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SIMATIC PCS7在CFB電站循環硫化床鍋爐上的應用
信息來源： 發布時間：2012-04-01 10:15:40 點擊次數：0
河南省某水泥廠自備電廠機組是由2?20t/h水泥爐窯尾氣余熱爐、1?45t/h補燃煤CFB鍋爐和1?12MW的汽輪發電機組組成，主要是供廠內水泥生產線用電及部分生活用熱。其中，補燃鍋爐是哈爾濱鍋爐廠引進美國CPC技術生產的細粉高速循環流化床鍋爐，與一般循環流化床鍋爐的區別在于：在爐前右側布置了一臺負荷調節裝置（床料倉），其工作原理為通過負壓系統從爐床抽取床料儲在倉內，并根據負荷調節的需要將其中的床料回放入到爐床上來控制床料高度和溫度，以達到調節負荷的目的。而一般的CFB主要是通過各種型式的分離器分離煙氣中未燃盡顆粒，再以機械或非機械方式送回爐膛，通過調整回料量、給煤量和風量等手段來調節床溫和負荷。另一區別是該類爐的燃料粒度較一般CFB爐細，燃料溫度和石灰石投入方式不相同。項目設計單位是天津水泥設計院，四川東方電腦工程公司負責提供DCS硬件，并完成DCS的設計組態和現場調試工作。
本項目采用SIEMENS公司SIMATIC PCS7集散控制系統，最終實現對整個自備電站的控制
和安全經濟地運行。
二、PCS7系統的主要特點
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。
三、本項目系統構成：
1． 硬件：
采用三個過程控制機柜：1APL、2APL、3APL。在1APL、3APL內各安裝1套過程控制器AS4142DP。1APL中的過程控制器，處理循環流化床鍋爐部分的測點和調節回路，3APL中的過程控制器，處理汽輪發電機組和兩臺余熱鍋爐部分的測點和調節回路。共使用了13個ET200M遠程控制機架安裝各種I/O模塊。所處理信號如下：
信號類型 實際使用點數 模塊配置
AI 4~20mA 180 29 X 8AI
RTD 82 24 X 4RTD
T/C 64 9 X8T/C
AO 31 9 X 4AO
DI 71 15 X 8DI
DO 14 3 X8DO
過程狀態監控管理設備為2臺OS站，1臺ES站，出于項目成本考慮，均采用SIEMENS公司推薦的Dell公司高性能商用計算機。配置為：PⅡ400，4.3Ｇ硬盤，１２８Ｍ內存，帶８Ｍ顯存的集成顯卡，１９"高分辨率SVGA彩色顯示器。在項目實施過程中，Dell公司的商用計算機表現出了優異的性能。
系統打印機為3臺：EPSON MJ-1500K+ 彩色噴墨打印機。選用該種打印機是基于以下因素：
a) 噪音低
b) 使用彩色進行不同級別和種類的報警和信息記錄
c) 能使用寬行連續打印紙，這是普通噴墨打印機不具備的功能。
2. 網絡
本控制系統網絡結構如圖1：
分為下層控制網、上層管理網。
下層控制網采用同軸屏敝電纜，適合歐洲Profibus標準，通過每個ET200M上的IM153－1通訊卡與AS4142DP控制器互相連接，滿足現場信號的采集、處理和控制器的通訊，為Profibus－DP現場通訊網。
上層管理網分為二類。一類為采用同軸電纜，適合歐洲Profibus標準。通過OS站、ES站和控制器上的CP443－5通訊卡相連接，滿足操作員站、工程師站對現場設備的監視、控制和管理，實現數據共享。另一類為采用同軸細纜，符合TCP/IP協議的管理以太網，通過OS站、ES站上的D-LINK網卡連接，主要實現工程師和操作員站之間文件管理、拷貝。
３．軟件
操作員站OS和工程師站ES均采用微軟英文版Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０作為操作系統，附加安裝版Package ３和Internet explorer ４.０，漢字處理采用中文之星For Windows NT V2.0，使得除工程師組態以外的所有信息、界面均實現漢化。
