西門子PCS 7 V6.0SP1在鍋爐控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】 本文敘述西門子PCS7系統(tǒng)在鍋爐供暖和發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，文中闡述了PCS7系統(tǒng)控制的硬件配置、軟件的編程方法、系統(tǒng)對象的控制理論、控制站AS和操作站ES/OS的變量連接、系統(tǒng)畫面的監(jiān)視和操作。系統(tǒng)采用了西門子PCS 7 CPU熱備技術(shù)以及環(huán)形型工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)。充分滿足了安陽動(dòng)力廠在供暖以及廠內(nèi)發(fā)電所需的蒸汽?？刂葡冗M(jìn)，控制參數(shù)精確，操作簡單，在同行業(yè)控制領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用和推廣價(jià)值。 【關(guān)鍵詞】 冗余；PCS7；環(huán)形型工業(yè)以太網(wǎng)；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、 項(xiàng)目簡介. 1． 該項(xiàng)目位于河南省安陽市，為安陽動(dòng)力廠的技術(shù)改造項(xiàng)目，是廠內(nèi)家屬區(qū)2004年供暖工程，廠內(nèi)稱其為暖人心福利工程。同時(shí)可與其它兩臺鍋爐并網(wǎng)發(fā)電，為工廠其它車間提供電能。為了保證職工的正常供暖，必需選用高可靠的控制系統(tǒng)，先進(jìn)的控制技術(shù)，所以企業(yè)選用了西門子的PCS 7系統(tǒng)，也就是西門子的DCS。AS站采用西門子公司的CPU 414-4H。安鋼動(dòng)力廠是安陽鋼鐵公司的心臟和命脈，擔(dān)負(fù)著全公司生產(chǎn)、生活所需水、電、氣（汽）的生產(chǎn)供應(yīng)工作。下設(shè) 8 個(gè)車間，共 89組分布在安鋼的各個(gè)區(qū)域，具有點(diǎn)多、面廣、工種多、技術(shù)性強(qiáng)、管理難度大等特點(diǎn)。動(dòng)力廠生產(chǎn)有三大系列12種產(chǎn)品：1、電（100KV電、33KV電、6KV電）；2、水（地表水、地下水、除鹽水、凈水、軟水）；3、氣（混合煤氣、蒸汽、壓縮空氣、凈氣）。 安鋼動(dòng)力廠有八個(gè)生產(chǎn)車間：熱力一車間、熱力二車間、電氣車間、供水車間、空水車間、燃?xì)廛囬g、機(jī)修車間、計(jì)控車間。1958 年安鋼建廠之初就成立了動(dòng)力籌建組。 1959 年 2月成立了動(dòng)力部，設(shè)有一、二泵站，一、二配電室，鍋爐房，軟水站等生產(chǎn)崗位。1962年精簡下崗下放時(shí)，動(dòng)力部與汽車隊(duì)合并，成立了水電汽車隊(duì)，1963年同汽車隊(duì)分開改為水電隊(duì)，歸機(jī)械動(dòng)力室領(lǐng)導(dǎo)。由于動(dòng)力系統(tǒng)生產(chǎn)車間和設(shè)備逐年增加以及業(yè)務(wù)范圍的擴(kuò)大， 1970 年又恢復(fù)了動(dòng)力部建制。1978 年經(jīng)濟(jì)體制改革時(shí)，改為動(dòng)力分廠， 1985 年改為動(dòng)力廠。 隨著安鋼生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，動(dòng)力廠又新上了 220KV 變電站、氧 110KV 變電站、高爐區(qū)循環(huán)泵站、75t/h 鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)等多個(gè)站所，這些站所技術(shù)含量較高，很多都是采用國內(nèi)或國際上的先進(jìn)技術(shù)，這對保證動(dòng)力產(chǎn)品的生產(chǎn)供應(yīng)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前動(dòng)力廠已具備年供電125000 萬KWh；混合煤氣 65000 萬m3；工業(yè)水 9400 萬m3;軟水 226 萬噸；壓縮空氣 21500 萬/m3；蒸汽 73 萬噸的能力。軟件層不再依賴具體的硬件設(shè)備層，大大簡化了控制系統(tǒng)的開發(fā)。 2．本項(xiàng)目為35T/h燃?xì)庹羝仩t，系統(tǒng)由四部分組成：燃燒系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、過熱蒸汽系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)。最終的產(chǎn)品為過熱蒸汽?？刂葡到y(tǒng)由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件包括控制站（AS）和工程師站或操作員站（ES/OS）。AS站由CPU 414-4H、ET200M、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、現(xiàn)場總線ProfiBus、網(wǎng)絡(luò)部件ESM、以太網(wǎng)ITP電纜、PCI通訊以太網(wǎng)卡CP1613和兩臺DELL戴爾計(jì)算機(jī)。軟件部分由兩套西門子PCS 7 V6.01包括：PO250/RC 8K 和PO/250/RT 8K以及Win 2000Professional 英文操作系統(tǒng)。 3．現(xiàn)場控制設(shè)備如下圖1所示：

