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| 西门子PCS 7 V6.0SP1在锅炉控制系统中设计与实现 |
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新闻出处：中国工控网 发布时间：2007-11-15
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【摘要】
本文叙述西门子PCS7系统在锅炉供暖和发电控制系统中的应用，文中阐述了PCS7系统控制的硬件配置、软件的编程方法、系统对象的控制理论、控制站AS和操作站ES/OS的变量连接、系统画面的监视和操作。系统采用了西门子PCS 7 CPU热备技术以及环形型工业以太网冗余技术。充分满足了安阳动力厂在供暖以及厂内发电所需的蒸汽。控制先进，控制参数精确，操作简单，在同行业控制领域中有广泛的应用和推广价值。
【关键词】
冗余；PCS7；环形型工业以太网；ESM；ProfiBus；ES/OS；WinCC；OPC .
【Abstract】The article describe the application of Siemens PCS7 in boiler heating and power generation control systems, several parts are included: hardware configuration, software programming method, control thoery of system, variable level interconnection between control station AS and operation station ES/OS, system display monitoring and manipulations. Besides, in order to meet the need of steam in heating and power generation in Anyang Power Station, Siemens PCS 7 CPU redundancy technology and Annular Industrial Ethernet Redundancy Technology(AIERT) are also involved. Generally, since the system has advantages of advanced control method, precise control parameters, and easy-to-operate, there is no doubt that it will have wide applications in control industry and worth recommendation in consequence.
【Key Words】Redundancy ；PCS7；Ring Industrial Ethernet；ESM ；ProfiBus；ES/OS；WinCC；OPC
一、 项目简介.
1． 该项目位于河南省安阳市，为安阳动力厂的技术改造项目，是厂内家属区2004年供暖工程，厂内称其为暖人心福利工程。同时可与其它两台锅炉并网发电，为工厂其它车间提供电能。为了保证职工的正常供暖，必需选用高可靠的控制系统，先进的控制技术，所以企业选用了西门子的PCS 7系统，也就是西门子的DCS。AS站采用西门子公司的CPU 414-4H。安钢动力厂是安阳钢铁公司的心脏和命脉，担负着全公司生产、生活所需水、电、气（汽）的生产供应工作。下设 8 个车间，共 89组分布在安钢的各个区域，具有点多、面广、工种多、技术性强、管理难度大等特点。动力厂生产有三大系列12种产品：1、电（100KV电、33KV电、6KV电）；2、水（地表水、地下水、除盐水、净水、软水）；3、气（混合煤气、蒸汽、压缩空气、净气）。 安钢动力厂有八个生产车间：热力一车间、热力二车间、电气车间、供水车间、空水车间、燃气车间、机修车间、计控车间。1958 年安钢建厂之初就成立了动力筹建组。 1959 年 2月成立了动力部，设有一、二泵站，一、二配电室，锅炉房，软水站等生产岗位。1962年精简下岗下放时，动力部与汽车队合并，成立了水电汽车队，1963年同汽车队分开改为水电队，归机械动力室领导。由于动力系统生产车间和设备逐年增加以及业务范围的扩大， 1970 年又恢复了动力部建制。1978 年经济体制改革时，改为动力分厂， 1985 年改为动力厂。 随着安钢生产规模的不断扩大，动力厂又新上了 220KV 变电站、氧 110KV 变电站、高炉区循环泵站、75t/h 锅炉、汽轮发电机等多个站所，这些站所技术含量较高，很多都是采用国内或国际上的先进技术，这对保证动力产品的生产供应奠定了物质基础。目前动力厂已具备年供电125000 万KWh；混合煤气 65000 万m3；工业水 9400 万m3;软水 226 万吨；压缩空气 21500 万/m3；蒸汽 73 万吨的能力。软件层不再依赖具体的硬件设备层，大大简化了控制系统的开发。
2．本项目为35T/h燃气蒸汽锅炉，系统由四部分组成：燃烧系统、蒸汽产生系统、过热蒸汽系统、除氧给水系统。最终的产品为过热蒸汽。控制系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分。硬件包括控制站（AS）和工程师站或操作员站（ES/OS）。AS站由CPU 414-4H、ET200M、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、现场总线ProfiBus、网络部件ESM、以太网ITP电缆、PCI通讯以太网卡CP1613和两台DELL戴尔计算机。软件部分由两套西门子PCS 7 V6.01包括：PO250/RC 8K 和PO/250/RT 8K以及Win 2000Professional 英文操作系统。
3．现场控制设备如下图1所示：
图2为系统CPU控制柜，图3为整个系统控制柜和ES/OS站。
二、 系统介绍.