操作員站另加載了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NET Profibus-S7、WINCC ADVANCED PROCESS CTRL.、WINCC BASIC PROCESS CTRL．等監控軟件。
在操作員站所加載軟件的基礎上，工程師站還加裝了SIMATIC STEP7 BASIS V4.0、 CFC V4.0、S7-SCL V4.0、SFC V4.X 等組態功能軟件。除用于系統軟、硬件組態外，ES站具有與OS站完全相同的功能，可以兼做OS站，起到了降低用戶成本的作用。
四、系統功能
系統是對補燃爐、余熱鍋爐、汽輪機、發電機進行重要參數的顯示，對以下回路進行自動調節。
補燃爐汽包水位調節系統 補燃爐爐膛壓力調節系統
1#余熱爐汽包水位調節系統 2#余熱爐汽包水位調節系統
除氧器壓力調節系統 除氧器水位調節系統
冷凝器熱井水位調節系統 補燃爐二次風量調節系統
二級過熱器入口溫度調節系統 主蒸汽溫度調節系統
以班報的形式對所有重要參數進行一小時報表自動打印。
以趨勢圖的形式對DCSI/O清單中所有要求的記錄參數進行８小時趨勢顯示，并可按操作員
要求隨時打印。
工藝流程畫面主要有下面幾幅，并可隨意切換：
鍋爐煙風系統圖 鍋爐汽水系統圖 汽機熱力系統圖
余熱爐熱力系統圖 除氧給水系統圖 發電機油系統圖
應用色彩和閃爍變化表示各種報警信息。報警信息可按報警產生順序在Alarm log中查閱、打印。另外，根據鍋爐制造商對控制的要求，并參考美國NFPA8504常壓循環流化床鍋爐運行規范，還設計了必要的保護功能。
五、PCS7系統的應用心得
我們在這次工程的程序設計中，由于沒有太多的順控功能，基本上只用到CFC程序組態，這樣也方便用戶有限的技術人員盡快掌握。CFC程序組態是一種圖形式的組態，方便、直觀，操作簡便。PCS7將許多邏輯、運算功能形成了功能塊，在進行程序組態時，如需用到某種邏輯、運算功能，就可在PCS7的功能塊庫中找到與之相應的功能塊，將其直接拖放至CFC組態畫面即可。用戶還可利用PCS7提供的一種類似PASICAL語言的SCL程序結構化控制語言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫中，隨意調用。
DCS中使用的所有模塊（包括PID塊、數據塊、I/O模塊等）都只是在PCS7的組態畫面中出現，并不能在WINCC人機界面上出現。此時，若需要某個模塊在WINCC人機界面上出現，則只需要給該模塊添加WINCC屬性。
在工程師站上完成所有程序組態，編譯無誤后，將程序下載至過程控制器，這樣，過程控制器中就有了經過編譯后的用戶程序；再將有用戶程序的用戶項目傳送到操作站，用戶程序就傳給了WINCC人機界面，在程序組態時，已被定義具有了WINCC屬性的各模塊的標簽值就能在WINCC中被找到，再通過WINCC畫面組態，就可完成人機對話、參數的畫面顯示等，從而完成PCS7和WINCC（內核與顯示）的結合。WINCC功能十分強大，而使用起來又非常方便，在編制各種畫面、報警歸檔等功能時，都可應用其標準的功能來完成。
硬件組態也是一種圖形化的組態方式，十分方便。對某一過程站而言，實際帶有若干ET200遠程I/O，組態畫面中，就在該過程站后的PROFIBUS-DP網絡線上拖放幾個IM153模塊形成幾個ET200遠程I/O接點。硬件組態中的所有模塊，都可以從PCS7提供的元件庫中找到相應型號、定貨號的模塊，將其拖放至與實際安裝相對應的位置即可。硬件組態配置完成后，下載到相應的過程控制站。這樣，就使得實際硬件安裝模件和硬件組態相一致，從而，I/O模塊上的每一點的點號地址就得以確定。
