西門子過程自動化系統在水泥行業中的應用

隨著水泥生產大型化、使用設備先進性的提高以及水泥工業劣質原料和工業廢渣的綜合利用，水泥工廠自動化水平的提高已受到越來越高的重視。與傳統的模擬儀表及繼電器控制相比，分布式控制系統以其集中操作管理、分散檢測控制的結構特點和功能完善、使用方便可靠等優點，在水泥行業獲得了廣泛應用。
　　武漢亞東水泥股份有限公司5000t /d水泥熟料生產線投產后，為用戶帶來了較好的經濟效益。該生產線生產工藝為了滿足大型化、自動化、高效率、低能耗、低污染等要求，整條生產線的自動化水平必須非常高。經過長期的認真比較研究，該生產線控制系統采用了西門子公司PCS7系統及CEMAT系統軟件、總線儀表等當前國際先進的控制技術，并針對大型水泥工廠生產工藝要求編制相應軟件，使控制系統的使用及維護更加方便可靠。
1 PCS7系統特點
　　PCS7集成了系統所需的標準硬件和編程所需的標準軟件，其控制器采用西門子公司的S740+ET200M部件，使其模塊化的結構特點和豐富的通訊功能得到充分發揮； 系統軟件為Simatic Manager， 它是PCS7的核心應用程序， 集成了STEP7、WinCC、CFC、SFC等編輯器，使上下位機的數據連接工作方便地進行。
　　PCS7系統軟件采用SIMATIC程序管理器，可對項目進行管理、處理、歸檔和建立文件。對于一個項目管理，可有工廠視圖、組件視圖、過程對象視圖三個不同的視圖，同時進行管理。其中，組件視圖主要管理系統的硬件，如控制器、系統總線、I/O系統等；工廠視圖主要管理工藝過程，它將整個工廠按工藝過程的要求，分為各個子系統，然后將各個系統映射到控制器上；過程對象視圖用于對所有控制對象的參數進行管理。
　　在SIMATIC程序管理器下，還可以使用多種組態工具，無論采用何種組態工具，生成的組態數據都自動存到一個同一的數據庫中。組態工具有：CFC、SFC、STEP7、SCL和WinCC等。CFC是一種簡潔的圖形組態工具，主要用于連續過程的自動化控制任務的組態，為系統主要編程工具。CFC組態以功能塊為基礎的，系統配置了很多預編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現。每個功能塊都有一個參數表，可根據實際工藝要求選擇不同的參數。每個CFC由多個分區構成。每個分區由6頁組成。功能塊之間的連接可以在相同或不同的CFC之間的相同或不同的分區的頁面上進行，連接標記由系統自動標出。因此，采用CFC可以完成很復雜的大型控制任務。此外，CFC還具有圖中圖功能，即將同類的控制功能組態成樣板CFC圖，以后組態時可以多次在其它CFC圖中插入樣板CFC圖，直接對樣板圖進行連接，這樣可以節省大量的組態時間。
　　水泥行業的基礎自動化控制除了常規的電機控制、儀表信號監控外，還具有一些特殊要求。如設備的成組控制（包括組啟動、組暫停、組停止），兩路閥的控制等，不同方式對同一控制設備有不同的啟停要求。CEMAT軟件包是西門子公司專門為水泥行業開發的水泥控制系統，是一個集成化的標準軟件，具有專用于水泥工廠的特征模塊數據庫，對各種電動機、調節閥、電磁閥、測量信號及硬件診斷等都有自己獨特的解決方案。同時其顯示方式簡潔，不需附加另外的專家系統就可完成組態和參數設置。該軟件包集成于PCS7系統，在PCS7集成的功能上增加了針對水泥工程的工程操作、故障診斷及聯鎖等功能塊，是具有獨特的、開放式的接口及經濟的解決方案。CEMAT軟件包特點如下：
方便的水泥廠故障診斷功能
方便的軟件聯鎖功能
靈活便利的操作方式
減少故障時間
針對水泥行業的特殊指令
與傳統的DCS系統模塊相比，CEMAT系統的組態直接面向水泥工藝過程，其功能塊使用靈活、編程調試方便、功能塊間通過點擊自動連線，避免了許多中間變量的產生，節約了大量的系統資源。
2 系統結構
2.1 系統軟硬件配置
2.1.1 硬件組成
系統硬件由信息可交換的中央控制室、高可靠大容量冗余的現場控制站、PROFIBUS 過程現場總線技術的分散型I/ O等子系統組成。操作員站及工程師站均配有支持工業以太網的CP1613智能網卡，以分擔主機CPU 的負荷，控制站采用了功能強大的冗余CPU 417 - H，控制站與操作員站及工程師站之間配備了電氣交換機ESM，使工業以太網通訊速率達到100mps，并實現環網架構，控制站與現場I/ O 之間采用了冗余現場總線PROFIBUS，I/ O模塊支持帶電熱插拔。
