西门子PCS7在轧钢区热电站中的应用

一、工程简介

安钢位于河南北部古都安阳，是特大型钢铁企业。安钢在“三步走”发展战略目标的实施中，对工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求。在传统的自动化解决方案中，自动化控制实际上是由各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品来搭配起来的，比如一个大型工厂经常是由过程控制系统、可编程控制器、上位监控计算机、SCADA系统和人机界面产品共同进行监视和控制，它们相互之间由于系统的不同，接口技术也是多样的，数据之间并没有统一数据库结合在一起，这就为日后构建ERP带来了极大的困难。而西门子全集成自动化控制系统PCS7具有过程控制系统的所有特性和功能，过程控制简单而安全、方便的信息网络和现场总线及仪表的集成，设计模块化，系统的扩展性强，是热电生产过程中理想的集成运行平台。在该项目中，西门子PCS7全集成自动化控制系统充分证实了这一点。西门子PCS7控制系统以其优越性因此脱颖而出。

1、工艺概述

该工程包括一座35吨的煤气炉和一台7500kW抽凝式汽轮机。

1)、35t/h燃气锅炉系统

35t/h燃气锅炉控制系统主要分为：汽水系统、燃烧系统和除氧给水系统等。

汽水系统：由电动给水泵，给水调节阀、省煤器、汽包和过热器等组成。煤气和空气按一定的比例在炉膛内燃烧，产生的热量使汽包内的水汽化，汽包中的饱和蒸汽进入过热器进一步加热成为过热蒸汽并送至蒸汽母管，进入汽轮机。

燃烧系统：煤气经过调节阀进入炉膛，鼓风机送风至空气预热器预热后，由一次风调节阀送入炉膛，燃烧过程中产生的高温烟气经过热器加热蒸汽，然后至省煤器加热锅炉汽包给水，再经过空气预热器预热锅炉送风后，最终由引风机引入烟囱，排入大气。

除氧给水系统：来自汽机的抽汽，加热给水并维持除氧器内的压力、液位恒定，从而清除溶解于水中的氧气。

2)、7500kW汽轮发电系统

700kw汽轮发电机主要包括汽水系统、润滑油系统和冷却系统等。

汽水系统：来自锅炉的过热蒸汽进入汽轮机，冲动叶轮 ，带动发电机发电。蒸汽在汽轮机内做功后，其温度、压力降低，进入凝汽器被冷却成为凝结水，再由凝结水泵送入抽气器及低压加热器加热后，一部分同再循环调节阀调节送至凝汽器保持凝汽器水位及其真空度,一部分送至除氧器。

润滑油系统：润滑油箱内的油由主油泵通过油管路进入汽轮机、发电机的各轴承进行润滑。

冷却系统：循环冷却水一路送至油冷却器冷却润滑油;另一路至凝气器，将作功后的蒸汽冷却为冷凝水;再一路作为发电机空冷器的冷却水。

3、PCS7系统的特点

PCS7 是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统，是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，结合了传统DCS和PLC控制系统的优点，将两者的功能有机的结合在一起。具有过程控制系统的所有特性和功能，过程控制简单而安全、方便信息网络和现场总线及仪表的集成，设计模块化，系统的扩展性强;

现场总线技术大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用;

SIMATIC PCS7采用符合IEC-1131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作, 缩短工程周期;

SIMATIC PCS7具有ODBC、DDE、OPC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂商的控制系统。

系统的所有硬件都基于统一的硬件平台;所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同样统一的软件平台,免除了下位与上位通迅的后顾之忧。系统大量采用了新技术，在网络配置上，使用标准工业以太网和PROFIBUS网络。由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。

4、PCS7控制系统的概述

PCS7过程控制系统是由相互可互换的操作站、强大的关系型分布式数据库支撑平台、高可靠大容量冗余的过程控制站、PROFIBUS过程现场总线技术的分散型I/O等子系统组成。系统配置如下图一所示：

操作员站及工程师站并配有支持工业以太网的CP1613硬网卡，以分担主机CPU的负荷;控制站采用了功能强大冗余414H，冗余采用事件同步技术，处理二进制指令只需0.1μs，控制站与操作员站及工程师站之间配备了工业交换机ESM，并采用环形网络，使工业以太网通讯速率可以达100M/S，同时实现网络冗余。控制站与现场I/O之间采用冗余12M/S现场总线PROFIBUS，且/O模块具有带电插拔的特点。