由于我們是首次使用PCS7系統，在使用中也遇到一些問題。如，在硬件組態中對8AI模塊通道組態時，才發現系統要求相鄰的兩個通道（如0,1，23），必須接相同類型的信號，而不得不重新布點；程序組態時，經過換算得到的流量信號不能直接傳往WINCC人機界面，而必須將其加載到數據塊上，把數據塊傳至WINCC才能實現流量信號在WINCC畫面上的顯示。類似的限制，都使得系統顯得不夠靈活。
系統現場信號接線有板前與板后兩種方式，該工程中使用的是板前接線方式，由于現場信號線多，使得柜內接線雜亂。對于點數多的系統，建議使用板后接線方式。
PCS7系統中模塊抗干擾能力較強，我們將通訊電纜沿機柜左側進入和布置，而將現場信號線從機柜右側進入和布置。模擬信號按規定完成屏蔽接地，在該工程現場調試過程中，我們很少遇到系統干擾問題。
我們發現在軟件和網卡的安裝上有個順序問題：應先裝Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０操作系統，然后裝D-LINK網卡，再裝WINDOWS NT PACKEAGE 3，裝入IE 4.0，裝入中文之星V2.0，再裝WINCC，最后裝入CP5412卡，否則易發生沖突。
當系統需要重裝系統時，應先收回OS站和ES站中所有授權。由于本項目使用的是V4.0版軟件，采用軟盤收授授權，比較麻煩。據SIEMENS介紹，新版本軟件較好地接解決了這一問題。
六、結束語
本項目從合同生效至完成調試，總共不到3個月時間，其中給予組態設計的時間非常短，而PCS7對我們來說又是一個較新的系統，但由于有SIEMENS工程師的有力支持，工作進展非常順利。
在此項目過程控制系統中，CFB的控制應是難點。CPC的細粉高效流化床項目是國家高效工業鍋爐引進項目的主要內容之一，同我們以前熟悉的東方鍋爐股份公司研制和引進美國FW公司的CFB爐不同。但遺憾的是，該項目的規劃設計單位未設計燃燒、負荷調節和二氧化硫控制等關鍵的自動調節系統，而均采用了手動調節。另外，現場部分被控對象，如國產調節閥調節性能太差等原因，一些調節系統尚不能投入自動運行。
我們計劃還要進行的工作是：在機組穩定負荷運行和被控對象調節性能達到要求后，盡可能將各調節系統投入自動。尤其對其中2臺余熱爐向補燃爐提供預熱給水（通過調整尾氣量和給水量來調整出水溫度）、補燃爐再進行最終負荷調節這樣一個較復雜的復合調節系統，值得仔細探索、研究。
本項目采用SIEMENS公司SIMATIC PCS7集散控制系統，最終實現對整個自備電站的控制
和安全經濟地運行。
二、PCS7系統的主要特點
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。
三、本項目系統構成：
1． 硬件：
采用三個過程控制機柜：1APL、2APL、3APL。在1APL、3APL內各安裝1套過程控制器AS4142DP。1APL中的過程控制器，處理循環流化床鍋爐部分的測點和調節回路，3APL中的過程控制器，處理汽輪發電機組和兩臺余熱鍋爐部分的測點和調節回路。共使用了13個ET200M遠程控制機架安裝各種I/O模塊。所處理信號如下：
信號類型 實際使用點數 模塊配置
AI 4~20mA 180 29 X 8AI
RTD 82 24 X 4RTD
T/C 64 9 X8T/C
AO 31 9 X 4AO
DI 71 15 X 8DI
DO 14 3 X8DO
過程狀態監控管理設備為2臺OS站，1臺ES站，出于項目成本考慮，均采用SIEMENS公司推薦的Dell公司高性能商用計算機。配置為：PⅡ400，4.3Ｇ硬盤，１２８Ｍ內存，帶８Ｍ顯存的集成顯卡，１９"高分辨率SVGA彩色顯示器。在項目實施過程中，Dell公司的商用計算機表現出了優異的性能。
