趙立新

【摘要】本文介紹了PCS7的概念及特點，采用PCS7設計的焦化控制系統(tǒng)包括AS控制站、工程師站和操作員站三部分，選用工業(yè)以太網與現(xiàn)場總線技術結合，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制，與其它過程站的通迅，數(shù)據(jù)的存貯、歸檔、顯示。印度JSW鋼廠應用PCS7系統(tǒng)實現(xiàn)了整個焦化廠的全集成自動化控制，有效地滿足了焦化生產的可靠性和連續(xù)性。整個焦化控制系統(tǒng)投入使用后性能穩(wěn)定可靠、操作方便、自動化程度高，焦炭質量和穩(wěn)定率都得到大幅度提高，降低了煤耗和能耗，提高了生產效率，達到了預期效果。

【關鍵詞】PCS7，全集成自動化，焦化，控制系統(tǒng)

一、PCS7概述

SIMATIC PCS7是一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，是以邏輯方式將以TELEPERM系列集散系統(tǒng)和S5、S7系列PLC為基礎的系統(tǒng)所獲得的經驗集中起來并進一步發(fā)展而成的[2]。它結合最先進的電子制造技術、網絡通信技術、圖形圖像處理技術、現(xiàn)場總線技術、計算機技術和先進自動化控制理論，是為適應各種不同工業(yè)領域的所有控制任務而專門設計的。它結合了傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點，將兩者的功能有機的結合在一起。它的主要特點有：

◆ 良好的用戶界面及強大的系統(tǒng)功能塊庫，能大大節(jié)省系統(tǒng)編程組態(tài)的時間和費用;

◆ 系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺， 所有軟件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下， 具有同樣統(tǒng)一的軟件平臺;

◆ 系統(tǒng)大量采用了新技術， 在網絡配置上使用標準的工業(yè)以太網和 PROFIBUS 網絡;

◆ 通過冗余的 10 Mbps 光纖環(huán)網（工業(yè)以太網）相連接，分別將信號傳送至中央控制室， 全廠主要設備的開、停和故障信號都將在過程控制系統(tǒng)和中央控制室顯示;

◆ 采用 SIEMENS 高速以太網光纖通信模塊 OSM， 大大加強了網絡抗電磁干擾的能力， 省去了采用普通雙絞線連網所必須考慮的防雷擊及過電壓保護的措施， 使得控制系統(tǒng)安全可靠， 風險系數(shù)大大降低;

◆ 自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站采用帶有帶電熱插拔特性的 SIMATIC ET200M 分布式輸入/輸出控制站，允許控制站中的信號模塊在系統(tǒng)運行的情況下插拔， 而無需停止系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性;

◆ 系統(tǒng)所有的分布式遠程I/O分站和低壓保護裝置、高壓保護裝置、執(zhí)行機構、變頻器、現(xiàn)場控制器等通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與系統(tǒng)控制器進行通信，最高通信速率可達12Mbps。

由于PCS7消除了DCS和PLC系統(tǒng)間的界限，真正實現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點，使得系統(tǒng)應用范圍變廣，是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型過程控制系統(tǒng)。

二、控制系統(tǒng)設計

1、系統(tǒng)設計要求

為確保生產過程安全穩(wěn)定地運行，提高控制與管理水平，發(fā)揮各裝置的最大經濟效益，提高勞動生產率，對各工段（裝置）的儀表參數(shù)采用過程控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。

在焦爐、煤氣凈化車間分別設置集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)），工藝操作所需要的各種生產過程參數(shù)均引至集散控制系統(tǒng)，按功能要求分別進行指示、調節(jié)、報警、聯(lián)鎖、積算等監(jiān)控。各DCS系統(tǒng)間需進行通訊，能夠互相訪問。備煤、篩儲焦、水處理系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制。

由于煉焦和化產生產工藝和生產操作比較復雜，儀表控制系統(tǒng)硬件總體配置采用DCS控制系統(tǒng)（部分用小型控制系統(tǒng)）和現(xiàn)場測控儀表相結合的方式較為合適。

DCS控制系統(tǒng)應具有冗余的操作站、網絡、控制級CPU、電源及通訊模件，具有較好的開放性、安全性及自診斷功能，能與上位機進行通訊。

2、系統(tǒng)總體設計

印度JSW焦化系統(tǒng)中一共包含5套DCS系統(tǒng)，3套PLC系統(tǒng)。其中5套DCS系統(tǒng)分別是1#焦爐本體系統(tǒng)、2#焦爐本體系統(tǒng)、鼓冷系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)和生化水系統(tǒng)，3套PLC系統(tǒng)分別為備煤系統(tǒng)、篩儲焦系統(tǒng)和煤氣柜系統(tǒng)。

對于DCS系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有控制站、工程師站和操作員站三部分組成。每個控制站中都包含一個冗余的AS主站，以及數(shù)目不等的ET200M遠程站，遠程站中也采用冗余的IM153-2配置。操作員站和工程師站都采用研華工控機并配有CP1613網卡，操作員站利用冗余連接AS控制站的兩個CP443-1卡，實現(xiàn)實時控制。工程師站利用冗余連接對AS控制站組態(tài)和調試，實時控制時也可當操作員站。對于PLC系統(tǒng)，沒有單獨的操作員站，工程師站也當操作員站。

本焦化系統(tǒng)中一共包含8個控制站，8個工程師站，7個操作員站。其中控制站下一共帶31個ET200M遠程站。

3、網絡通訊

工業(yè)光纖以太網：采用雙環(huán)網，具有網絡冗余功能負責監(jiān)控工作站與各現(xiàn)場控制站PLC控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。采用西門子公司的X204交換機實現(xiàn)網絡冗余設置。通訊速率： 100Mbps。另外每個環(huán)網內配置一個OSM交換機。通過集成的冗余管理器可以實現(xiàn)快速介質冗余。

