西门子PCS7在新建60万吨纯碱厂中的应用

　摘要:

　　SIEMENS公司的SIMATIC PCS7作为一种优秀的全集成自动化过程控制系统，广泛地用在钢铁、化工、电站行业，本文介绍了该系统在新建60万吨纯碱厂中的应用情况和心得。

关键词:

　　全集成自动化  PCS7   SIMATIC程序管理器  PROFIBUS网络  冗余系统  CFC程序  WINCC  硬件组态

[Abstract]  

　　As a kind of excellent total integrated automatic control system, SIMATIC PCS7 of SIEMENS has been applied widely in steel, chemistry, and generate electricity callings, the paper introduces the application of this system and what we have learned.

[Keyword]  

　　T.I.A   PCS7  SIMATIC Manager  PROFIBUS network  redundancy system  CFC program  WINCC  hardware configuration

一、概述

　　新建60万吨纯碱厂总投资78000多万元，占地总面积31.76公顷。生产使用的DCS控制系统是上海西门子工业自动化有限公司(简称SIAS)的PCS7系统，电气、仪表输入输出总点数为9588点，控制点数6000点；包括备品备件后总点数近一万点。由一个中央控制室（也就是调度室）集中控制，下设9个现场控制室（也称机柜室），分级别控制调节。整套PCS7系统由8对AS400控制器、27台S7-300控制器、以及若干ET200M IO站构成，包括2对服务器、24台操作员站(OS)和2台工程师站(ES)。系统全部采用S7 400的高性能卡件，使组态，集成更为方便。

网络图:



二、纯碱工艺简介：

　　我厂生产纯碱是以食盐、石灰石为主要原料，以氨做为中间辅助材料制取纯碱的。总的化学反应方程式：CaCO3+2NaCL=Na2CO3+CaCL2
在纯碱生产线上设八个生产工段，它们作用分别为：
盐水工段：主要是利用海水化盐形成精盐水输送给蒸吸工段使用；
石灰工段：主要是煅烧石灰石生成CaO和CO2, CaO与海水生成石灰乳输送给蒸吸工段使用， CO2输送给压缩工段；
压缩工段：1、石灰工段来的窑气经过压缩作为碳化工段的中段气；
          2、煅烧来的炉气经过压缩作为碳化工段的下段气；
          3、给现场调节阀提供压缩空气；
蒸吸工段：1、形成合格的氨盐水，给碳化提供原料；
          2、蒸出氨气回收利用；
碳化工段：蒸吸工段来的氨盐水加CO2生成重碱；
煅烧工段：将碳化工段过来的重碱煅烧成为纯碱；
包装工段：将散装碱包装成为成品碱；
排渣工段：1、为各工段提供冷却水；
          2、废水废渣处理。

三、PCS7系统的主要特点

　　1、SIMATIC  PCS7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。

　　2、SIMATIC  PCS7过程控制系统的操作员站（OS）是“过程的窗口”。操作、维护以及监控人员都可以对操作员站的过程活动进行跟踪，修改批量顺序，编辑实际的过程数值，或同过程进行通信。

　　3、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。

　　4、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。PROFIBUS-DP通信协议运行于Windows NT环境，用于控制器与ET-200 扩展I/O间的实时通讯， 速度可达12M，距离可达9.6公里(电缆)或 90公里 (光缆)。两对冗余控制器和上位机之间采用冗余的PROFIBUS光纤环网进行通讯，确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作.同时由于使用光纤网络，增强了系统通讯的抗干扰能力。ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问。两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行。电源冗余功能，10A 直流电源冗余配置，用于CPU和模板供电。

　　5、所有模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。

　　6、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。
7、WINCC 图形设计器是一个向量性的绘图程序。它支持16层画面的组态，使用起来方便高效。其功能包括准确定位、排列、旋转与镜象，发送图形对象属性等，还能对对象进行成组，建立对象库以及应用BMP、WMF、EMF格式或通过OLE等引入或嵌入外部编辑图形和文本。

四、本项目系统构成：

1．硬件

　　过程状态监控管理设备为24台OS站，2对服务器，2台ES站，均采用SIEMENS公司推荐的Dell公司高性能商用计算机。配置为：PⅡ400，20Ｇ硬盘，256Ｍ内存，带８Ｍ显存的集成显卡，现场操作站用17英寸液晶显示器，中央控制室用21英寸CRT显示器。在项目实施过程中，Dell公司的商用计算机表现出了优异的性能。

　　AS站是车间控制级的主控制器，它由SIMATIC S7-400的电源模块PS、CPU模块、通讯模块组成，414或417CPU处理现场信号及由ES发出的信号，用此类CPU，运行速度快，可连接的I／O点数量大。在AS站上配置CP443-5通讯处理模块，通过此模块以PROFIBUS 方式连接AS、ES 和OS。通过CPU 上的PROFIBUS DP接口或选用接口模块以PROFIBUS DP方式连接现场设备和现场ET200M I／O站。

　　现场I／0站由若干个ET200M组成，它具有结构小、安装方便灵活、性能价格比佳的优点，ET200M内插所有模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。它的模拟量输入模块是西门子DCS的一个突出优点，一个模拟量模块几乎可以覆盖所有测量范围，包括： 电压输入、电流输入、 电阻输入、热电阻输入，所以西门子的模拟量模块又叫万能卡。

