韶关西门子PLC总代理商

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1前言：
巴基斯坦LUCKY水泥厂C线建设工程是合肥水泥研究设计院在巴基斯坦一次性承建的四条日产3000吨水泥熟料生产线工程项目中的一个，也是巴基斯坦水泥工业发展规划的重点项目。该项工程由巴基斯坦LUCKY集团投资兴建。整个工程从2003年开始分步实施，由合肥水泥研究设计院提供从设计、供货到生产调试达产达标的一揽子服务。全部工程预计2006年6月竣工，届时将使得巴基斯坦LUCKY集团的水泥熟料生产能力达到日产17000吨，并将使得LUCKY集团成为巴基斯坦水泥制造业的。该工程的四条水泥熟料生产线全部采用SIEMENSS7过程控制系统，本文将以C线项目为重点，从技术角度介绍SIEMENSS7过程控制系统在巴基斯坦LUCKY水泥厂的成功应用。
2控制系统配置：
根据水泥生产的工艺要求及现场情况，我们采用SIEMENS公司先进的 SIMATIC S7过程控制系统作为全厂的自动化系统硬件平台。整个系统由4个S7-400过程控制站，5个S7-300过程控制子站，6个操作员站和1个工程师站组成。全厂控制系统的主干网络采用Profibus网络，设生料、窑尾、窑头和水泥磨4个ProfibusDP主站，以及生料立磨、原煤立磨、熟料库下料阀和两个辊压机共5个ProfibusDP从站，从站是分布于全厂的各个大型设备自带的S7-300PLC专用控制柜，整个控制系统的网络结构如图1所示。各从站与主站之间通过专用的屏蔽双绞线连接,利用西门子公司Profibus现场总线中的DP技术进行数据通讯，并把现场将要采集的各传感器的控制信号就近接入ProfibusDP主从站,这样不但可以大限度的减少现场接线工作,而且因为走线距离短,可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响。
　　作为控制系统的主要组成部分的操作员站和工程师站，它们在物理上也挂接到Profibus网络上,但它们与作为网络主站的过程控制站之间的通讯不再是DP协议,而是S7协议。其中由于水泥磨现场控制站、窑尾现场控制站与中控室操作员站及工程师站之间的距离比较远,为保证通讯速率及可靠性,我们在它们之间增加了两个中继器以确保设计传输速率达1.5M。另在各操作员站和工程师站之间设100M以太网进行通讯，采用工业标准的TCP/IP通讯协议及接口，通过交换机可提供与全厂管理系统的局域网或广域网的安全通讯。

