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1、項目背景
吉安生化乾安酒精有限責任公司是以糧食深加工為主的吉林省重點民營企業(yè)。公司占地面積13萬平方米，資產(chǎn)總額3.5億元，年產(chǎn)值10億元，擁有當今世界最先進的優(yōu)級酒精生產(chǎn)線，年加工轉(zhuǎn)化玉米 155 萬噸，年產(chǎn)酒精 18 萬噸，DDGS蛋白飼料6萬噸，玉米胚芽3萬噸，玉米粉6萬噸。同時擁有兩條無水酒精生產(chǎn)線和兩條乙酸乙酯生產(chǎn)線，是目前國內(nèi)三大酒精生產(chǎn)企業(yè)之一。由于玉米深加工需要足夠的蒸汽來滿足生產(chǎn)要求，其公司現(xiàn)在擁有 4 臺老式 40T/H 鏈條鍋爐和一個 75T/H 循環(huán)流化床鍋爐的自備電廠，但產(chǎn)氣量仍不能滿足生產(chǎn)繼續(xù)擴大的要求。出于保證生產(chǎn)的目的，其新建一座 75T/H 循環(huán)流化床鍋爐的自備電廠。
由于先期電廠采用的國產(chǎn)控制系統(tǒng)存在諸多使用中的問題，其新電廠采用西門子412-3H 冗余控制器作為鍋爐系統(tǒng)和汽機系統(tǒng)的控制控制系統(tǒng)，保證整個電廠的順利生產(chǎn)。

2、系統(tǒng)綜述
對于自備電廠來說，控制系統(tǒng)的主要控制對象是鍋爐和汽輪機。而汽輪機方面有很多輔助儀表進行相應(yīng)的監(jiān)控，包括故障判斷。所以控制系統(tǒng)不需要對汽輪機進行很詳細的監(jiān)控，只是向操作人員提供汽輪機當前的運行參數(shù)和在故障或出現(xiàn)連鎖安全保護的時候采取必要安全措施。控制系統(tǒng)的主要控制對象還是鍋爐的控
制。

在此電廠中采用循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐由于其相對于傳統(tǒng)鍋爐的突出優(yōu)點（低污染排放、燃料適應(yīng)性廣、效率高），特別適合我國能源短缺和燃煤帶來嚴重大氣污染的實際國情，成為自備電廠的主力爐型。其控制的要點主要就是鍋爐送風排風控制和汽包水液位控制。

3、系統(tǒng)構(gòu)成
電廠控制系統(tǒng)采用412-3HCPU下掛ET200MIO 子站的模式。412-3H是西門子最新款的冗余CPU，是現(xiàn)有低端 CPU 的補充。提高了現(xiàn)有CPU的處理速度、工作存儲器，并增加一些新功能。其Work Memory達到了768KB，基本相當于老版414H的性能，完全勝任自備電廠的控制要求。本系統(tǒng)有接近300點的AI 及RTD、熱電阻信號，包括其他AO、DI、DO 信號一共配置為6個ET200M機架。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。使用412H控制器保證了控制器的冗余。使用冗余接口的ET200M 接口模塊保證了CPU與 IO 模塊之間通訊連路的冗余。
ET200M 從站使用了有源底板，通過編寫相應(yīng)程序，可實現(xiàn)在運行期間對IO 模塊進行熱插拔更換。在AS與ES、OS的通訊上，使用兩臺Scanlace系列的新型208交換機，構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)，保證了 AS 與OS之間通訊的冗余。同時在電源部分采用了雙路市電進路兩個UPS，UPS在輸出端進行并機作為單一的 220V交流母線向控制系統(tǒng)供電。每個柜內(nèi)采用2臺西門子SITOP直流電源，在負載端并聯(lián)，作為冗余的直流電源母線對IO 模塊及現(xiàn)場變送器供電，這樣保證了控制系統(tǒng)電源部分的可靠性。綜上，通過保證CPU、通訊、電源部分的冗余，保
證了整個系統(tǒng)的運行可靠性。再加上西門子H系統(tǒng)高可靠性和可在線修改的特性，在保證IO 余量的前提下，系統(tǒng)可保證完全的在線運行，從而保證了生產(chǎn)。

