)的典范向其它國(guó)家和地區(qū)推廣。

華新水泥股份有限公司在國(guó)內(nèi)乃至世界水泥生產(chǎn)企業(yè)中名列前茅，在水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，運(yùn)用的電氣自動(dòng)化技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)品的檔次質(zhì)量，特別是控制系統(tǒng)軟件和硬件配置方案及系統(tǒng)應(yīng)用體現(xiàn)的能力和水平，體現(xiàn)了高度的延續(xù)性和前瞻性。

水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)在功能分配上同時(shí)又是分級(jí)式層次結(jié)構(gòu)，高層次是過程控制級(jí)，低層次是基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)。
　　 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，主要進(jìn)行電氣自動(dòng)控制和儀表自動(dòng)控制，對(duì)工藝設(shè)備過程信息進(jìn)行檢測(cè)、顯示、記錄及數(shù)據(jù)初步處理，執(zhí)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)控制及工藝設(shè)備過程自動(dòng)調(diào)節(jié)、超限報(bào)警。
　　 過程控制級(jí)，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(chǔ)，與上級(jí)管理計(jì)算機(jī)及其它計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

在華新水泥，過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用4級(jí)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(dòng)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(yáng)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(jìn)廠均化及輸送、原料配料、原料粉磨、電收塵、生料入庫(kù)、水泵房；3． 窯尾控制站：廢氣處理（高溫風(fēng)機(jī)、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(jī)站；

4． 窯頭控制站：熟料冷卻（篦冷機(jī)）、熟料入庫(kù)、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(kù)、；
6． 包裝控制站：水泥輸送、水泥包裝、散裝輸送、袋裝輸送、外運(yùn)碼頭；上位機(jī)采用WINCC進(jìn)行組態(tài)。人機(jī)界面主要設(shè)計(jì)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(shì)的集中顯示;
(3) 重要參數(shù)趨勢(shì)顯示:有實(shí)時(shí)趨勢(shì)與歷史趨勢(shì)兩種顯示;

(4) 全局報(bào)警顯示:系統(tǒng)按照功能區(qū)分為若干個(gè)報(bào)警組，各個(gè)報(bào)警組的報(bào)警窗口分布于相應(yīng)功能顯示窗口的上方，全局報(bào)警顯示提供集中查看系統(tǒng)所有報(bào)警的能力，或按優(yōu)先級(jí)、報(bào)警組過濾查看，并具有全局報(bào)警確認(rèn)。

通常情況下，石灰石破碎控制站使用一個(gè)西門子SIMATIC S7-300站（315-2 DP）進(jìn)行控制，其余各個(gè)控制站使用一個(gè)西門子SIMATIC S7-400站（416-2 DP）進(jìn)行控制。依照現(xiàn)場(chǎng)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(gè)控制站；將水泥磨控制站和包裝控制站合并為一個(gè)控制站。

以上每個(gè)子系統(tǒng)均通過西門子不同的通訊模塊連接在同一個(gè)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(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用若干數(shù)量的人機(jī)界面（操作員站）完成對(duì)生料、熟料、水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)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(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)視和控制進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽。

1．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)
　 提高水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平；
　 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的高品質(zhì)運(yùn)行，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；
　 提高運(yùn)行人員工作效率，滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行全能值班要求；
　 提高效益，降低能耗。

2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)思想
　　

1) 功能設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS建成后的自動(dòng)化程度、處理事故能力（報(bào)警、分析、指導(dǎo)、處理等）及先進(jìn)的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設(shè)計(jì)思想。

具體如下：
　　對(duì)象控制
　　按工藝流程的自動(dòng)化過程由DCS系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，達(dá)到平衡。
　　保障系統(tǒng)安全、可靠、高效運(yùn)行和啟停。提高水泥生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
　　實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)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(yùn)行工況可由很多監(jiān)測(cè)參數(shù)反映出來，當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)異常時(shí)，提供相關(guān)參數(shù)、趨勢(shì)、圖表等高效方式通知運(yùn)行人員及時(shí)處理。
　　操作記錄打印、報(bào)警打印、事故追憶打印、周期性報(bào)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(hù)。
　　

2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS的高可靠性、先進(jìn)性、易維護(hù)、易組態(tài)等為設(shè)計(jì)思想。具體如下：
　　可靠性設(shè)計(jì)：
　　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(jì)，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(hù)性設(shè)計(jì)：
　　可帶電插拔。
　　系統(tǒng)自診斷至通道級(jí)。
　　選用模塊化的功能組態(tài)軟件，提高軟件透明度。
　　擴(kuò)展性設(shè)計(jì)：
　　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(gè)子站通過雙絞電纜掛接在主干網(wǎng)絡(luò)上，有極強(qiáng)的通訊擴(kuò)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(jì)：
　　支持國(guó)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(jí)MIS互聯(lián)。

三、PCS7系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

華新水泥為什么選擇SIEMENS PCS7?
　　

