摘要： 本文通過對SIEMENS S7過程控制系統(tǒng)的結構和功能特點的介紹，并結合它在水泥生產(chǎn)控制中的應用，將其中的系統(tǒng)配置及控制功能做了詳細的描述分析。這對于今后SIMATIC S7過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)在水泥應用具有一定的參考價值。
關鍵詞：水泥廠 Profibus現(xiàn)場總線 過程控制站 組態(tài)
1 前言：
巴基斯坦LUCKY水泥廠C線建設工程是合肥水泥研究設計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)線工程項目中的一個，也是巴基斯坦水泥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重點項目。該項工程由巴基斯坦LUCKY集團投資興建。整個工程從2003年開始分步實施，由合肥水泥研究設計院提供從設計、供貨到生產(chǎn)調試達產(chǎn)達標的一攬子服務。全部工程預計2006年6月竣工，屆時將使得巴基斯坦LUCKY集團的水泥熟料生產(chǎn)能力達到日產(chǎn)17000噸，并將使得LUCKY集團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過程控制系統(tǒng)，本文將以C線項目為重點，從技術角度介紹SIEMENS S7過程控制系統(tǒng)在巴基斯坦LUCKY水泥廠的成功應用。
2 控制系統(tǒng)配置：
根據(jù)水泥生產(chǎn)的工藝要求及現(xiàn)場情況，我們采用 SIEMENS公司最先進的 SIMATIC S7 過程控制系統(tǒng)作為全廠的自動化系統(tǒng)硬件平臺。整個系統(tǒng)由4個S7-400過程控制站，5個S7-300過程控制子站，6個操作員站和1個工程師站組成。全廠控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡采用Profibus網(wǎng)絡，設生料、窯尾、窯頭和水泥磨4個Profibus DP主站，以及生料立磨、原煤立磨、熟料庫下料閥和兩個輥壓機共5個Profibus DP從站，從站是分布于全廠的各個大型設備自帶的S7-300 PLC專用控制柜，整個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖1所示。各從站與主站之間通過專用的屏蔽雙絞線連接, 利用西門子公司Profibus現(xiàn)場總線中的DP技術進行數(shù)據(jù)通訊，并把現(xiàn)場將要采集的各傳感器的控制信號就近接入Profibus DP主從站,這樣不但可以最大限度的減少現(xiàn)場接線工作,而且因為走線距離短,可以減少信號衰減和各種干擾對信號的影響。
作為控制系統(tǒng)的主要組成部分的操作員站和工程師站，它們在物理上也掛接到Profibus網(wǎng)絡上,但它們與作為網(wǎng)絡主站的過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)場控制站、窯尾現(xiàn)場控制站與中控室操作員站及工程師站之間的距離比較遠,為保證通訊速率及可靠性,我們在它們之間增加了兩個中繼器以確保設計傳輸速率達1.5M。另在各操作員站和工程師站之間設100M以太網(wǎng)進行通訊，采用工業(yè)標準的TCP/IP通訊協(xié)議及接口，通過交換機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過程控制站
S7-400過程控制站是SIMATIC S7 過程控制系統(tǒng)的基本部件，主機選用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0.1ms/k，單臺主機的模擬量處理能力可達2048點；使用國際標準的現(xiàn)場總線技術，支持遠程I/O站的應用。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S7-400過程控制站分布在生料磨、窯尾、窯頭和水泥磨控制室內，接受來自現(xiàn)場的各種測量溫度、壓力、流量、閥位等過程變量傳感器的4～20mA的模擬量以及馬達開關量信號，所有過程站及Profibus DP從站的過程控制信息由Profibus網(wǎng)送往中控室，在中控室實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的模擬控制和邏輯控制。
