華新水泥股份有限公司是水泥行業具有百年歷史的龍頭企業，也是政府重點扶持的大型工業企業之一。在新的世紀，公司堅持積極、穩妥、快速、高效的原則，以宏偉的氣魄，非凡的膽識，通過新建、擴建與并購等手段，實現了超常規的擴張。在建設工期、工程質量、資金投入、項目管理及設備國產化等方面均創造了國內最佳，為國內外行家所高度贊賞，瑞士豪西蒙集團將其作為水泥項目工程建設的典范向其它國家和地區推廣。 華新水泥股份有限公司在國內乃至世界水泥生產企業中名列前茅，在水泥生產過程控制系統中，運用的電氣自動化技術及相關系統產品的檔次質量，特別是控制系統軟件和硬件配置方案及系統應用體現的能力和水平，體現了高度的延續性和前瞻性。 一、工程概述： 水泥生產過程控制系統在功能分配上同時又是分級式層次結構，高層次是過程控制級，低層次是基礎自動化級。基礎自動化級，主要進行電氣自動控制和儀表自動控制，對工藝設備過程信息進行檢測、顯示、記錄及數據初步處理，執行設備運轉控制及工藝設備過程自動調節、超限報警。過程控制級，主要完成生產過程優化控制、操作指導、數據處理和存儲，與上級管理計算機及其它計算機之間的數據通信。 在華新水泥，過程自動化控制系統采用4級網絡系統： ·以太網――批量控制服務器和操作站的數據傳輸 ·工業以太網――系統總線，操作站和控制器間的數據傳輸 ·PROFIBUS-DP――系統I/O總線，控制器與I/O站間的數據傳輸 ·PROFIBUS-PA――系統與PA智能儀表的數據傳輸 華新水泥生產過程自動化控制系統依照水泥生產工藝流程，按如下子系統控制站分布（以下WINCC畫面截屏，以華新水泥（陽新）公司一期6000T/D熟料生產線為例）： 1． 石灰石破碎控制站：石灰石破碎及輸送； 2． 原料磨控制站：原料進廠均化及輸送、原料配料、原料粉磨、電收塵、生料入庫、水泵房； 3． 窯尾控制站：廢氣處理（高溫風機、增濕塔）、生料均化、生料入窯、窯尾塔架（預熱器、分解爐）、燒成窯中、空壓機站； 4． 窯頭控制站：熟料冷卻（篦冷機）、熟料入庫、原煤輸送、煤磨、煤粉秤； 5． 水泥磨控制站：熟料配料、水泥粉磨、水泥入庫 6． 包裝控制站：水泥輸送、水泥包裝、散裝輸送、袋裝輸送、外運碼頭； 上位機采用WINCC進行組態。人機界面主要設計有以下內容: （1） 系統工藝流程顯示:依據設備系統工藝流程圖，按照功能組區域劃分; （2） 調節系統、調節畫面:回路手操站，調節參數與參數趨勢的集中顯示; （3） 重要參數趨勢顯示:有實時趨勢與歷史趨勢兩種顯示; （4） 全局報警顯示:系統按照功能區分為若干個報警組，各個報警組的報警窗口分布于相應功能顯示窗口的上方，全局報警顯示提供集中查看系統所有報警的能力，或按優先級、報警組過濾查看，并具有全局報警確認。 通常情況下，石灰石破碎控制站使用一個西門子SIMATIC S7-300站（315-2 DP）進行控制，其余各個控制站使用一個西門子SIMATIC S7-400站（416-2 DP）進行控制。依照現場設備及工藝布局的具體情況，可以將窯尾控制站和窯頭控制站合并為一個控制站；將水泥磨控制站和包裝控制站合并為一個控制站。 以上每個子系統均通過西門子不同的通訊模塊連接在同一個工業以太網上。在窯線主要生產控制部分，采用工程師站及服務器/客戶機結構，運用若干數量的人機界面（操作員站）完成對生料、熟料、水泥生產過程自動化控制系統的監視和控制。并且，管理人員能夠使用IE瀏覽器，利用WINCC中的Web Navigator，通過網關，對生產線的監視和控制進行實時瀏覽。 二、系統要求 1.控制系統設計的總體目標 提高水泥生產的自動化水平； 實現實現水泥生產系統的高品質運行，提高運行經濟性； 提高運行人員工作效率，滿足整個系統運行全能值班要求； 提高效益，降低能耗。 2．系統設計及應用時的設計思想 　　 1） 功能設計：體現DCS建成后的自動化程度、處理事故能力（報警、分析、指導、處理等）及先進的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設計思想。 