1) 锅炉计算机控制系统的目的是产生用户供暖的过热蒸汽或向蒸汽母管提供蒸汽以便供汽轮机发电，整个系统工艺流程是，水通过除氧器加热，除去水中的氧之后，由给水泵和给水阀给锅炉汽包供水。混合煤气在炉膛内与空气进行燃烧，汽包内的水通过水冷壁管在炉膛内循环，水冷壁管内的水通过吸收炉膛内燃烧产生的热量产生汽水混合物，汽水混合物通过汽包的汽水分离系统产生饱和蒸汽，饱和蒸汽通过锅炉燃烧后烟道内余热的二级减温过热气产生过热蒸汽，供给用户。一般把锅炉整个工艺过程分成以下4个系统：给水系统、燃烧系统、蒸汽发生系统、减温减压系统。后面详细介绍各个系统的控制目标和西门子PCS 7控制系统如何实现。
2) 在本控制系统使用的西门子PCS 7系统的产品包括以下产品如表格：
系统所控对象：除氧器的液位、除氧器的温度、除氧给水泵、给水调节阀；锅炉混合煤气流量、空气流量（送风机机的频率）、炉膛负压（引风机的频率）、烟气含氧量、汽包液位、汽包压力、主蒸汽压力和过热蒸汽温度调节等控制。
三、控制系统构成.
1） 整个系统由控制站（AS）：包括硬件冗余的CPU414-4H中心处理单元和5个ET200M从站，采用PROFIBUS-DP现场总线主从结构，通讯速率为1.5Mb/s构成。CPU414-4硬件冗余技术为西门子专利产品，采用容错技术，使两个CPU在工作时实时互相交换数据，当一个CPU做主（MASTER）进行工作时，另一个CPU处于热备冗余状态，一旦主CPU出现故障，热备CPU立即自动运行，处于主CPU进行工作，保证系统在CPU出现故障，系统完全不会出现停机，避免给用户造成巨大损失。PROFIBUS-DP为国际标准的现场总线，它的特点是通讯速率快，最高可到12Mb/s，连接方便，可用西门子公司的专用PROFIBUS电缆通过接IM153口模块进行连接，而且可以完全采用S7-300系列的模块，降低系统硬件的成本。采用这种结构还有利于系统的扩充，PROFIBUS-DP主从系统最多可以形成126个从站。工程师站或操作员站（ES/OS）和AS站之间采用西门子工业以太网交换机（ESM）采用西门子工业以太网和环形以太网冗余技术构成。ESM自动地检测双绞线端口处的传输速率（10或100Mb/s）以全双工工作。ESM还可以通过一条电气线路构成一个环，利用ESM上的冗余管理器，连续监视网络功能。ESM检测环路中的传输线路或ESM的故障，并在最大0.3秒内启动备用线路。保证AS和ES/OS之间的正常通讯。
2） 系统硬件配置图如图4所示；系统网络配置图如图5所示。
系统结构总图如图6所示：
OS站的监控画面如图7、8所示
图7、8分别为安阳动力厂监控系统的总体画面和锅炉启停操作画面。PCS 7 V6.01 版过程控制系统，该系统必须运行在英文操作系统，为了操作人员操作方便，我们对系统的画面进行了汉化处理，使用户操作起来十分方便，可以满足不同知识水平操作人员的操作。
3）采用西门子PCS 7系统，在硬件上不但保证系统的可靠和稳定，同时为用户在以后的系统扩充上也提供了很大的便利。用户在中心主CPU不更改的情况下，可在从站系统上进行系统进行充分的扩充，保证了用户的有效的投资。在软件上采用PCS 7提供的CFC和SFC以及SCL编程工具，对系统的控制对象极易实现。在ES/OS站由于上位监控软件采用的是西门子公司的WinCC V6.0 SP1,该软件提供了丰富的图库，在制作流程图画面时十分容易，而且采用图形树管理技术，画面布置比较方便。安阳动力厂1#锅炉采用航天院自己生产的国产DCS控制系统，该系统稳定性能比较差，I/O卡件经常出现问题，我们在现场调试过程中，厂家还到现场为用户进行系统维护和升级。与西门子PCS 7 系统的性能相比简直相差甚远。
四、控制系统完成的功能.