　　在输入信号类型改变时通过软件修改PLC硬件组态、转动模块上的量程卡就可以实现，这样极大地增加了输入信号的灵活性，降低了使用单位的库存费用。

　　使用中发现对某些未隔离信号如电动执行器的阀位及设定信号，为防止干扰应采用信号隔离器。另外，每个ET200M内最多插8个模块， 每个ET200M的地址不能超过输入128字节，输出128字节；若8个模块均为8点AI模块，就超过地址限制，组态时应注意，可用7个AI模块，加1个DI模块或DO模块或AO模块。

2. 网络

　　分为下层控制网、上层管理网。

　　下层控制网采用同轴屏敝电缆，适合Profibus标准，通过每个ET200M上的通讯卡与AS414、417 2DP控制器互相连接，满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯，为Profibus－DP现场通讯网。

　　上层管理网分为二类。一类为采用同轴电缆，适合Profibus标准。通过OS站、ES站和控制器上的通讯卡相连接，满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理，实现数据共享。另一类为采用光缆，符合TCP/IP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的D-LINK网卡连接，主要实现工程师和操作员站之间文件管理、拷贝。

３．软件编程

　　整个系统所需的软件均为西门子软件：WINCC V5.1（上位编程）、PCS7 V5.2+SP6（下位编程）、S7 H Systems V5.2+SP2（H硬件组态）。由于I/O点较多，控制设备缤纷复杂，所以编程时需要认真筹划，使程序结构简洁清晰。实际编程中最好先构建一个树形程序结构，并建立完善的符号表，这样可以使变量存储地址清晰不易混淆；多构建有通用功能的FC块，如模拟量处理功能块、PID功能块、泵类控制功能块等，编程时减少重复劳动，提高工作效率；重要数据的存储，可以在下位CPU中开一个足够大的共享数据块来保存，以避免数据意外丢失。还要充分利用AS400中的OB32、OB33、OB34、OB35等组织块，缩短程序循环时间，同时使程序结构清晰，一目了然。

五、PCS7系统的应用心得

　　1、我们在这次工程的程序设计中，基本上用的最多是CFC程序组态，这样也方便用户有限的技术人员尽快掌握。CFC程序组态是一种图形式的组态，方便、直观，操作简便。PCS7将许多逻辑、运算功能形成了功能块，在进行程序组态时，如需用到某种逻辑、运算功能，就可在PCS7的功能块库中找到与之相应的功能块，将其直接拖放至CFC组态画面即可。用户还可利用PCS7提供的一种类似PASICAL语言的SCL程序结构化控制语言自定义特殊功能块，并存在功能块库中，随意调用。并且CFC程序中的大多参数可以在线修改，非常方便。

　　2、DCS中使用的所有模块（包括PID块、数据块、I/O模块等）都只是在PCS7的组态画面中出现，并不能在WINCC人机界面上出现。此时，若需要某个模块在WINCC人机界面上出现，则只需要给该模块添加WINCC属性。

　　3、在工程师站上完成所有程序组态，编译无误后，将程序下装到过程控制器中，这样，过程控制器中就有了经过编译后的用户程序；再将有用户程序的用户项目拷贝到服务器，服务器再给传送到操作站，用户程序就传给了WINCC人机界面；在程序组态时，已被定义具有了WINCC属性的各模块的标签值就能在WINCC中被找到，再通过WINCC画面组态，就可完成人机对话、参数的画面显示等，从而完成PCS7和WINCC（内核与显示）的结合。WINCC功能十分强大，而使用起来又非常方便，在编制各种画面、报警归档等功能时，都可应用其标准的功能来完成。

　　4、硬件组态也是一种图形化的组态方式，十分方便。对某一过程站而言，实际带有若干ET200远程I/O，组态画面中，就在该过程站后的PROFIBUS-DP网络线上拖放几个IM153模块形成几个ET200远程I/O接点。硬件组态中的所有模块，都可以从PCS7提供的元件库中找到相应型号、定货号的模块，将其拖放至与实际安装相对应的位置即可。硬件组态配置完成后，下载到相应的过程控制站。这样，就使得实际硬件安装模件和硬件组态相一致，从而，I/O模块上的每一点的点号地址就得以确定。

　　5、WINCC具有方便的在线组态功能，当系统在运行时，在第二个窗口同时运行有关的编辑器。可为其应用系统进行专门的修改而不需要终断过程的运行（和过程的启动），也不会影响后台的处理程序。

　　6、由于我们是首次使用PCS7系统，在使用中也遇到一些问题。如：
（1）、在硬件组态中对8AI模块通道组态时，才发现系统要求相邻的两个通道（如0,1，23），必须接相同类型的信号。
（2）、我们在做通道测试时，所有温度均滞后较大，我们把在硬件设置中的诊断功能去掉就行了。
（3）、电磁流量计信号不能与卡件相配套，用导线把负端子与—24V相接即可。
（4）、我们将通讯线沿机柜左侧进入和布置，而将现场信号线从机柜右侧进入和布置。模拟信号按规定完成屏蔽接地。
（5）、我们发现在软件和网卡的安装上有个顺序问题：应先装Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０操作系统，然后装D-LINK网卡，再装WINDOWS NT PACKEAGE 3，再装WINCC，最后装入CP5412卡，否则易发生冲突。
（6）、当系统需要重装系统时，应先收回OS站和ES站中所有授权。

六、结束语

　　海化股份有限公司年产60万吨纯碱项目于2004年1月15日开车一次成功，产品质量在最短的时间内达到优等品。我们应用PCS7系统近两年来，控制系统操作方便、运行稳定、控制精确、联锁可靠，可以说西门子的PCS7系统在海化纯碱项目的应用中是非常成功的。

摘要

西门子 S7-400可编程控制用户手册

作者联系方式：
吴从金
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E-mail：wucongjin@sina.com
山东海化纯碱厂仪表车间