系統打印機為3臺：EPSON MJ-1500K+ 彩色噴墨打印機。選用該種打印機是基于以下因素：
a) 噪音低
b) 使用彩色進行不同級別和種類的報警和信息記錄
c) 能使用寬行連續打印紙，這是普通噴墨打印機不具備的功能。
2. 網絡
本控制系統網絡結構如圖1：
分為下層控制網、上層管理網。
下層控制網采用同軸屏敝電纜，適合歐洲Profibus標準，通過每個ET200M上的IM153－1通訊卡與AS4142DP控制器互相連接，滿足現場信號的采集、處理和控制器的通訊，為Profibus－DP現場通訊網。
上層管理網分為二類。一類為采用同軸電纜，適合歐洲Profibus標準。通過OS站、ES站和控制器上的CP443－5通訊卡相連接，滿足操作員站、工程師站對現場設備的監視、控制和管理，實現數據共享。另一類為采用同軸細纜，符合TCP/IP協議的管理以太網，通過OS站、ES站上的D-LINK網卡連接，主要實現工程師和操作員站之間文件管理、拷貝。
３．軟件
操作員站OS和工程師站ES均采用微軟英文版Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０作為操作系統，附加安裝版Package ３和Internet explorer ４.０，漢字處理采用中文之星For Windows NT V2.0，使得除工程師組態以外的所有信息、界面均實現漢化。
操作員站另加載了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NET Profibus-S7、WINCC ADVANCED PROCESS CTRL.、WINCC BASIC PROCESS CTRL．等監控軟件。
在操作員站所加載軟件的基礎上，工程師站還加裝了SIMATIC STEP7 BASIS V4.0、 CFC V4.0、S7-SCL V4.0、SFC V4.X 等組態功能軟件。除用于系統軟、硬件組態外，ES站具有與OS站完全相同的功能，可以兼做OS站，起到了降低用戶成本的作用。
四、系統功能
系統是對補燃爐、余熱鍋爐、汽輪機、發電機進行重要參數的顯示，對以下回路進行自動調節。
補燃爐汽包水位調節系統 補燃爐爐膛壓力調節系統
1#余熱爐汽包水位調節系統 2#余熱爐汽包水位調節系統
除氧器壓力調節系統 除氧器水位調節系統
冷凝器熱井水位調節系統 補燃爐二次風量調節系統
二級過熱器入口溫度調節系統 主蒸汽溫度調節系統
以班報的形式對所有重要參數進行一小時報表自動打印。
以趨勢圖的形式對DCSI/O清單中所有要求的記錄參數進行８小時趨勢顯示，并可按操作員
要求隨時打印。
工藝流程畫面主要有下面幾幅，并可隨意切換：
鍋爐煙風系統圖 鍋爐汽水系統圖 汽機熱力系統圖
余熱爐熱力系統圖 除氧給水系統圖 發電機油系統圖
應用色彩和閃爍變化表示各種報警信息。報警信息可按報警產生順序在Alarm log中查閱、打印。另外，根據鍋爐制造商對控制的要求，并參考美國NFPA8504常壓循環流化床鍋爐運行規范，還設計了必要的保護功能。
五、PCS7系統的應用心得
我們在這次工程的程序設計中，由于沒有太多的順控功能，基本上只用到CFC程序組態，這樣也方便用戶有限的技術人員盡快掌握。CFC程序組態是一種圖形式的組態，方便、直觀，操作簡便。PCS7將許多邏輯、運算功能形成了功能塊，在進行程序組態時，如需用到某種邏輯、運算功能，就可在PCS7的功能塊庫中找到與之相應的功能塊，將其直接拖放至CFC組態畫面即可。用戶還可利用PCS7提供的一種類似PASICAL語言的SCL程序結構化控制語言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫中，隨意調用。