現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)通訊網：負責DCS控制器主站與從站及DCS與遠程分布式I/O之間的數(shù)據(jù)通訊，選用了Profibus-DP通訊方式，其優(yōu)點是適合實時性要求高、多個從站設備位置分散、快速周期性數(shù)據(jù)交換等場合。通訊速率：不小于10Mbps。

4、硬件配置

印度JSW焦化控制系統(tǒng)硬件采用德國西門子的PCS7系統(tǒng)，其中5套DCS系統(tǒng)均為冗余控制系統(tǒng)，支持熱插拔。當主CPU由于故障停機時，從CPU無條件的切換成主CPU，對生產不會造成任何影響，而3套PLC系統(tǒng)為非冗余控制系統(tǒng)。對于DCS控制系統(tǒng)，其中煤氣凈化系統(tǒng)采用AS 417-4-2HCPU組件包，其它四套DCS控制系統(tǒng)采用AS 414-4-2HCPU組件包，通訊都采用CP443-1模塊。對于PLC控制系統(tǒng)，備煤和篩儲焦系統(tǒng)都采用CPU414，通信模塊為CP443-1，而煤氣柜系統(tǒng)采用CPU315，通信模塊為CP343-1，電源與CPU配套使用。所有I/O通信模件為ET200M，輸入輸出模塊均采用S7-300系列模塊完成數(shù)據(jù)采集及設備控制。

另外，在煤氣凈化系統(tǒng)（冗余DCS系統(tǒng)）中配置了一個Y-Link，在煤氣柜系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）中配置了CP342-5模塊，通過這兩個模塊實現(xiàn)冗余系統(tǒng)和非冗余系統(tǒng)之間的通訊。

三、控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

1、系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)采用西門子PCS7V7.0英文版軟件對系統(tǒng)進行組態(tài)和編程。各工程師站和操作員站工控機均預先安裝Windows XP Professional SP2英文版系統(tǒng)。為了保證工程師站對操作員站的下載，需要工程師站和操作員站有一個公共用戶，同時工程師站需要以該公共用戶登陸，操作員站則可以以任何用戶登陸。

系統(tǒng)中共包含多個DCS系統(tǒng)，所以設計該項目為多項目，每個系統(tǒng)為一個單項目并有一個AS站和一個OS站。OS站中含有ES和OS，OS采用以ES為參考的方式。即Wincc Application Ref的方式。同時要求該項目含有主數(shù)據(jù)庫，這樣可以避免多人同時工作時自定義庫的混亂。

PCS7中主要有兩種視圖環(huán)境，分別為組件視圖，工廠視圖。一般在組件視圖中進行項目框架的總體搭建及硬件和網絡的配置，程序的編譯下載都在組件視圖中進行。工廠視圖主要是進行項目的內部結構設計以及詳細編程。

2、系統(tǒng)軟件編程

應用程序采用PCS7特有的功能強大的CFC塊進行程序的編制。PCS7中自帶的功能塊幾乎可以實現(xiàn)所有的控制功能。所以本程序中只有少量電機控制采用了自己編制的功能塊，其他都采用PCS7標準庫中的功能塊。采用PCS7自帶的功能塊進行程序編制時，程序編譯后，變量會自動上傳到上位機監(jiān)視程序中，并且會根據(jù)所用的功能塊自動生成圖標，變量會自動連接，節(jié)省了大量上位機編程的時間。

本項目根據(jù)實際需要，上位機監(jiān)控程序沒有直接使用PCS7自帶的圖標，而是自己定義了圖標。模擬量的控制面板采用了系統(tǒng)自帶的FacePlate，而電機的控制面板根據(jù)控制要求采用自定義的控制面板。

3、監(jiān)控畫面設計

本系統(tǒng)中畫面組態(tài)采用PCS7中自帶的Wincc實現(xiàn)。在應用程序編制的過程中畫面上的變量已經自動產生并連接好，報警也在CFC塊編制時一并編制，組態(tài)畫面時只需要把總體畫面按照實際布局情況畫好即可。

四、結論

整個焦化控制系統(tǒng)投入使用后性能穩(wěn)定可靠、操作方便、自動化程度高、焦炭質量穩(wěn)定率都得到大幅度提高，降低了煤耗和能耗，提高了生產效率，達到了預期效果。通過焦化項目設計、實施，進一步加深了對西門子SIMATIC 自動化產品的了解。全集成自動化（TIA）為現(xiàn)代化企業(yè)的生產和管理提供的方便;現(xiàn)場總線技術的應用節(jié)約了大量的現(xiàn)場信號電纜，帶來的方便的同時也提高了項目的經濟效益;西門子全集成自動化控制系統(tǒng)PCS7具有過程控制系統(tǒng)的所有特性和功能，過程控制簡單而安全、方便信息網絡和現(xiàn)場總線及儀表的集成，設計模塊化，系統(tǒng)的擴展性強，是焦化生產過程中理想的集成運行平臺。

參考文獻：

[1]潘立慧，魏松波.煉焦新技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2]Siemens A&D.PCS7深入淺出[M].Siemens Ltd.，China A&D AS-Beijing，2008.

[3]鄭宇.西門子DCS系統(tǒng)在大型焦爐中的應用[J].科技情報開發(fā)與經濟，2009，7：102-103.

[4]SIEMENS.SIMATIC S7-400 可編程序控制器系統(tǒng)手冊[Z].西門子ST 70， 2007.