摘要： 本文通過(guò)對(duì)SIEMENS S7過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的介紹，并結(jié)合它在水泥生產(chǎn)控制中的應(yīng)用，將其中的系統(tǒng)配置及控制功能做了詳細(xì)的描述分析。這對(duì)于今后SIMATIC S7過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)在水泥應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：水泥廠 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線 過(guò)程控制站 組態(tài)
1 前言：
巴基斯坦LUCKY水泥廠C線建設(shè)工程是合肥水泥研究設(shè)計(jì)院在巴基斯坦一次性承建的四條日產(chǎn)3000噸水泥熟料生產(chǎn)線工程項(xiàng)目中的一個(gè)，也是巴基斯坦水泥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)工程由巴基斯坦LUCKY集團(tuán)投資興建。整個(gè)工程從2003年開(kāi)始分步實(shí)施，由合肥水泥研究設(shè)計(jì)院提供從設(shè)計(jì)、供貨到生產(chǎn)調(diào)試達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的一攬子服務(wù)。全部工程預(yù)計(jì)2006年6月竣工，屆時(shí)將使得巴基斯坦LUCKY集團(tuán)的水泥熟料生產(chǎn)能力達(dá)到日產(chǎn)17000噸，并將使得LUCKY集團(tuán)成為巴基斯坦水泥制造業(yè)的龍頭。該工程的四條水泥熟料生產(chǎn)線全部采用SIEMENS S7過(guò)程控制系統(tǒng)，本文將以C線項(xiàng)目為重點(diǎn)，從技術(shù)角度介紹SIEMENS S7過(guò)程控制系統(tǒng)在巴基斯坦LUCKY水泥廠的成功應(yīng)用。
2 控制系統(tǒng)配置：
根據(jù)水泥生產(chǎn)的工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)情況，我們采用 SIEMENS公司最先進(jìn)的 SIMATIC S7 過(guò)程控制系統(tǒng)作為全廠的自動(dòng)化系統(tǒng)硬件平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)由4個(gè)S7-400過(guò)程控制站，5個(gè)S7-300過(guò)程控制子站，6個(gè)操作員站和1個(gè)工程師站組成。全廠控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用Profibus網(wǎng)絡(luò)，設(shè)生料、窯尾、窯頭和水泥磨4個(gè)Profibus DP主站，以及生料立磨、原煤立磨、熟料庫(kù)下料閥和兩個(gè)輥壓機(jī)共5個(gè)Profibus DP從站，從站是分布于全廠的各個(gè)大型設(shè)備自帶的S7-300 PLC專用控制柜，整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各從站與主站之間通過(guò)專用的屏蔽雙絞線連接, 利用西門子公司Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線中的DP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并把現(xiàn)場(chǎng)將要采集的各傳感器的控制信號(hào)就近接入Profibus DP主從站,這樣不但可以最大限度的減少現(xiàn)場(chǎng)接線工作,而且因?yàn)樽呔€距離短,可以減少信號(hào)衰減和各種干擾對(duì)信號(hào)的影響。
作為控制系統(tǒng)的主要組成部分的操作員站和工程師站，它們?cè)谖锢砩弦矑旖拥絇rofibus網(wǎng)絡(luò)上,但它們與作為網(wǎng)絡(luò)主站的過(guò)程控制站之間的通訊不再是DP協(xié)議,而是S7協(xié)議。其中由于水泥磨現(xiàn)場(chǎng)控制站、窯尾現(xiàn)場(chǎng)控制站與中控室操作員站及工程師站之間的距離比較遠(yuǎn),為保證通訊速率及可靠性,我們?cè)谒鼈冎g增加了兩個(gè)中繼器以確保設(shè)計(jì)傳輸速率達(dá)1.5M。另在各操作員站和工程師站之間設(shè)100M以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議及接口，通過(guò)交換機(jī)可提供與全廠管理系統(tǒng)的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的安全通訊。
3 控制系統(tǒng)描述： 3．1過(guò)程控制站
S7-400過(guò)程控制站是SIMATIC S7 過(guò)程控制系統(tǒng)的基本部件，主機(jī)選用CPU412，集成高速的邏輯控制，綜合的順序控制和精確的連續(xù)控制，處理速率高達(dá)0.1ms/k，單臺(tái)主機(jī)的模擬量處理能力可達(dá)2048點(diǎn)；使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，支持遠(yuǎn)程I/O站的應(yīng)用。它完成的主要控制功能是：順序控制、模擬控制、邏輯控制、I/O監(jiān)視。全廠4個(gè)S7-400過(guò)程控制站分布在生料磨、窯尾、窯頭和水泥磨控制室內(nèi)，接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)量溫度、壓力、流量、閥位等過(guò)程變量傳感器的4～20mA的模擬量以及馬達(dá)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，所有過(guò)程站及Profibus DP從站的過(guò)程控制信息由Profibus網(wǎng)送往中控室，在中控室實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模擬控制和邏輯控制。