二、控制系统构成

1、硬件配置

该系统控制器选用1套CPU414—4H冗余控制站;现场控制分站采用冗余的ET200M分站，并具备热插拔能力;HMI由1个ES工程师站和5个OS操作员站组成;控制器与HMI采用环网互连，控制分站ET200M与主控制器通过冗余的PROFIBUS DP工业现场总线相连。

SIEMENS 公司的过程控制器 CPU414—4H 和分布式I/O ET200M 组成系统控制站。SIMATIC S7-400 具有多种突出特点，包括模块化、无风扇、坚固的设计、高扩展能力、冗余或非冗余结构、完善的通讯能力、完整的系统功能、简洁的集中或分布式I/O 连接等。模块为带电可插拔配置，通道隔离，带诊断，适合锅炉系统及汽轮发电机连续生产过程的安全运行。冗余系统虽然前期投入较高，但是投入远低于故障或停产所带来的损失。监控系统选用DELL计算机，优派19寸液晶显示器构成其工程师站/操作员站。全系统操作站、工程师站是联网、协调工作的。系统运转可靠、数据分布合理、操作速度快、人机界面友好、使用方便。标准的以太网络(IEEEEthernet 820.X)、SIEMENS SIMATIC NET 工业以太网络、PROFIBUS 过程现场总线所构成的三级网络的体系结构保证了系统数据通讯的高可靠性、无阻塞和高速度(10M~100M)。系统各操作站是全透明、全容错的，它们之间可以实现互相代替。由四个机柜构成，作为热电站的控制系统。如下图二所示。

图二：控制柜示意图

2、软件配置

西门子工控机配有基于SP2补丁的WindowsXP(英文版)正版软件，SIEMENS公司的PCS76.1亚洲版全新软件作为下位机控制和上机监控软件，不用打中文补丁就可以识别中文，比起欧洲版来说更适用。上位机采用优秀软件WinCC作为操作和监控的人机界面，除可以完成一般性监控软件可以完成的功能外，又可以通过加入各种控件和C脚本、VBS等高级编程语言完成更加复杂的监视和控制功能。利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号，所有工位的参数设定从PCS7提供的功能块中设置后，只要进行编译且进行上传后，就会在Wincc中生成相对应的block icon 及faceplate。这样,只要用WinCC画好流程画面后,将相应的block icon块放在相应的位置,就能够清晰地反应各点的参数值,方便且易学,因此在工业生产中受到青睐。

SCL是一种类PASCAL的高级语言，它采用IEC-1131的标准。利用SCL可以很方便地编制用户功能块。用SCL生成的功能块可在CFC(功能控制块)中被多次调用。用户可以把过程的数学模型和优化控制策略用SCL编成功能块，直接下载到控制器中运行。这样，可以把过程的优化控制放在控制器中，全面实现对工艺过程的优化控制。如能熟练使用连续控制、顺序控制及高级编程语言SCL就可简少组态工作时间，缩短工程周期。许多工艺控制上的难点就会迎刃而解。

三、控制系统完成的功能

PCS7 本身具有很强的扩展性。在用CFC进行编程时，除了可以使用系统本身自带的功能块，如MEAS_MON块、CH_AI块等等，还提供了手段和工具来帮助工程人员编写自己的功能块，并且这些功能块能够和系统自带的块相兼容。以往的自动调节不好控制，最主要的是其P、I、D三个参数不易确定，只有依靠经验所得，而PCS7可以根据控制系统中所涉及的变量自己动手编写一个数据采集模块，通过测量变量的值代入计算公式就可以很容易得出我们所需要的P、I、D值，经过近二个月的运行来看，自动控制系统相当稳定。

基于结构化、灵活性和开放性的设计理念，针对过程控制中一些标准的控制要求，PCS7系统预制集成了PCS7 Library功能库。使用PCS7提供的编程工具和功能库，用户可以非常方便得组态整个项目中对应得各种不同的控制算法和画面。