具體如下： 　　對象控制 按工藝流程的自動化過程由DCS系統協調完成，達到平衡。 保障系統安全、可靠、高效運行和啟停。 提高水泥生產系統運行的技術經濟效益 實現高自動化投入率，提高可靠性，減少誤操作，降低事故率。 完善的操作指導和事故分析手段 系統運行工況可由很多監測參數反映出來，當運行工況出現異常時，提供相關參數、趨勢、圖表等高效方式通知運行人員及時處理。 操作記錄打印、報警打印、事故追憶打印、周期性報表等功能，有助于系統日常管理和事故分析。 高效、便捷的系統在線維護。 　　 2） 系統設計：體現DCS的高可靠性、先進性、易維護、易組態等為設計思想。具體如下： 　　可靠性設計： 所有部件標準化、通用化、模塊化。 控制系統按分層、分散、自治的原則。 所有I/O模件均為智能化設計，采用隔離措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有軟件數字濾波和消除偶發干擾的措施。 維護性設計： 可帶電插拔。 系統自診斷至通道級。 選用模塊化的功能組態軟件，提高軟件透明度。 擴展性設計： 采用工業以太網網絡結構，通訊速率100MBPS，主干網采用冗余環網，個子站通過雙絞電纜掛接在主干網絡上，有極強的通訊擴展能力。 提供與其它系統的通訊接口，如工業以太網、PROFIBUS DP或MODBUS。 開放性設計： 支持國際標準數據接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。 標準MIS數據接口站，與廠級MIS互聯。 三、PCS7系統的主要特點 華新水泥為什么選擇SIEMENS PCS7? 　　 ●水泥生產各個車間和工段互不干擾，但它必須實現相互之間的通訊，完成交換數據，從而保證連鎖要求； ●系統有大量的離散輸入/輸出數據，以及少量的模擬輸入/輸出； ●部分離散輸入/輸出需要高掃描速度； ●部分重要過程傳感器需要系統能夠實現優化處理，也可以實現人工設置； ●工藝相對簡潔，設備數量多； ●系統方便地與隨機控制設備（PLC）的連接、通訊； ●控制系統必須有很好的兼容性； ●控制系統可靠性高，有自診斷和冗余功能 ●TIA的理念和強大的系統軟件功能　　 PCS7是一種模塊化的基于現場總線的新一代過程控制系統，結合了傳統DCS和PLC控制系統的優點，將兩者的功能有機的結合在一起。系統的所有硬件都基于統一的硬件平臺；所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同樣統一的軟件平臺。系統大量采用了新技術，在網絡配置上，使用標準工業以太網和PROFIBUS網絡。由于PCS7消除了DCS和PLC系統間的界限，真正實現了儀控和電控的一體化，充分體現了全集成自動化的特點，使得系統應用范圍變廣，是一種適用于現在、面向未來的開放型過程控制系統。 PCS7擁有良好的用戶界面及強大的系統功能塊庫，能大大節省系統編程組態的時間和費用。 ·系統的所有硬件都基于統一的硬件平臺, 所有軟件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同樣統一的軟件平臺。 ·系統大量采用了新技術, 在網絡配置上使用標準的工業以太網和 PROFIBUS 網絡。 ·通過冗余的 10 Mbps 光纖環網（工業以太網）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, 使得控制系統安全可靠, 風險系數大大降低。 ·自動化系統的現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運行的情況下插拔, 而無需停止系統,大大提高了系統的可靠性。 ·系統所有的分布式遠程I/O分站和低壓保護裝置、高壓保護裝置、執行機構、變頻器、現場控制器等通過PROFIBUS-DP現場總線與系統控制器進行通信，最高通信速率可達12Mbps。 