1）模擬控制，主要是指用來(lái)控制各種不同的連續(xù)和非連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)過(guò)程控制站從現(xiàn)場(chǎng)獲取模擬、數(shù)字等輸入信號(hào)，按照給定的算式和控制順序來(lái)完成各種計(jì)算和控制，并向現(xiàn)場(chǎng)提供模擬和數(shù)字輸出信號(hào)，同時(shí)也可以人為地輸入控制策略來(lái)監(jiān)視或改變過(guò)程操作。
2）邏輯控制，包括接點(diǎn)、鎖存器、順序器、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器等元件。邏輯控制主要完成的功能為：①按一定順序分組控制設(shè)備的啟動(dòng)和停機(jī)；②向工作站提供所有數(shù)字量信息，使其顯示出所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；③提供設(shè)備故障分析及報(bào)警。分布在全廠的4個(gè)S7-400過(guò)程控制站分別完成4個(gè)馬達(dá)控制中心（MCC）的設(shè)備開(kāi)停機(jī)和聯(lián)鎖順序控制。4個(gè)MCC分別控制以下區(qū)域：①生料配料庫(kù)、生料磨及生料均化庫(kù)頂；②生料均化庫(kù)底、窯尾預(yù)熱器及廢氣處理系統(tǒng)；③回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)及熟料庫(kù)；○4水泥配料、水泥磨及水泥庫(kù)。
3．2操作員站及工程師站
設(shè)在中控室的操作員站及工程師站用來(lái)監(jiān)視和操作整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，為控制系統(tǒng)提供通訊、顯示及報(bào)表管理等功能，控制系統(tǒng)中所有的點(diǎn)都可以在工作站上進(jìn)行顯示和控制。作為控制系統(tǒng)的核心，我們選用7臺(tái)P4 2.6GHz主頻、256M內(nèi)存、80G硬盤(pán)以及52倍速光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的 DELL計(jì)算機(jī)并配以21"DELL高性能的液晶顯示器作為6個(gè)操作員站和1個(gè)工程師站，在計(jì)算機(jī)上除運(yùn)行Windows 2000操作系統(tǒng)外，還運(yùn)行西門子公司的Windows Control Center組態(tài)軟件作為人機(jī)界面。
l）操作員站的主要功能是：①生產(chǎn)總貌顯示；②動(dòng)態(tài)控制流程圖；③動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖；④設(shè)備起停及控制回路操作、參數(shù)修改；⑤動(dòng)態(tài)畫(huà)面彩色拷貝；⑥實(shí)時(shí)報(bào)警及打??；⑦報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)記錄、顯示和打??；○8系統(tǒng)通訊自診斷及報(bào)告。它通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕將組態(tài)的信息以文本、畫(huà)面、報(bào)警等多種形式呈現(xiàn)給管理人員。操作員可通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)器作為輸入端完成生產(chǎn)線的控制，進(jìn)行各種組態(tài)以及控制參數(shù)的設(shè)定、畫(huà)面的調(diào)用、設(shè)備的啟動(dòng)和停機(jī)；
2）根據(jù)生產(chǎn)維護(hù)的實(shí)際需要，整個(gè)系統(tǒng)配置一臺(tái)工程師工作站（兼作操作員站）并配置系統(tǒng)組態(tài)及調(diào)試診斷軟件WinCC和STEP 7。它不但可以與其他6套操作員站互為備用，在線全程監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，而且還可以在線、離線組態(tài)以及調(diào)試。通過(guò)工程師站完成：①對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、調(diào)試、診斷；②實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行；③在線修改程序；④現(xiàn)場(chǎng)診斷及維護(hù)。
4 控制系統(tǒng)的軟件編程及組態(tài)設(shè)計(jì)： SIMATIC S7 過(guò)程控制系統(tǒng)作為SIEMENS公司最先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)硬件平臺(tái)，與其他控制系統(tǒng)相比較，它具有控制功能強(qiáng)大、系統(tǒng)配置靈活、分散控制, 集中監(jiān)視等主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。我們?cè)趯?shí)際的使用過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備進(jìn)行更好的管理，充分利用它的這些特點(diǎn)功能對(duì)其軟件進(jìn)行了二次組態(tài)開(kāi)發(fā)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1）在歷史數(shù)據(jù)歸檔及查詢組態(tài)設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用WinCC的數(shù)據(jù)歸檔功能將與生產(chǎn)有關(guān)的參數(shù)的值做為期半年的存檔，并通過(guò)連續(xù)曲線圖的形式，表現(xiàn)于歷史查詢畫(huà)面中。為了便于查詢，我們還在每個(gè)畫(huà)面中均設(shè)計(jì)有一個(gè)或幾個(gè)曲線圖窗口,窗口包括過(guò)程值的數(shù)值坐標(biāo),時(shí)間坐標(biāo)，在當(dāng)前時(shí)間坐標(biāo)內(nèi)的變化曲線，并有趨勢(shì)圖設(shè)置菜單條，包括模板調(diào)整、時(shí)間范圍設(shè)定、局部放大等功能。這樣用戶可以隨時(shí)查閱過(guò)去半年與生產(chǎn)有關(guān)的參數(shù)的值及其變化曲線。