1） 除氧器液位和温度的控制。为了锅炉正常运行，保证锅炉汽包的正常水位，同时保证供给锅炉汽包优质的水，必须将工业用水在除氧器中除氧，所谓除氧就是将除氧器中的水的温度控制在103～105℃，以及除氧器的液位控制在1.25米，控制精度在±0.5米内。除氧器的温度通过调节蒸汽调节阀进行控制。它和除氧器的液位为相互耦合系统，当蒸汽调节阀动作时，供给除氧器的蒸汽流量发生变化，蒸汽流量加大，除氧器的温度升高，相反液位下降。当水位调节阀加大时，反过来又影响温度下降。在调节的同时又要保证除氧器内的压力不要过大，否则除氧器压力开关阀自动跳闸，除氧器中的水往外溢出。西门子PCS 7提供了连续PID调节功能块FB61,如图9
该功能块是西门子公司为过程自动化提供的典型连续PID块，用户使用它可以构成各种复杂的过程控制系统，如串级、解耦等。在调试过程中只要根据不同对象的动态特性，调节比例、积分、微分常数即可。除氧器的温度和液位在本系统中采用单回路，配合两个回路相应的参数即可完全达到用户提出的控制系统精度。
2） 汽包液位控制。锅炉控制系统中关键问题是汽包水位控制，该系统汽包水位正常是始终应在0位，控制精度用户要求在±5mm。本系统采用两种控制方式，单冲量和三冲量。单冲量实际也就是单回路控制，它直接控制给水调节阀，采用PI调节器。当水位上升时，减小给水调节阀的开度。这种控制方式一般在锅炉负荷比较小，控制精度不高的情况下使用。采用三冲量控制可以时系统达到很高的精度，它将汽包的液位作主回路，把锅炉产生的蒸汽流量乘以相应的系数和主回路的输出作副回路的设定值，给水流量作水位调节的副回路，构成三冲量调节。采用两个PCS 7 标准功能块FB61可十分容易地实现控制功能，而且控制精度完全满足用户系统的要求。汽包的水位在将调节器参数整定合适的基础上可以稳定在±4mm范围之内。
3） 温度压力显示功能。PCS 7标准功能块提供了模拟量、数字量驱动模块以及监视显示模块，显示摸块可在ES/OS站在OS编译时自动生成块图标，同时在ES/OS站修改报警值以及是否抑制相应的报警。
4） 引风机、送风机的控制。为了混合煤气在炉膛内充分燃烧，必须对煤气和空气进行合理的控制，本系统采用高级预测控制系统，利用西门子WinCC.OPC技术。PCS 7 上位监控系统提供了OPC服务器接口，很容易和其他高级编程软件进行连接。使用PCS 7标准库中的联锁功能块，实现锅炉在启动和停机时正常运行以及炉膛熄火时的联锁功能。
5） 该项目的控制难点是除氧器温度和液位之间的协调控制、汽包水位控制、以及燃烧系统的控制。本人在分析了除氧器温度和水位对象动态特性的基础上，首先保证除氧器液位的稳定，将控制器的比例参数大些，把水位调节精度要高，把除氧器的温度调节略粗一些，使其在103～106℃范围内，一般设定值给到104℃。汽包水位控制采用三冲量，分析水位的动态特性，给出合适的控制器的三个参数即可精确的控制汽包水位。燃烧系统采用专家预测系统，这里不做详细叙述。
五、 结束语、