3　控制系统描述：
3．1过程控制站
　　S7-400过程控制站是SIMATIC S7过程控制系统的基本部件，主机选用CPU412，集成高速的逻辑控制，综合的顺序控制和jingque的连续控制，处理速率高达0.1ms/k，单台主机的模拟量处理能力可达2048点；使用的现场总线技术，支持远程I/O站的应用。它完成的主要控制功能是：顺序控制、模拟控制、逻辑控制、I/O监视。全厂4个S7-400过程控制站分布在生料磨、窑尾、窑头和水泥磨控制室内，接受来自现场的各种测量温度、压力、流量、阀位等过程变量传感器的4～20mA的模拟量以及马达开关量信号，所有过程站及ProfibusDP从站的过程控制信息由Profibus网送往中控室，在中控室实现对生产过程的模拟控制和逻辑控制。
1）模拟控制，主要是指用来控制各种不同的连续和非连续生产过程，通过过程控制站从现场获取模拟、数字等输入信号，按照给定的算式和控制顺序来完成各种计算和控制，并向现场提供模拟和数字输出信号，同时也可以人为地输入控制策略来监视或改变过程操作。
2）逻辑控制，包括接点、锁存器、顺序器、计时器和计数器等元件。逻辑控制主要完成的功能为：①按一定顺序分组控制设备的启动和停机；②向工作站提供所有数字量信息，使其显示出所有设备的运行状态；③提供设备故障分析及报警。分布在全厂的4个S7-400过程控制站分别完成4个马达控制中心（MCC）的设备开停机和联锁顺序控制。4个MCC分别控制以下区域：①生料配料库、生料磨及生料均化库顶；②生料均化库底、窑尾预热器及废气处理系统；③回转窑、冷却机及熟料库；○4水泥配料、水泥磨及水泥库。
3．2操作员站及工程师站
　　　设在中控室的操作员站及工程师站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，控制系统中所有的点都可以在工作站上进行显示和控制。作为控制系统的核心，我们选用7台P42.6GHz主频、256M内存、80G硬盘以及52倍速光盘驱动器的DELL计算机并配以21"DELL高性能的液晶显示器作为6个操作员站和1个工程师站，在计算机上除运行bbbbbbs2000操作系统外，还运行西门子公司的bbbbbbs Control Center组态软件作为人机界面。
l）操作员站的主要功能是：①生产总貌显示；②动态控制流程图；③动态趋势图；④设备起停及控制回路操作、参数修改；⑤动态画面彩色拷贝；⑥实时报警及打印；⑦报表、历史数据记录、显示和打印；○8系统通讯自诊断及报告。它通过计算机屏幕将组态的信息以文本、画面、报警等多种形式呈现给管理人员。操作员可通过键盘和鼠标器作为输入端完成生产线的控制，进行各种组态以及控制参数的设定、画面的调用、设备的启动和停机；
2）根据生产维护的实际需要，整个系统配置一台工程师工作站（兼作操作员站）并配置系统组态及调试诊断软件WinCC和STEP7。它不但可以与其他6套操作员站互为备用，在线全程监控生产过程，而且还可以在线、离线组态以及调试。通过工程师站完成：①对整个系统进行组态、调试、诊断；②实时监视系统运行；③在线修改程序；④现场诊断及维护。
4　控制系统的软件编程及组态设计：
SIMATIC S7过程控制系统作为SIEMENS公司先进的自动化系统硬件平台，与其他控制系统相比较，它具有控制功能强大、系统配置灵活、分散控制,集中监视等主要特点和优势。我们在实际的使用过程中为了实现对生产及设备进行更好的管理，充分利用它的这些特点功能对其软件进行了二次组态开发，具体表现在以下几个方面：
1）在历史数据归档及查询组态设计中，我们运用WinCC的数据归档功能将与生产有关的参数的值做为期半年的存档，并通过连续曲线图的形式，表现于历史查询画面中。为了便于查询，我们还在每个画面中均设计有一个或几个曲线图窗口,窗口包括过程值的数值坐标,时间坐标，在当前时间坐标内的变化曲线，并有趋势图设置菜单条，包括模板调整、时间范围设定、局部放大等功能。这样用户可以随时查阅过去半年与生产有关的参数的值及其变化曲线。
2）在系统故障报警的组态设计中，我们按照生产工艺过程和要求、故障的主次程度，把报警共分为三个等级,把与生产关系紧密的设备故障或重要的过程值超过设定值被列为一级报警。二级、三级报警依次类推。对于一级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警铃与警灯提醒用户报警的严重性。如果发生第二级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警灯提醒用户这是次一级的报警。对于第三级报警，系统只在报警画面中作出相应提示。在除报警画面以外的所有画面中的上部均有一个报警条，随时刷新出现的报警，报警条中包含报警级别，报警时间,报警设备等信息。操作人员在发现有报警出现后即可对报警设备作出及时的处理。为了便于操作人员区分观察，我们把报警条的显示分为三种型式：①报警出现：此时报警条的颜色为红色.；②报警消失：此时报警条的颜色为绿色； ③报警确认：此时报警条的颜色为黄色。
3）在生产报表的组态设计中，我们利用WinCC组态软件内置的报表功能，采用可组态的自由格式报表工具，生成各种用户化的报表，对实时和历史数据执行运算和统计。按照生产管理的实际需要，我们设计的主要报表包括：生料及水泥配料配比及总量班报表（平均值/h）；主机设备的转速和电流值班报表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的产（耗）量/h及重要工艺参数值班报表（平均值/h）；4磨1窑产量、运转时间、台时产量、运转率，以及耗煤量的日、月、年报表。此外系统所配置的2台彩色打印机能够将生产过程控制的瞬时数据按照顺序打印出来,也可将某一过程值在某一时间段内的变化曲线打印出来，随时提供各种报表和报警的记录；
4）在系统下位机的程序设计过程中，我们通过对全厂不同设备的控制方式进行分类，利用SIMATICSTEP 7所自带的编程工具，编制了普通低压电机控制功能块、高压电机控制功能块、正反转电机控制功能块、电动推杆电机控制功能块以及电动执行器控制功能块等不同的标准FB块或FC块（如图2所示）存放于SIMATICSTEP7软件的标准功能块数据库中。这样，我们在编程时就可以根据不同的生产工艺设备的控制要求，调用相应的控制功能块，然后在控制功能块上再对应的填上相应的控制条件和控制输出标签，即可以完成对该设备的控制编程。通过这种编程方法的使用，我们把对工艺设备的控制编程过程，由原来复杂繁琐的逻辑计算，变成了像完型填空一样简单；把对全厂的不同的工艺设备的连锁控制编程变得像搭积木、串糖葫芦一样容易。这样不但能大大节省系统编程组态的时间，而且使得全厂的控制程序结构变得非常简单易读、一目了然，真正实现了结构化、模块化的程序设计。