DCS中使用的所有模塊（包括PID塊、數據塊、I/O模塊等）都只是在PCS7的組態畫面中出現，并不能在WINCC人機界面上出現。此時，若需要某個模塊在WINCC人機界面上出現，則只需要給該模塊添加WINCC屬性。
在工程師站上完成所有程序組態，編譯無誤后，將程序下載至過程控制器，這樣，過程控制器中就有了經過編譯后的用戶程序；再將有用戶程序的用戶項目傳送到操作站，用戶程序就傳給了WINCC人機界面，在程序組態時，已被定義具有了WINCC屬性的各模塊的標簽值就能在WINCC中被找到，再通過WINCC畫面組態，就可完成人機對話、參數的畫面顯示等，從而完成PCS7和WINCC（內核與顯示）的結合。WINCC功能十分強大，而使用起來又非常方便，在編制各種畫面、報警歸檔等功能時，都可應用其標準的功能來完成。
硬件組態也是一種圖形化的組態方式，十分方便。對某一過程站而言，實際帶有若干ET200遠程I/O，組態畫面中，就在該過程站后的PROFIBUS-DP網絡線上拖放幾個IM153模塊形成幾個ET200遠程I/O接點。硬件組態中的所有模塊，都可以從PCS7提供的元件庫中找到相應型號、定貨號的模塊，將其拖放至與實際安裝相對應的位置即可。硬件組態配置完成后，下載到相應的過程控制站。這樣，就使得實際硬件安裝模件和硬件組態相一致，從而，I/O模塊上的每一點的點號地址就得以確定。
由于我們是首次使用PCS7系統，在使用中也遇到一些問題。如，在硬件組態中對8AI模塊通道組態時，才發現系統要求相鄰的兩個通道（如0,1，23），必須接相同類型的信號，而不得不重新布點；程序組態時，經過換算得到的流量信號不能直接傳往WINCC人機界面，而必須將其加載到數據塊上，把數據塊傳至WINCC才能實現流量信號在WINCC畫面上的顯示。類似的限制，都使得系統顯得不夠靈活。
系統現場信號接線有板前與板后兩種方式，該工程中使用的是板前接線方式，由于現場信號線多，使得柜內接線雜亂。對于點數多的系統，建議使用板后接線方式。
PCS7系統中模塊抗干擾能力較強，我們將通訊電纜沿機柜左側進入和布置，而將現場信號線從機柜右側進入和布置。模擬信號按規定完成屏蔽接地，在該工程現場調試過程中，我們很少遇到系統干擾問題。
我們發現在軟件和網卡的安裝上有個順序問題：應先裝Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０操作系統，然后裝D-LINK網卡，再裝WINDOWS NT PACKEAGE 3，裝入IE 4.0，裝入中文之星V2.0，再裝WINCC，最后裝入CP5412卡，否則易發生沖突。
當系統需要重裝系統時，應先收回OS站和ES站中所有授權。由于本項目使用的是V4.0版軟件，采用軟盤收授授權，比較麻煩。據SIEMENS介紹，新版本軟件較好地接解決了這一問題。
六、結束語
本項目從合同生效至完成調試，總共不到3個月時間，其中給予組態設計的時間非常短，而PCS7對我們來說又是一個較新的系統，但由于有SIEMENS工程師的有力支持，工作進展非常順利。
在此項目過程控制系統中，CFB的控制應是難點。CPC的細粉高效流化床項目是國家高效工業鍋爐引進項目的主要內容之一，同我們以前熟悉的東方鍋爐股份公司研制和引進美國FW公司的CFB爐不同。但遺憾的是，該項目的規劃設計單位未設計燃燒、負荷調節和二氧化硫控制等關鍵的自動調節系統，而均采用了手動調節。另外，現場部分被控對象，如國產調節閥調節性能太差等原因，一些調節系統尚不能投入自動運行。
我們計劃還要進行的工作是：在機組穩定負荷運行和被控對象調節性能達到要求后，盡可能將各調節系統投入自動。尤其對其中2臺余熱爐向補燃爐提供預熱給水（通過調整尾氣量和給水量來調整出水溫度）、補燃爐再進行最終負荷調節這樣一個較復雜的復合調節系統，值得仔細探索、研究。