●水泥生產(chǎn)各個(gè)車間和工段互不干擾，但它必須實(shí)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(shí)現(xiàn)人工設(shè)置；
　　 ●工藝相對(duì)簡(jiǎn)潔，設(shè)備數(shù)量多；
　　 ●系統(tǒng)方便地與隨機(jī)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(qiáng)大的系統(tǒng)軟件功能　　

PCS7是一種模塊化的基于現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，將兩者的功能有機(jī)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(tái)；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(tái)。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(shí)現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，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(qiáng)大的系統(tǒng)功能塊庫(kù)，能大大節(jié)省系統(tǒng)編程組態(tài)的時(shí)間和費(fèi)用。
　　·系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái), 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(tái)。
　　·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(hào)傳送至中央控制室, 全廠主要設(shè)備的開、停和故障信號(hào)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(qiáng)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(hù)的措施, 使得控制系統(tǒng)安全可靠, 風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大大降低。
　　·自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)模塊在系統(tǒng)運(yùn)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(yuǎn)程I/O分站和低壓保護(hù)裝置、高壓保護(hù)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)控制器等通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信，最高通信速率可達(dá)12Mbps。

1． 硬件組成
　　華新水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件包括：1個(gè)西門子SIMATIC 300站和5個(gè)（最少為3個(gè)）西門子SIMATIC 400站。（各個(gè)站包括1個(gè)電源模塊、1個(gè)CPU、1個(gè)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(tái)工程師站計(jì)算機(jī)和1組服務(wù)器對(duì)及若干臺(tái)工控計(jì)算機(jī)、2個(gè)西門子CP1613網(wǎng)卡、1臺(tái)MIS服務(wù)器。

2、 軟件組成
　　華新水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)中各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(shí)服務(wù)器通過西門子CP1613網(wǎng)卡、若干臺(tái)工控計(jì)算機(jī)也通過經(jīng)RJ45屏蔽雙絞線由普通網(wǎng)卡到交換機(jī)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(shí)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(chǎng)遠(yuǎn)程控制站、PROFIBUS-DP設(shè)備（低壓保護(hù)裝置、高壓保護(hù)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)控制器等）或PROFIBUS-PA儀表（溫度變送器、壓力變送器）。

4、 硬件評(píng)估
　　SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)是德國(guó)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(diǎn)是連接簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展、速度快、兼容性好。華新水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)在主站監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用SIEMENS Industrial Ethernet，在設(shè)備級(jí)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(shí)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(yùn)行的可靠性。

PROFIBUS作為一種總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放、國(guó)際化、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商等特點(diǎn)，由其構(gòu)成的兼容網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，分別是PROFIBUS-FMS，提供強(qiáng)有力的通信功能；PROFIBUS-DP，用于傳感器和執(zhí)行器級(jí) 的高速數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS-PA，用于安全性較高的場(chǎng) 合，允許對(duì)設(shè)備進(jìn)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(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備網(wǎng)，它的特點(diǎn)是可以在PLC（可編程序控制器）與現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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)。　　

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(tái)，PA儀表100臺(tái)。

PROFIBUS 是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它符合：- IEC 61158 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 和- JB/T10308.3-2001(中國(guó)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。

PROFIBUS技術(shù)與傳統(tǒng)集中控制比較，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、維護(hù)及擴(kuò)展方面都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)：

· 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?fù)浣Y(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(qiáng)大的通信功能，支持基于總線的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和符合IEC61508 的總線安全通信技術(shù)
· 先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(最多支持126 個(gè)總線站，網(wǎng)絡(luò)規(guī)格可達(dá)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(gè)特點(diǎn)：
　　·系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加方便、清晰----負(fù)載饋電器的使用，免去了電機(jī)保護(hù)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(jì)，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(jì)更為簡(jiǎn)便，加快了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。
　　·安裝簡(jiǎn)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(fù)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(fèi)用，設(shè)備故障就可通過總線報(bào)告，故障定位更加方便。
　　·維護(hù)簡(jiǎn)單----劃分子站和模塊化組件的使用，以及強(qiáng)大的故障診斷能 力，都為日后設(shè)備維護(hù)帶來極大的便利。
　　·便于擴(kuò)展和信息集成----PROFIBUS的使用將孤立的單元設(shè)備帶進(jìn)了信息化網(wǎng)絡(luò)中, 為今后系統(tǒng)擴(kuò)展和企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。
　　·最終用戶工程造價(jià)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(hù)費(fèi)用減少，這些都降低了工程總造價(jià)。

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(píng)估
　　PCS7是西門子公司為S7-400系列PLC設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各種控制要求；它的時(shí)間中斷組織塊可以實(shí)現(xiàn)短到10ms長(zhǎng)到5s的快速中斷請(qǐng)求；它的符號(hào)表（Symbol）可以方便進(jìn)行程序注釋。