5）在系统的数据库的建立过程中，由于SIMATIC S7过程控制系统在上位机运行的WINCC组态软件和下位机运行的STEP7软件不能共用同一个数据库，这就需要建立两个数据库再进行数据通讯，使得编程的工作量加大。为了尽可能的减少编程的工作量即减少数据库中的通讯数据标签数量而又不减少系统的通讯信息量，我们就以模拟量的数据传输方式来传输开关量（多32个）数据。在具体的运用过程中，我们根据需要并考虑到运算速度问题，只使用了8个布尔量为一组的方式，即把原来的8个布尔型标签所传输数据量，通过下位机运行的STEP7软件打包变成由一个字节型的标签来传送，然后再在上位机系统中通过WinCC组态软件把这些布尔量分别提取出来进行处理。这样，我们对应每台工艺设备只要建立一个字节型的数据标签就可以反映出它的8个不同的状态信息，使得数据库不但在结构上得以简洁，而且数据库容量也大大减小。
5结束语：
　　高性能、全开放、规模灵活、成本较低，是SIMATICS7过程控制系统的主要特点，它改变了传统意义上PLC的局限性,在快速简捷的顺序控制的基础上,增强了过程控制的能力,并且引入了DCS系统直观的组态方式.加之其将过程控制,顺序控制,传动系统,通讯网络集成在一个统一的平台上,使系统的开发、应用、维护成本大大降低，非常适合水泥厂熟料生产系统这种过程控制和顺序控制相结合的应用。该过程控制系统已于2005年7月完成安装调试及试运行，现已投入正常运行。随着该系统的稳定运行和不断开发完善，它在生产和管理上起着控制生产设备、保证产品质量、提高生产效率、加强科学管理和辅助科学决策的作用，对提高企业竞争能力，获取经济效益将起重要的促进作用。

　1 引言

　　除盐水站作为莱钢银山型钢公司25MW发电工程的主要设施，担负着供应三台130t锅炉和四台150t除氧器用水的重要任务。从现场除盐水生产来看，自动化监控程度低，绝大部分的水泵是人工操作控制，在新的改造项目中需要在原先生产工艺上增加多介质、活性炭过滤器以及阴阳离子置换器等高新技术生产设备，所以更加需要对整个除盐水站进行自动化控制的改造，从而可以节约能源，降低工人劳动强度，大大提高生产水平。

　　2除盐水生产工艺简介

　　除盐水改造后的生产线主要设备有6个多介质和6个活性炭过滤器，超滤装置，反渗透装置，脱碳风机，阴离子和阳离子交换器，以及生水泵3台（1台变频），高压泵6台，4台除盐水泵（1台变频），反渗透出水泵3台（1台变频）等。生产工艺图见图1：