四、PCS7系統在華新水泥的應用 1． 硬件組成 華新水泥生產過程自動化控制系統的硬件包括：1個西門子SIMATIC 300站和5個（最少為3個）西門子SIMATIC 400站。（各個站包括1個電源模塊、1個CPU、1個工業以太網通訊接口模塊和數量不等的ET200M、模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出模塊）、1臺工程師站計算機和1組服務器對及若干臺工控計算機、2個西門子CP1613網卡、1臺MIS服務器。 2、 軟件組成 華新水泥生產過程自動化控制系統的軟件包括：Windows 2000 Server 英文版操作系統、西門子PCS7編程軟件和CEMAT水泥行業專業軟件。 3、 系統配置（見附圖） 華新水泥生產過程自動化控制系統中各個現場控制站通過西門子工業以太網通訊模塊連接在同一個SIMATIC工業以太網（采用光纖熔接為環形網絡，如下圖中綠線所示）上完成控制功能，同時服務器通過西門子CP1613網卡、若干臺工控計算機也通過經RJ45屏蔽雙絞線由普通網卡到交換機或中控室的OSM TP62連接到此SIMATIC 工業以太網上完成監視和操作功能。其中，原料磨控制系統的SIMATIC 400站通過工業以太網與石灰石破碎控制系統的SIMATIC 300站交換數據，同時原料磨控制系統的SIMATIC 400站通通過工業以太網與窯尾控制系統和窯頭控制系統的SIMATIC 400站交換數據。而且，SIMATIC 400站基于PROFIBUS-DP/PA網絡，連接現場遠程控制站、PROFIBUS-DP設備（低壓保護裝置、高壓保護裝置、執行機構、變頻器、現場控制器等）或PROFIBUS-PA儀表（溫度變送器、壓力變送器）。 4、 硬件評估 SIMATIC 工業以太網是德國西門子公司開發的一種基于TCP/IP協議的標準以太網，它的優點是連接簡單、便于擴展、速度快、兼容性好。華新水泥生產過程自動化控制系統在主站監控級網絡采用SIEMENS Industrial Ethernet，在設備級網絡采用PROFIBUS-DP。華新水泥采用室外重鎧六芯62.5um/125um光纖作為SIMATIC 工業以太網的連接介質，有效地實現了工業以太網數據傳輸過程中的抗干擾功能，保證了系統運行的可靠性。 PROFIBUS作為一種總線標準，具有開放、國際化、不依賴于設備生產商等特點，由其構成的兼容網絡系統，可應用于不同的場合，分別是PROFIBUS-FMS，提供強有力的通信功能；PROFIBUS-DP，用于傳感器和執行器級 的高速數據傳輸；PROFIBUS-PA，用于安全性較高的場 合，允許對設備進行完全的內部操作。SIMATIC Profibus DP網是西門子公司開發的一種基于現場總線技術的設備網，它的特點是可以在PLC（可編程序控制器）與現場設備（如變頻器、工業鍵盤、智能儀表、分布式I/O站等）之間交換數據。華新水泥生產過程自動化控制系統采用西門子專用DP/PA線作為Profibus DP/PA網的連接介質。　　 華新水泥自2002年起至今，大規模使用PROFIBUS技術。在華新，各條水泥大約使用DP設備200臺，PA儀表100臺。 PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的現場總線標準。它符合：- IEC 61158 國際標準 和- JB/T10308.3-2001（中國標準2001 年） 。 PROFIBUS 協議包括以下主要部分： · PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于制造業自動化系統中單元級和現場級通信。 · PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊。 