该项目于2004年10月份到安阳动力厂进行现场调试，通过烤炉、烘炉、煮炉等阶段的调试，设备于11月初开始正式点火运行，控制系统运行平稳，各项控制指标均达到用户要求的范围之内。特别是除氧器液位和温度控制，在该厂其它锅炉控制系统一直由操作工进行手动控制，本系统完全由系统自动控制，使用户非常满意。汽包水位控制稳定，系统联琐功能可靠，在冶金行业锅炉控制系统中有很好的推广和应用。该系统由动力厂供应科、计控车间、热力二车间于12月23日正式验收，验收人员一致认为系统达到设计要求，完全满足系统的工艺技术指标。用户对我公司控制技术给了高度认可，而且对西门子PCS 7控制系统给于很高的评价。
六、 应用体会、
1） 西门子PCS 7系统体现了全集成自动化的思想，以及横向集成、纵向集成、系统灵活和可扩展、面向未来等强大功能。硬件组态、网络组态以及程序设计十分方便和简单。特别是PCS7标准库中的技术块在编译时可在OS站自动生成块图标，如PID块图标，借助其在线趋势曲线调节PID参数很直观。由于AS站使用CPU 414-4H硬件冗余系统，在线调试程序和修改程序，部分编译和下装完全可以不影响系统运行，修改程序十分灵活。同时PCS 7标准库提供了丰富各种各样的功能块，用户可在CFC图形编辑器任意组合，产生用户需要的控制程序。但在调试当中也遇到了一些问题。由于AS站CPU使用的型号是6ES7 414-4HJ00-0AB0，RAM集成的存储器只有384KB用于数据、384KB用于程序。存储空间比较小，又由于PCS 7标准库中的驱动块占用很大的程序存储空间。当CPU运行时CPU内存空间超过90%时，在线修改程序将有可能引起系统停机，为了避免该现象的发生在编程时一定要注意用户的程序所占的CPU RAM空间的大小，或在系统选型时要有充分的考虑。
2） 本人曾经使用过日本欧姆龙PLC系统，C200H，C1000等，采用中心机架和扩展机架方式，编程方式使用梯形图和语句表编程，程序运行方式采用OB1循环运行，与西门子公司的结构化编程缺少很大的灵活性，西门子的结构化编程可以把控制系统根据工艺要求划分成不同的各个功能单元，然后编程许多功能或功能块的形式。程序读起来和调试时比较方便，调试时可以采用分别调用某一功能块，如要用欧姆龙系统必须插入BE指令。另外西门子系统的网络功能十分强大，整个系统可以包括现场总线FROFIBUS-DP、车间级总线PROFIBUS-FMS、厂级总线工业以太网和厂级管理总线标准以太网。同时西门子公司的产品的现场抗干扰能力较强。
参考文献
1、 Simatic S7-400可编程控制器
2、 Siemens PCS 7使用手册
3、 Siemens 工业通讯及现场设备
4、 Siemens WinCC操作手册
作者简介：
张喜东，男，高级工程师，1989年毕业于沈阳工业学院计算机及应用专业，一直从事工厂自动化和过程自动化工作，涉及的行业包括冶金、化工、电力、物流输送、水处理等。对自动化不但有很深的理论基础知识而且有丰富的现场调试经验。现服务于中科院自动化所北京三博中自科技有限公司，地址：中关村东路95号，邮编：100080
姚永钢，男，助理工程师，从事仪器仪表专业。现服务于河南安阳钢铁集团股份有限公司，邮编：455004
王莉，女，工程师，从事仪器仪表专业。现服务于河南安阳钢铁集团股份有限公司，邮编：455004
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