4、軟件部分的處理
由于電廠點數(shù)比較多，同時用于輔助控制的中間變量也比較多，所以項目在程序結(jié)構(gòu)上就采用了單個項目包含AS站，PC STATION的模式，在編程上采取模塊化的方式，對相似的控制編制相應(yīng)的FB驅(qū)動塊，設(shè)置其輸入輸出的S7_m_c屬性，從而簡化了OS項目中變量的創(chuàng)建，同時也大大節(jié)省了花費在重復(fù)程序上的時間。下面就逐一介紹在本項目軟件編寫中采用的一些處理手法。
A．模擬量量化部分的改進
對于電廠控制程序，使用最多的應(yīng)該就是模擬量的量化報警部分了。單純使用西門子FC105Scale量化模塊功能單一，不適合大點數(shù)場合的使用，借鑒PCS7種AI 驅(qū)動塊的思想，編寫了用于常規(guī)的PLC程序的驅(qū)動塊FB108，其輸入輸出引腳舉例如下所示：
CALL "AI_Driver(DB)" , "TE_101_4_DB"
HLimit :=
LLimit :=
HHAlarm :=
HAlarm :=
LAlarm :=
LLAlarm :=
DeadBand :=
Compen :=
Adr :="TE_101_4"
AI_Type :=TRUE
Rack :=2
Slot :=4
HHAlarm_ON :=
HAlarm_ON :=
LAlarm_ON :=
LLAlarm_ON :=
BIP :=
HH :=
H :=
L :=
LL :=
Channel_Err :=
Result :=
FB的輸入包括：HLimit 和LLimit 是變送器量程的上下限，HHAlarm,HAlarm,LAlarm,LLAlarm 分別是報警的高高限，高限，低限和低低限，DeadBand 是報警死區(qū)，Compen 是量化熟知的補償端。Adr 是AI 通道的地址，而AI_Type表明了這個通道所采用的量化手法，如果為0表明AI 通道內(nèi)的數(shù)據(jù)是常規(guī)的電流或電壓信號，F(xiàn)B內(nèi)部調(diào)用 FC105 進行量化處理。如果為 True則通道數(shù)據(jù)為熱電阻或熱電偶信號，F(xiàn)B內(nèi)部就自動對數(shù)據(jù)做除 10的處理。
HHAlarm_ON，HAlarm_ON，LAlarm_ON，LLAlarm_ON 分別是報警的使能信號，當其為True時，相應(yīng)的報警才作處理。輸出信號包含四個報警的輸出端，一個通道故障信號Channel_Err 和通道的最終量化結(jié)果信號Result。當報警使能且量化值在報警范圍內(nèi)的時候，相應(yīng)的報警輸出端輸出1信號，以供程序和操作員端使用。在使用中會出現(xiàn)變送器開路、短路或模塊被拔出的情況，如果不加處理，程序會送出錯誤的量化值，可能會造成控制程序的誤動作，鑒于此，在程序中編寫OB83和 OB86 的中斷程序以及FB125Profibus 總線的診斷程序，將當前的系統(tǒng)IO 模塊狀況按照特定格式放入一個指定的DB10，F(xiàn)B108根據(jù)輸入端模塊的位置（Slot，Rack）數(shù)據(jù)從DB10 中讀取相應(yīng)的模塊信息。如果模塊故障或被拔出，程序?qū)⒉晦D(zhuǎn)換通道數(shù)值，保持最后一次的正常值并將通道故障位置位，提示操作員相應(yīng)的變量質(zhì)量，這樣保證了數(shù)據(jù)的準確性并保證了因模塊故障而更換模塊時的數(shù)據(jù)處理。同時所有可能在 OS中WinCC項目中使用的輸入輸出接口全部添加了S7_m_c 的屬性，這樣調(diào)用FB時所產(chǎn)生的背景數(shù)據(jù)塊可以通過編譯在WinCC中直接調(diào)用，簡化了使用，值得在大點數(shù)系統(tǒng)中推廣這種方法。