圖2為系統(tǒng)CPU控制柜，圖3為整個(gè)系統(tǒng)控制柜和ES/OS站。 二、 系統(tǒng)介紹. 1) 鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生用戶供暖的過熱蒸汽或向蒸汽母管提供蒸汽以便供汽輪機(jī)發(fā)電，整個(gè)系統(tǒng)工藝流程是，水通過除氧器加熱，除去水中的氧之后，由給水泵和給水閥給鍋爐汽包供水?；旌厦簹庠跔t膛內(nèi)與空氣進(jìn)行燃燒，汽包內(nèi)的水通過水冷壁管在爐膛內(nèi)循環(huán)，水冷壁管內(nèi)的水通過吸收爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量產(chǎn)生汽水混合物，汽水混合物通過汽包的汽水分離系統(tǒng)產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽通過鍋爐燃燒后煙道內(nèi)余熱的二級減溫過熱氣產(chǎn)生過熱蒸汽，供給用戶。一般把鍋爐整個(gè)工藝過程分成以下4個(gè)系統(tǒng)：給水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)。后面詳細(xì)介紹各個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)和西門子PCS 7控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)。 2) 在本控制系統(tǒng)使用的西門子PCS 7系統(tǒng)的產(chǎn)品包括以下產(chǎn)品如表格：

系統(tǒng)所控對象：除氧器的液位、除氧器的溫度、除氧給水泵、給水調(diào)節(jié)閥；鍋爐混合煤氣流量、空氣流量（送風(fēng)機(jī)機(jī)的頻率）、爐膛負(fù)壓（引風(fēng)機(jī)的頻率）、煙氣含氧量、汽包液位、汽包壓力、主蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)等控制。 三、控制系統(tǒng)構(gòu)成. 1） 整個(gè)系統(tǒng)由控制站（AS）：包括硬件冗余的CPU414-4H中心處理單元和5個(gè)ET200M從站，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線主從結(jié)構(gòu)，通訊速率為1.5Mb/s構(gòu)成。CPU414-4硬件冗余技術(shù)為西門子專利產(chǎn)品，采用容錯(cuò)技術(shù)，使兩個(gè)CPU在工作時(shí)實(shí)時(shí)互相交換數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)CPU做主（MASTER）進(jìn)行工作時(shí)，另一個(gè)CPU處于熱備冗余狀態(tài)，一旦主CPU出現(xiàn)故障，熱備CPU立即自動(dòng)運(yùn)行，處于主CPU進(jìn)行工作，保證系統(tǒng)在CPU出現(xiàn)故障，系統(tǒng)完全不會出現(xiàn)停機(jī)，避免給用戶造成巨大損失。PROFIBUS-DP為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，它的特點(diǎn)是通訊速率快，最高可到12Mb/s，連接方便，可用西門子公司的專用PROFIBUS電纜通過接IM153口模塊進(jìn)行連接，而且可以完全采用S7-300系列的模塊，降低系統(tǒng)硬件的成本。采用這種結(jié)構(gòu)還有利于系統(tǒng)的擴(kuò)充，PROFIBUS-DP主從系統(tǒng)最多可以形成126個(gè)從站。工程師站或操作員站（ES/OS）和AS站之間采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（ESM）采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)和環(huán)形以太網(wǎng)冗余技術(shù)構(gòu)成。ESM自動(dòng)地檢測雙絞線端口處的傳輸速率（10或100Mb/s）以全雙工工作。ESM還可以通過一條電氣線路構(gòu)成一個(gè)環(huán)，利用ESM上的冗余管理器，連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)功能。ESM檢測環(huán)路中的傳輸線路或ESM的故障，并在最大0.3秒內(nèi)啟動(dòng)備用線路。保證AS和ES/OS之間的正常通訊。 2） 系統(tǒng)硬件配置圖如圖4所示；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖5所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖6所示：