2.1.2 軟件構成
控制站用PCS7 TOOL SET 進行編程和組態，PCS7 TOOL SET由STEP 7 （邏輯控制） 、SFC（順序控制功能圖） 、CFC（連續控制功能圖） 、SCL （結構化編程語言） 等控制算法組成。在控制站和操作員站上，監控軟件采用西門子公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司共同開發的居于世界領先地位的視窗控制中心軟件WinCC（Windows Control Conter） ，上下位機使用高度統一的關系型數據庫SQL2000。2.2　系統網絡通訊架構
　　整個系統分為下層控制網絡和上層管理網絡兩部分。下層控制網采用同軸屏敝電纜,通過每個ET200M上的IM153 - 2通訊卡與AS417 - H控制器互相連接，滿足現場信號的采集、處理和控制器通訊需要，為Profibus - DP現場通訊網。上層管理網絡又分為兩類：一類為采用同軸電纜，通過OS 站、ES站控制器上的通訊模塊CP443 - 3 相連接，滿足操作員站、工程師站對現場設備的監視、控制和管理的需要，實現數據共享。另一類為采用同軸細纜，通過ESM電氣交換機，構成環形光纜管理網以實現站與站之間的通訊，主要滿足工程師站和操作員站之間的文件管理、拷貝等功能的需要。環形網的優點是實現網絡冗余，無論網上的任意一點斷開都不會影響網上任何設備的正常工作。
　　其中現場控制站由六個站組成（其中包括兩個遠程控制站），石灰石破碎控制站、原料控制站、燒成窯尾控制站、煤粉制備遠程控制站、燒成窯頭控制站和熟料儲存遠程控制站。現場控制站通過中央處理單元及I/O模塊完成生產過程中各過程參數的采集、調節以及設備的起停控制。控制站分布在各電氣室，以縮短與電氣柜、現場一次檢測元件及執行機構的距離。
中央控制室配置一臺工程師站（ES）、四臺操作員站（OS）。四臺操作員站均可對從石灰石破碎至熟料散裝的工藝生產過程進行操作和控制。操作員可以在監視器上觀察生產過程中各個部分的流程、各測點的動態參數、設備的運行狀態、重要參數趨勢圖、歷史數據和報警等畫面，監視和控制生產過程，從而實現對工藝過程的管理、監視和控制。工程師站除具有操作員站的所有功能外，還可以對全系統進行組態和維護，完成操作員站和現場控制站的編程，修改和調試工作。
3 控制策略
3.1 控制回路
　　對5000 t/d的水泥熟料生產線，我們確定了比以往生產線具有更高的自動化水平的控制方案。在從石灰石破碎至熟料散裝的整條生產線中，除了采用順序邏輯控制控制電機的起動停止，系統還使用了原料配料控制、立磨出口溫度控制、立磨進出口壓差控制、增濕塔出口溫度控制、均化庫底充氣及生料小倉倉重控制、生料入窯流量控制、分解爐出口溫度控制、粉煤灰喂料控制、篦冷機卸灰控制、篦冷機廢氣溫度控制等控制回路，針對不同的生產工況，自動調整參數，對生產線各部分實施最優化控制，使系統的操作更加穩定可靠，達到控制系統高效、節能、環保的要求。
3.2 專家診斷功能
　　根據系統設備間的聯鎖關系和步序關系，系統內設備劃分為若干個組，各組內設備根據其聯鎖及步序關系順序起停，并受保護條件的制約。各組及各設備的起動、運行都受起動條件、聯鎖條件和運行條件的保護。當組或設備起動失敗或跳停時，操作員站中會有事件記錄，并可在組或設備的操作窗口中查詢起動失敗或跳停的原因，幫助維護人員盡快發現問題，處理故障并恢復生產。
3.3 工業電視系統
　　系統中設置了大量的工業電視：石灰石破碎板喂機、石灰石堆料、石灰石取料、原料入磨皮帶、窯頭看火、篦冷機落料、原煤入磨皮帶秤等。工業電視的監視器都放在中央控制室，使操作員在起停設備、調節參數的同時，能直觀地了解現場設備的運轉情況，大大提高了效率。
4 結束語
　　水泥熟料生產線投產至今完全達到了設計要求，控制系統以其優越的性能得到了用戶的認可。實踐證明，控制系統作為整條生產線的大腦，始終運行良好，在生產中充分發揮了其應有的控制、指揮作用。由于CEMAT軟件未漢化，對中文系統不是完全兼容，在一定程度上阻礙了該控制軟件優越性的充分發揮。