　　3系统组成及软件设计

　　根据工艺的要求，莱钢银山型钢公司25MW发电工程除盐水站PLC控制系统采用一套西门子的SIMATIC的S7-4007-400挂ET200结构，由一个主站、三个从站和两个PC站（上位机）组成。用S7-400系列模块做主站，S7-300系列模块作从站，主站通过PROFIBUS总线电缆和接口模块与从站通讯，这样的构架既保证了PLC系统的先进性又为用户节省了成本。主站是由一个支持冗余的底板和S7-400系列电源模块、CPU模块、CP模块组成，模块支持热插拔。从站是ET200M分布式系统，是在工业现场经常使用的PROFIBUSDP现场总线上的从站，用于连接工业控制系统中的各种现场装置。


　　3.1硬件配置

　　本系统是建立在S7-400控制器、DELL的Pentium工控机平台之上的分布式系统。S7-400是模块化PLC系统，采用标准的以太网通讯，每个控制器可以控制64个回路，大的可处理131072个I/O点，其中模拟量I/O点数为168个，逻辑扫描率为1.25MB/S。S7-400与上位机采用工业以太网，通讯速率为100Mbps。系统主要硬件配置和I/O点数统计见表1和表2，系统配置结构见图2：

　　除盐水生产线自动化控制系统设计由两级网络组成，一级是过程控制级，二级是基础控制级。

　　级——过程控制。以S7-400PLC系统作为主要控制核心,由两台上位机、PLC控制单元加以太网卡等组成工业以太网，监控站利用组态软件WinCC实现对工作现场进行监督控制，中央处理器采用CPU416，I/O系统采用ET200M，通过ET200分布I/O通讯对流量、液位、pH值、出口压力等参数进行采集，上位机将实时数据库的数据送到服务器的关系数据库中，进行保存和数据处理。过程控制级通过工业以太网将上位机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，从而实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。

　　第二级——基础自动化。PROFIBUS-DP网络是网络集成的底层，主要是连接现场设备。主站S7-400PLC通过PROFIBUS-DP网与从站通信，一方面主站将控制数据电机速度设定、温度、压力设定、接触器吸合及断开等发送到传动装置；另一方面传动装置的电机转速、传感器流量、温度、压力、接触器触点的通断等数据通过通信传送到主站PLC指定的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯，是计算机网络通讯向现场级的延伸。


　　3.2软件设计

　　计算机操作系统采用bbbbbbs 2000Professional 中文版本，上位机监控软件采用Wincc 6.0组态软件来实现。

　　3.2.1操作系统软件bbbbbbs 2000Professional中文版提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控系统。

　　3.2.2 Wincc6.0监控软件实现了对整个系统的开关量、模拟量的采集和处理，并显示在监控画面上，在对多台重要水泵的控制中的物理量如电流、主回路运行、频率设定，有无故障等都实时显示在系统画面上，方便操作人员及时掌握系统的运行情况。

　　3.2.3 采用Step7对西门子可编程序控制器进行配置、编程，它可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的六种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）进行编程。


　　4系统功能实现

　　根据除盐水生产工艺，监控系统的功能主要是实现对工业新水的加药、过滤、超滤、反渗透技术、阴阳离子置换、酸碱作用等控制工序，大致可分为过滤系统、超滤系统、反渗透系统、阴阳离子置换系统、与酸或碱结合系统5个子系统，系统监控主画面及分系统画面见图3、图4、图5：

　　4.1画面显示功能:该画面通过wincc6.0软件组态编辑实现动态模拟显示整个除盐水制备的过程。利用数据链接技术使得画面上的元件实现实时动态、闪烁、变色等功能,让画面上的工艺参数以数字、棒图的形式实时显示,并对故障进行实时诊断。

　　4.2数据处理功能:对系统采集的各种类型信号,利用各种计算功能、数据变换功能等实现,模拟量信号有流量、压力、浓度及PH值,数字量信号有水泵的运行状态、故障和启/停信号.