1）模擬控制，主要是指用來控制各種不同的連續(xù)和非連續(xù)生產(chǎn)過程，通過過程控制站從現(xiàn)場獲取模擬、數(shù)字等輸入信號，按照給定的算式和控制順序來完成各種計算和控制，并向現(xiàn)場提供模擬和數(shù)字輸出信號，同時也可以人為地輸入控制策略來監(jiān)視或改變過程操作。
2）邏輯控制，包括接點、鎖存器、順序器、計時器和計數(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備的啟動和停機；②向工作站提供所有數(shù)字量信息，使其顯示出所有設備的運行狀態(tài)；③提供設備故障分析及報警。分布在全廠的4個S7-400過程控制站分別完成4個馬達控制中心（MCC）的設備開停機和聯(lián)鎖順序控制。4個MCC分別控制以下區(qū)域：①生料配料庫、生料磨及生料均化庫頂；②生料均化庫底、窯尾預熱器及廢氣處理系統(tǒng)；③回轉窯、冷卻機及熟料庫；○4水泥配料、水泥磨及水泥庫。
3．2操作員站及工程師站
設在中控室的操作員站及工程師站用來監(jiān)視和操作整個生產(chǎn)過程，為控制系統(tǒng)提供通訊、顯示及報表管理等功能，控制系統(tǒng)中所有的點都可以在工作站上進行顯示和控制。作為控制系統(tǒng)的核心，我們選用7臺P4 2.6GHz主頻、256M內存、80G硬盤以及52倍速光盤驅動器的 DELL計算機并配以21"DELL高性能的液晶顯示器作為6個操作員站和1個工程師站，在計算機上除運行Windows 2000操作系統(tǒng)外，還運行西門子公司的Windows Control Center組態(tài)軟件作為人機界面。
l）操作員站的主要功能是：①生產(chǎn)總貌顯示；②動態(tài)控制流程圖；③動態(tài)趨勢圖；④設備起停及控制回路操作、參數(shù)修改；⑤動態(tài)畫面彩色拷貝；⑥實時報警及打??；⑦報表、歷史數(shù)據(jù)記錄、顯示和打印；○8系統(tǒng)通訊自診斷及報告。它通過計算機屏幕將組態(tài)的信息以文本、畫面、報警等多種形式呈現(xiàn)給管理人員。操作員可通過鍵盤和鼠標器作為輸入端完成生產(chǎn)線的控制，進行各種組態(tài)以及控制參數(shù)的設定、畫面的調用、設備的啟動和停機；
2）根據(jù)生產(chǎn)維護的實際需要，整個系統(tǒng)配置一臺工程師工作站（兼作操作員站）并配置系統(tǒng)組態(tài)及調試診斷軟件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)過程，而且還可以在線、離線組態(tài)以及調試。通過工程師站完成：①對整個系統(tǒng)進行組態(tài)、調試、診斷；②實時監(jiān)視系統(tǒng)運行；③在線修改程序；④現(xiàn)場診斷及維護。
4 控制系統(tǒng)的軟件編程及組態(tài)設計： SIMATIC S7 過程控制系統(tǒng)作為SIEMENS公司最先進的自動化系統(tǒng)硬件平臺，與其他控制系統(tǒng)相比較，它具有控制功能強大、系統(tǒng)配置靈活、分散控制, 集中監(jiān)視等主要特點和優(yōu)勢。我們在實際的使用過程中為了實現(xiàn)對生產(chǎn)及設備進行更好的管理，充分利用它的這些特點功能對其軟件進行了二次組態(tài)開發(fā)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
1）在歷史數(shù)據(jù)歸檔及查詢組態(tài)設計中，我們運用WinCC的數(shù)據(jù)歸檔功能將與生產(chǎn)有關的參數(shù)的值做為期半年的存檔，并通過連續(xù)曲線圖的形式，表現(xiàn)于歷史查詢畫面中。為了便于查詢，我們還在每個畫面中均設計有一個或幾個曲線圖窗口,窗口包括過程值的數(shù)值坐標,時間坐標，在當前時間坐標內的變化曲線，并有趨勢圖設置菜單條，包括模板調整、時間范圍設定、局部放大等功能。這樣用戶可以隨時查閱過去半年與生產(chǎn)有關的參數(shù)的值及其變化曲線。