B.控制功能的模塊化抽象
由于電廠控制的傳統(tǒng)習慣，很多部分的控制都是由固定模式，并且具有相似性，將其相似的部分抽出來變相類似于模擬量轉(zhuǎn)換FB之類的控制 FB可以簡化編程時的調(diào)用且方便調(diào)試。在本電廠控制程序中，將電機控制、電動門控制、執(zhí)行器控制全部編寫相應(yīng)的FB來調(diào)用控制，并且通過直接編譯背景數(shù)據(jù)塊向OS項目中傳遞變量，大大簡化了工作。
C.安全連鎖及SOE的實現(xiàn)
電廠控制中的安全連鎖主要就是當出現(xiàn)故障情況時的執(zhí)行器的一種安全保護動作，防止出現(xiàn)故障時系統(tǒng)仍然運行造成事故。通過對電廠控制設(shè)備編寫相應(yīng)的控制FB，在編寫時便預(yù)留了連鎖保護接口和連鎖模式接口，當保護接口為False時可以對設(shè)備進行正常操作，當保護接口為True時設(shè)備處于連鎖保護狀態(tài)，控制程序?qū)⒔犹娌僮鲉T控制，將設(shè)備調(diào)整至安全運行狀態(tài)。而連鎖模式結(jié)構(gòu)根據(jù)操作員的設(shè)置決定連鎖保護是否啟用，這樣就簡化了常規(guī)的連鎖程序，方便了程序編寫和調(diào)試。
對于電廠控制來說SOE是必須的記錄手段，常規(guī)的大型電廠控制系統(tǒng)在硬件中都包含相應(yīng)的SOE模塊來檢測記錄連續(xù)產(chǎn)生的故障連鎖信號，以方便時候查找故障原因。西門子的S7-300 系列IO 模塊并不包含SOE模塊。對于此電廠工程采用的硬件模式，可以通過調(diào)用標準庫中的FB62來讀取保存在 IM153中的消息來建立SOE列表的方式，但對于自備電廠來說，故障的判斷并不需要太精確，一般來說都采用標志首發(fā)故障的形式來指示故障原因。因為電廠的連鎖保護一旦開始，可能就是一個連鎖反應(yīng)，會相繼產(chǎn)生很多連鎖信號，但只有一個信號是所有連鎖信號的根源，只須指出這個信號就能大體確定故障原因。在程序上，編寫相應(yīng)得首發(fā)故障檢測程序，放在一個運行周期更短的循環(huán)中斷中運行，他不斷檢測每個控制設(shè)備的安全連鎖信號是否被置位，一旦有相應(yīng)的連鎖標志位被置位，表明它是第一個產(chǎn)生的故障，將其記錄并顯示，同時在操作員復(fù)位故障前阻斷其他故障連鎖信號的進入，從而時間對設(shè)備故障原因的指示。當然精度無法和專用的 SOE模塊相比，但對于自備電廠的故障判斷來說足以滿足它的運行要求。
D.汽包水液位控制程序 汽包水位高度是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，沖擊汽輪機葉片，引起軸封破損，葉片斷損等故障；水位過低則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中的某些薄弱環(huán)節(jié)，以至局部水冷壁管燒壞，嚴重時造成爆炸。汽包水位的優(yōu)良控制有重大意義。 具體控制中，使用標準的三沖量控制，使用2個標準的PID控制作為串級控制系統(tǒng)，將蒸汽流量作為前饋信號，與系數(shù)相乘后同反饋值相加作為串級控制器的輸入送入控制器。通過使用三沖量控制程序，實現(xiàn)擾動的快速補償，減輕“假水位”對擾動的不良影響。據(jù)經(jīng)驗內(nèi)環(huán)即給水環(huán)操作頻繁，給水需經(jīng)常跟蹤主汽流

量變化而水位環(huán)操作次數(shù)少一點，但水位信號經(jīng)常波動，要加以濾波。另外由于生產(chǎn)過程中生產(chǎn)用汽負荷的變化有時很劇烈，有時表現(xiàn)出相應(yīng)不太及時，這是需要對參數(shù)進行細微的修正保證快速跟蹤，從而安全的控制液位。

5、操作員界面
項目使用WinCC6.0 SP3 英文版作為組態(tài)軟件，通過集成在項目文件中實現(xiàn)程序變量向WinCC 項目的自動傳遞。WinCC部分實現(xiàn)了系統(tǒng)運行的圖形化接口，使操作人員能夠直觀的操作和了解當前的系統(tǒng)運行情況，同時也實現(xiàn)了報警、歷史趨勢記錄等多種功能，滿足了電廠的使用要求。另外有一臺操作員站還安裝了Web Navigator 組件，將整個HMI 操作畫面發(fā)布到廠區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)，可以方