OS站的監(jiān)控畫面如圖7、8所示

圖7、8分別為安陽動(dòng)力廠監(jiān)控系統(tǒng)的總體畫面和鍋爐啟停操作畫面。PCS 7 V6.01 版過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須運(yùn)行在英文操作系統(tǒng)，為了操作人員操作方便，我們對系統(tǒng)的畫面進(jìn)行了漢化處理，使用戶操作起來十分方便，可以滿足不同知識水平操作人員的操作。 3）采用西門子PCS 7系統(tǒng)，在硬件上不但保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，同時(shí)為用戶在以后的系統(tǒng)擴(kuò)充上也提供了很大的便利。用戶在中心主CPU不更改的情況下，可在從站系統(tǒng)上進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)行充分的擴(kuò)充，保證了用戶的有效的投資。在軟件上采用PCS 7提供的CFC和SFC以及SCL編程工具，對系統(tǒng)的控制對象極易實(shí)現(xiàn)。在ES/OS站由于上位監(jiān)控軟件采用的是西門子公司的WinCC V6.0 SP1,該軟件提供了豐富的圖庫，在制作流程圖畫面時(shí)十分容易，而且采用圖形樹管理技術(shù)，畫面布置比較方便。安陽動(dòng)力廠1#鍋爐采用航天院自己生產(chǎn)的國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性能比較差，I/O卡件經(jīng)常出現(xiàn)問題，我們在現(xiàn)場調(diào)試過程中，廠家還到現(xiàn)場為用戶進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和升級。與西門子PCS 7 系統(tǒng)的性能相比簡直相差甚遠(yuǎn)。 四、控制系統(tǒng)完成的功能. 1） 除氧器液位和溫度的控制。為了鍋爐正常運(yùn)行，保證鍋爐汽包的正常水位，同時(shí)保證供給鍋爐汽包優(yōu)質(zhì)的水，必須將工業(yè)用水在除氧器中除氧，所謂除氧就是將除氧器中的水的溫度控制在103～105℃，以及除氧器的液位控制在1.25米，控制精度在?0.5米內(nèi)。除氧器的溫度通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。它和除氧器的液位為相互耦合系統(tǒng)，當(dāng)蒸汽調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，供給除氧器的蒸汽流量發(fā)生變化，蒸汽流量加大，除氧器的溫度升高，相反液位下降。當(dāng)水位調(diào)節(jié)閥加大時(shí)，反過來又影響溫度下降。在調(diào)節(jié)的同時(shí)又要保證除氧器內(nèi)的壓力不要過大，否則除氧器壓力開關(guān)閥自動(dòng)跳閘，除氧器中的水往外溢出。西門子PCS 7提供了連續(xù)PID調(diào)節(jié)功能塊FB61,如圖9

該功能塊是西門子公司為過程自動(dòng)化提供的典型連續(xù)PID塊，用戶使用它可以構(gòu)成各種復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，如串級、解耦等。在調(diào)試過程中只要根據(jù)不同對象的動(dòng)態(tài)特性，調(diào)節(jié)比例、積分