　　4.3系统操作功能:有自动和手动两种工作方式，正常运行时采用自动方式，故障和调试时采用手动方式。它由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的jingque控制，以达到期望值。

　　4.4报表功能与历史趋势功能:生产中的一些参数，需要及时打印，可形成报表。报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可手动任意时间打印。一些重要参数，我们对其进行历史数据存储，形成历史趋势，可以随时进行查看。

　　4.5报警记录功能：实时地发出所有发生故障的参数的声光报警，提醒值班人员采取相应的措施

　　5主要生产设备的控制

　　生产设备的主要控制方式为自动/远程手动/机旁手动三种方式。

　　自动控制：自动完成水泵变频启动的所有相关过程，压力传感器将水泵出口压力信号送至PLC，作为泵出口压力单闭环控制的反馈值（给定值根据实际工况设定），通过PLC对水泵出口压力信号变换和处理。为变频器提供频率给定，实现频率的自动调整.

　　远程手动：操作人员可根据现场设备运转状况，通过监控站进行单机设备操作，实现除盐水生产的控制工序，作为联锁调试用。

　　机旁手动：作为单机检修或现场调试用。


　　5.1水泵的控制与联锁

　　因为除盐水的生产不是连续生产方式，并且其产水量经常根据锅炉系统的负荷调整进行调整，所以生产设备（水泵）的控制方式应该能够适应多种情况下的生产方式，如一用一备、两用一杯等不同工况。水泵控制程序流程图见图6：

　　以生水泵控制为例，生水泵组由三台泵及相应的出口阀门组成（其中的一个泵及阀作为备用），适合不同工况下的需要。控制方式分为机旁控制和远程控制两种。机旁控制是利用选择机旁的启动或停止按钮，通过PLC发出启动或停止信号运行或停止水泵；远程控制是操作人员在监控室根据画面上的启动或停止按钮进行点击操作，包括联动、单机、备用三种控制状态，三种状态可以任意的切换，不影响泵的运行状态。在联锁状态下，当两台工作泵中的任意一台停运时，备用泵自动启动，停运的泵则作为备用泵。当生水泵出水管压力低于5.6MPa时，进行次报警；当运行软水泵出口压力低于5.4MPa时，进行第二次报警，同时备用泵及出口电动阀自动投入；泵事故跳闸后，泵出口电动阀自动关闭，当每台泵及泵出口电动阀均不能正常运行时，进行紧急报警。各控制及联锁可解列。


　　5.2超滤装置的控制

　　超滤装置的运行主要是对5个电磁阀控制的阀门进行控制：进水阀、产水阀、反洗进水阀、正冲排水阀、反洗排水阀。这5个阀门的状态决定了超滤装置的工作状态：运行、备用、反洗。

　　运行：超滤在运行状态下，首先进行正冲操作，正冲完成后超滤装置的进口和出口电磁阀得电，进、出口阀门打开，超滤装置投入运行；

　　备用：超滤装置在备用状态下，超滤装置的进口和出口电磁阀失电，进、出口阀门关闭，超滤装置投入备用；

　　反洗：超滤反洗有两种方式，定时反洗和定压反洗。定时反洗是根据超滤运行的时间进行固定时间间隔的反洗，定压反洗是根据超滤装置的进出口压差进行反洗，当进出口压差达到一定数值则超滤装置也进行反洗。现在的超滤反洗一般采用定时反洗。


　　5.3反渗透装置的控制

　　反渗透工艺是一种在压力驱动下，借助半透膜的选择截留作用，将溶液中的溶质与溶剂分闪的分离方法。在水处理工艺运用中，将水中无机离子、细菌、病毒、有机物及胶质等杂质去除，以获得高质量的水。系统对反渗透装置的控制有三种工作状态：运行、备用、冲洗。反渗透装置有3个由电磁阀控制的阀门，反洗进口阀、产水排放阀、浓水排放自动阀。反渗透装置运行简图见图8：