PROFIBUS技術與傳統集中控制比較，在系統設計、安裝調試、維護及擴展方面都具有十分明顯的優勢： · 12M 的通信速率和可靠的通信質量 · 適用多種通信介質（電、光、紅外、導軌以及混合方式） · 靈活的拓撲結構，支持線型、樹型、環型結構以及冗余的通信模型 · 強大的通信功能，支持基于總線的驅動技術和符合IEC61508 的總線安全通信技術 · 先進的網絡規模（最多支持126 個總線站，網絡規格可達90 公里） 采用PROFIBUS技術后，與傳統的電控系統比較，系統具有以下幾個特點： ·系統設計更加方便、清晰－－－－負載饋電器的使用，免去了電機保護開關、接觸器及與 PLC輸入/出的大量原理圖、接線圖的設計，出圖量大幅 度減少，ET200M模塊化組件的使用，也使柜（箱）內布 線、設計更為簡便，加快了控制系統設計、生產周期。 ·安裝簡單、快捷－－－－在不采用任何工具的情況下，接口模塊和端子模塊卡在導軌上，完成接線后，電子模塊、電源模塊、負載饋電 器模塊“即插即用”。 ·組態、調試更加容易－－－－無須其他特殊軟件，在S7軟件包中，用鼠標拖拉即可完 成PROFIBUS-DP的組態。不需額外費用，設備故障就可通過總線報告，故障定位更加方便。 ·維護簡單－－－－劃分子站和模塊化組件的使用，以及強大的故障診斷能 力，都為日后設備維護帶來極大的便利。 ·便于擴展和信息集成－－－－PROFIBUS的使用將孤立的單元設備帶進了信息化網絡中, 為今后系統擴展和企業綜合自動化的實現打下良好的基礎。 ·最終用戶工程造價降低－－－－PROFIBUS技術的使用，節省了大量的線纜、橋架、端子 排、柜體等，培訓和維護費用減少，這些都降低了工程總造價。 SIMATIC 400站是西門子公司的拳頭產品，無論在控制速度、控制精度還是抗干擾性、靈活性各方面講都處與PLC產品的領先地位。 5、 軟件評估 PCS7是西門子公司為S7-400系列PLC設計的編程軟件，它能完成龐大的邏輯控制和復雜的調節控制；它的組織塊、功能塊、數據塊相結合的編程思想可以隨心所欲地實現各種控制要求；它的時間中斷組織塊可以實現短到10ms長到5s的快速中斷請求；它的符號表（Symbol）可以方便進行程序注釋。 基于標準的SIMATIC軟件和硬件組件 先進的分布式客戶機/服務器架構 可伸縮性強，從小型實驗室系統，到具有高達60，000個過程對象的大型工廠 可用于連續和批處理應用 可用于所有工業領域：過程、制造以及混合工業 強大的HMI系統，帶有集成的基于SQL服務器的歸檔系統 基于IEC 61131 的集中式，工廠范圍內的工程系統 通過現場總線PROFIBUS，現場設備和驅動系統均可很靈活和容易的集成 無縫集成的安全系統，通過TüV＊驗證的可滿足AK6/SIL3 在同一個可編程控制器中可以混合運行標準和故障安全相結合的形式，高可用性和故障安全相結合的形式 可在所有層級實現冗余，提高可用性 符合ISA S 88.01 和FDA 21 CFR Part 11規范的模塊化批處理系統SIMATIC BATCH 通過SIMATIC IT架構實現 MES/ERP層級的接口 SIMATIC PCS 7 ——一個真正的現代DCS系統 HMI 具有多用戶能力的HMI組件 大容量架構 客戶機-服務器結構 冗余 在線修改 AS, I/O 模塊, I/O 熱插拔（運行中插入和拔出模塊） 運行中可進行擴展 / 修改 用于危險區域的I/O 模塊 冗余（控制器、模塊和PROFIBUS） 集成的故障安全技術 智能現場設備/驅動設備的集成 通訊 快速以太網和PROFIBUS DP/PA 光纖交換技術 冗余（系統總線和現場總線） 在線擴展 工程 集中式工程工具，簡單易用，通用操作 批量工程，具有導入／導出功能 應用圖形化和面向PLT的工具進行全面、有效的工程 集成的SIMATIC PDM軟件對智能現場設備進行集中參數化 軟件模擬和測試 修改跟蹤功能 分布式、并行工程功能 6、 疑難與解答 1） 標準化編程 大型的自動化控制系統很難一個人完成，因此需要很多人的分工與合作。標準化編程就是要使軟件工程師編寫的程序整齊劃一，通用性和可讀性強，除了作者本人的閱讀者也能輕而易舉地理解作者的編程思想和工藝要求。