2）在系統(tǒng)故障報警的組態(tài)設計中，我們按照生產(chǎn)工藝過程和要求、故障的主次程度，把報警共分為三個等級,把與生產(chǎn)關系最緊密的設備故障或最重要的過程值超過設定值被列為一級報警。二級、三級報警依次類推。對于一級報警，系統(tǒng)除在報警畫面中作出相應提示外，還以警鈴與警燈提醒用戶報警的嚴重性。如果發(fā)生第二級報警，系統(tǒng)除在報警畫面中作出相應提示外，還以警燈提醒用戶這是次一級的報警。對于第三級報警，系統(tǒng)只在報警畫面中作出相應提示。 在除報警畫面以外的所有畫面中的上部均有一個報警條，隨時刷新出現(xiàn)的報警，報警條中包含報警級別，報警時間,報警設備等信息。操作人員在發(fā)現(xiàn)有報警出現(xiàn)后即可對報警設備作出及時的處理。為了便于操作人員區(qū)分觀察，我們把報警條的顯示分為三種型式： ①報警出現(xiàn)：此時報警條的顏色為紅色.；②報警消失：此時報警條的顏色為綠色； ③報警確認：此時報警條的顏色為黃色。
3）在生產(chǎn)報表的組態(tài)設計中，我們利用WinCC組態(tài)軟件內置的報表功能，采用可組態(tài)的自由格式報表工具，生成各種用戶化的報表，對實時和歷史數(shù)據(jù)執(zhí)行運算和統(tǒng)計。按照生產(chǎn)管理的實際需要，我們設計的主要報表包括：生料及水泥配料配比及總量班報表（平均值/h）；主機設備的轉速和電流值班報表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的產(chǎn)（耗）量/h及重要工藝參數(shù)值班報表（平均值/h）；4磨1窯產(chǎn)量、運轉時間、臺時產(chǎn)量、運轉率，以及耗煤量的日、月、年報表。此外系統(tǒng)所配置的2臺彩色打印機能夠將生產(chǎn)過程控制的瞬時數(shù)據(jù)按照順序打印出來,也可將某一過程值在某一時間段內的變化曲線打印出來，隨時提供各種報表和報警的永久記錄；
4）在系統(tǒng)下位機的程序設計過程中，我們通過對全廠不同設備的控制方式進行分類，利用SIMATIC STEP 7 所自帶的編程工具，編制了普通低壓電機控制功能塊、高壓電機控制功能塊、正反轉電機控制功能塊、電動推桿電機控制功能塊以及電動執(zhí)行器控制功能塊等不同的標準FB塊或FC塊（如圖2所示）存放于SIMATIC STEP 7軟件的標準功能塊數(shù)據(jù)庫中。這樣，我們在編程時就可以根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝設備的控制要求，調用相應的控制功能塊，然后在控制功能塊上再對應的填上相應的控制條件和控制輸出標簽，即可以完成對該設備的控制編程。通過這種編程方法的使用，我們把對工藝設備的控制編程過程，由原來復雜繁瑣的邏輯計算，變成了像完型填空一樣簡單；把對全廠的不同的工藝設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)的時間，而且使得全廠的控制程序結構變得非常簡單易讀、一目了然，真正實現(xiàn)了結構化、模塊化的程序設計。
5）在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的建立過程中，由于SIMATIC S7 過程控制系統(tǒng)在上位機運行的WINCC組態(tài)軟件和下位機運行的STEP 7軟件不能共用同一個數(shù)據(jù)庫，這就需要建立兩個數(shù)據(jù)庫再進行數(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)庫中的通訊數(shù)據(jù)標簽數(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)傳輸方式來傳輸開關量（最多32個）數(shù)<