2）在系統(tǒng)故障報(bào)警的組態(tài)設(shè)計(jì)中，我們按照生產(chǎn)工藝過(guò)程和要求、故障的主次程度，把報(bào)警共分為三個(gè)等級(jí),把與生產(chǎn)關(guān)系最緊密的設(shè)備故障或最重要的過(guò)程值超過(guò)設(shè)定值被列為一級(jí)報(bào)警。二級(jí)、三級(jí)報(bào)警依次類推。對(duì)于一級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)除在報(bào)警畫(huà)面中作出相應(yīng)提示外，還以警鈴與警燈提醒用戶報(bào)警的嚴(yán)重性。如果發(fā)生第二級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)除在報(bào)警畫(huà)面中作出相應(yīng)提示外，還以警燈提醒用戶這是次一級(jí)的報(bào)警。對(duì)于第三級(jí)報(bào)警，系統(tǒng)只在報(bào)警畫(huà)面中作出相應(yīng)提示。 在除報(bào)警畫(huà)面以外的所有畫(huà)面中的上部均有一個(gè)報(bào)警條，隨時(shí)刷新出現(xiàn)的報(bào)警，報(bào)警條中包含報(bào)警級(jí)別，報(bào)警時(shí)間,報(bào)警設(shè)備等信息。操作人員在發(fā)現(xiàn)有報(bào)警出現(xiàn)后即可對(duì)報(bào)警設(shè)備作出及時(shí)的處理。為了便于操作人員區(qū)分觀察，我們把報(bào)警條的顯示分為三種型式： ①報(bào)警出現(xiàn)：此時(shí)報(bào)警條的顏色為紅色.；②報(bào)警消失：此時(shí)報(bào)警條的顏色為綠色； ③報(bào)警確認(rèn)：此時(shí)報(bào)警條的顏色為黃色。
3）在生產(chǎn)報(bào)表的組態(tài)設(shè)計(jì)中，我們利用WinCC組態(tài)軟件內(nèi)置的報(bào)表功能，采用可組態(tài)的自由格式報(bào)表工具，生成各種用戶化的報(bào)表，對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)。按照生產(chǎn)管理的實(shí)際需要，我們?cè)O(shè)計(jì)的主要報(bào)表包括：生料及水泥配料配比及總量班報(bào)表（平均值/h）；主機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速和電流值班報(bào)表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的產(chǎn)（耗）量/h及重要工藝參數(shù)值班報(bào)表（平均值/h）；4磨1窯產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)率，以及耗煤量的日、月、年報(bào)表。此外系統(tǒng)所配置的2臺(tái)彩色打印機(jī)能夠?qū)⑸a(chǎn)過(guò)程控制的瞬時(shí)數(shù)據(jù)按照順序打印出來(lái),也可將某一過(guò)程值在某一時(shí)間段內(nèi)的變化曲線打印出來(lái)，隨時(shí)提供各種報(bào)表和報(bào)警的永久記錄；
4）在系統(tǒng)下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)對(duì)全廠不同設(shè)備的控制方式進(jìn)行分類，利用SIMATIC STEP 7 所自帶的編程工具，編制了普通低壓電機(jī)控制功能塊、高壓電機(jī)控制功能塊、正反轉(zhuǎn)電機(jī)控制功能塊、電動(dòng)推桿電機(jī)控制功能塊以及電動(dòng)執(zhí)行器控制功能塊等不同的標(biāo)準(zhǔn)FB塊或FC塊（如圖2所示）存放于SIMATIC STEP 7軟件的標(biāo)準(zhǔn)功能塊數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，我們?cè)诰幊虝r(shí)就可以根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝設(shè)備的控制要求，調(diào)用相應(yīng)的控制功能塊，然后在控制功能塊上再對(duì)應(yīng)的填上相應(yīng)的控制條件和控制輸出標(biāo)簽，即可以完成對(duì)該設(shè)備的控制編程。通過(guò)這種編程方法的使用，我們把對(duì)工藝設(shè)備的控制編程過(guò)程，由原來(lái)復(fù)雜繁瑣的邏輯計(jì)算，變成了像完型填空一樣簡(jiǎn)單；把對(duì)全廠的不同的工藝設(shè)備的連鎖控制編程變得像搭積木、串糖葫蘆一樣容易。這樣不但能大大節(jié)省系統(tǒng)編程組態(tài)的時(shí)間，而且使得全廠的控制程序結(jié)構(gòu)變得非常簡(jiǎn)單易讀、一目了然，真正實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)。
5）在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的建立過(guò)程中，由于SIMATIC S7 過(guò)程控制系統(tǒng)在上位機(jī)運(yùn)行的WINCC組態(tài)軟件和下位機(jī)運(yùn)行的STEP 7軟件不能共用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這就需要建立兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)再進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，使得編程的工作量加大。為了盡可能的減少編程的工作量即減少數(shù)據(jù)庫(kù)中的通訊數(shù)據(jù)標(biāo)簽數(shù)量而又不減少系統(tǒng)的通訊信息量，我們就以模擬量的數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)傳輸開(kāi)關(guān)量（最多32個(gè)）數(shù)<