這樣不但可以使編程人員不再糾纏編程的枝節問題，縮短編制程序的時間，集中精力解決更加困難的工藝上的問題；而且有利于維護人員對程序的理解，為生產保駕護航提供了更加寶貴的經驗。標準化編程的實現是多方面的，首先根據設計圖紙編制各系統的點號表（用EXCEL表格）；再根據點號表編制STEP7符號表（SYMBOL）；再根據點號表找出各控制設備的輸入/輸出點號，據此定義下列STEP7使用的點號：模擬手/自動轉換選擇開關；啟動按鈕、停止按鈕（對單線圈的泵或電磁閥）；開啟按鈕、關閉按鈕、停止按鈕（對雙線圈的電動閥）；手動輸出值、給定值、比例系數、積分時間（對PID調節閥）；再根據各控制設備的輸入/輸出點號和中間線圈點號編制各控制設備的手動程序；最后根據設計說明書編制各控制設備之間的邏輯連鎖程序，即自動程序。 2） 數據通訊。 　　這里的數據通訊包括SIMATIC 400 PLC與SIMATIC 400 PLC之間，SIMATIC 400 PLC 與SIMATIC 300 PLC之間的數據通訊。其中，SIMATIC 400 PLC與SIMATIC 400 PLC之間是通過SIMATIC 工業以太網通訊，編程使用FB205（FR_AGSEN/發送數據功能塊）和FB206（FR_AGRCV/接收數據功能塊）；SIMATIC 400 PLC 與SIMATIC 300 PLC之間的數據通訊也采用相同的方法處理。值得注意的是FB205（FR_AGSEN/發送數據功能塊）和FB206（FR_AGRCV/接收數據功能塊）必須在OB35（100s時間中斷組織塊）中調用。 3） PID調節 水泥生產過程中有很多控制對象，諸如系統風力壓力、物料流量等都需要穩定的值。以前這些模擬量的調節采用智能儀表，現在有了西門子SIMATIC 400 PLC就可以取代這些智能儀表，PID調節在STEP7中使用FB513（連續PID調節控制）；在WINCC中使用PID調節器的操作面板，完成PID調節控制中的手/自動切換、給定值輸入、手動輸出值輸入、PID參數（比例系數、積分時間）輸入等功能。 4）畫面強制 大型工廠自動化控制系統涉及的控制設備很多，控制工藝復雜，導致控制過程中的邏輯連鎖非常復雜，主要設備動作的諸多條件很難同時滿足。為了調試程序的需要，在畫面上增設許多選擇開關，當某開關置“1”時，就假設此條件滿足。當所有條件滿足時，程序就可以對設備進行操作，而不必等待實際條件滿足。在生產中有時某設備出現臨時故障，為不影響正常生產，也可以在畫面上強制，繼續生產，直到設備修好，再把強制解除即可。 5）SIMATIC Web Navigator： 　　 Web Navigator 軟件包可使用戶通過Internet或局域網同過IE瀏覽器直接訪問WINCC過程畫面。客戶端無須安裝WINCC應用程序，所有WINCC應用都位于服務器上，因此降低了對客戶端的系統要求。通過Web Navigator 可實現辦公室與現場的數據實時交換，滿足當前對現代化DCS系統的基本要求。同時只需要較少的軟硬件配制就可同時滿足50個操作員站。由于此功能是通過Internet來實現，所以安全性是必須考慮的問題。 五、 項目中的難點： 由于華新水泥項目中使用了大量的Profibus通訊，且第三方設備較多。最初十分擔心設備的混合通訊以及現場設備間的相互干擾。但在實際使用過程中，深刻的體會到現場總線技術所帶來的方便。同時也感覺到西門子PCS7的開放性對華新水泥過程控制系統項目的幫助。由于第三方設備較多，因此使用大量的自編寫的CFC功能塊，但是正是由于PCS7的開放性能夠為這些CFC功能塊生成相應的BlockIcon、FacePlate、報警信息等DCS系統所必須的功能；不僅第三方設備可以這樣處理，一些比較復雜的工藝過程也采用了同樣的方法，取得了滿意的效果，得到分公司生產維護人員的好評。在通訊調試過程中發現，調試設備通訊時應注意系統的接地，通訊電纜的短路，系統的等電位等因素都會導致系統總線的癱瘓。