西門子PCS7V6.OSP1在鍋爐控制系統中設計與實現

一、 項目簡介

1)該項目位於河南省安陽市，為安陽動力廠的技術改造項目，是廠內家屬區2004年供暖工程，廠內稱其為暖人心福利工程。該系統同時可與其他兩台鍋爐併網發電，為工廠其他車間提供電能。為了保證職工的正常供暖，必須選用高可靠性的控制系統及先進的控制技術，所以企業選用西門子 PCS7系統，即西門子的DCS。AS採用西門予公司的CPU 414-4H。安鋼動力廠是安陽鋼鐵公司的心臟和命脈，擔負著全公司生產、生活所需水、。電、氣（汽）的生產供應工作。該廠下設8個車間，共89組分佈在安鋼的各個區域，具有點多、面產、工種多、技術性強、管理難度大等特點。動力廠生產三大系列共12種產品：

①電（100kV電壓、33kV電壓、6kV電壓）；

②水（地表水、地下水、除鹽水、凈水、軟水）；

③氣（混合煤氣、蒸汽、壓縮空氣、凈氣）。

安鋼動力廠有8個生產車間：熱力一車間、熱力二車間、電氣攀間、供水車間、空水車間、燃氣車間、機修車間、計控車間。1958年安鋼建廠之初就成立了動力籌建組。1959年2月成立了動力部，設有一、二泵站，一、二配電室，鍋爐房，軟水站等生產崗位。1962年精簡下崗下放時，動力部與汽車隊合併，成立了水電汽車隊，1963年同汽車隊分開改為水電隊，歸機械動力室領導。由於動力系統生產車間和設備逐年增加以及業務範圍的擴大，1970年又恢復了動力部建制。1978年經濟體制改革時，改為動力分廠，1985年改為動力廠。隨著安鋼生產規模的不斷擴大，動力廠又新上了220kV變電站、110KV變電站、高爐區循環泵站、75t/h鍋爐、汽輪發電機等多個站所，這些站所技術含量較高，很多都是採用國內或國際上的先進技術，這對保證動力產品的生產供應奠定了物質基礎。目前動力廠已具備年供電125 000萬kWh、混合煤氣65 000萬I113、工業水9 400萬fT13、軟水226萬噸、壓縮空氣21 500萬/m3、蒸汽73萬噸的能力。軟體層不再依賴具體的硬體設備層，大大簡化了控制系統的開發。

2)本項目為35t/h燃氣蒸汽鍋爐，系統由四部分組成：燃燒系統、蒸汽產生系統、過熱蒸汽系統、除氧給水系統。最終的產品為過熱蒸汽。控制系統由兩大部分組成：硬體部分和軟體部分。硬體部分包括控制站(AS)和工程師站或操作員站( ES/OS)。AS由CPU 414-4H、ET200M、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、現場匯流排 Profibus、網路部件ESM、乙太網ITP電纜、 PCI通信乙太網卡CP1613和兩台DELL戴爾計算機組成。軟體部分由兩套西門子PCS7 V6.01組成，包括P0250/RC 8K和P0/250/RT8K以及Windows 2000 Professional英文操作系統。

3)圖1現場控制設備；圖2為系統CPU控制櫃；圖3為整個系統控制櫃和ES/OS站。 

圖  1

圖  2

圖  3

二、系統介紹

1)鍋爐計算機控制系統的目的是控制產生用戶供暖的過熱蒸汽或向蒸汽母管提供蒸汽以便供汽輪機發電。整個系統工藝流程是，水通過除氧器加熱，除去水中的氧之後，由給水泵和給水閥給鍋爐汽包供水。混合煤氣在爐膛內與空氣進行燃燒，汽包內的水通過水冷壁管在爐膛內循環，水冷壁管內的水通過吸收爐膛內燃燒產生的熱量產生汽水混合物，汽水混合物通過汽包的汽水分離系統產生飽和蒸汽，飽和蒸汽通過鍋爐燃燒后煙道內餘熱的二級減溫過熱氣產生過熱蒸汽，供給用戶。一般把鍋爐整個工藝過程分成以下4個系統：給水系統、燃燒系統、蒸汽發生系統、減溫減壓系統。後面詳細介紹各個系統的控制目標和西門子PCS7控制系統如何實現這些目標。

2)在本控制系統中使用的西門子PCS7系統的產品見表1。

表1  西門子PCS7系統的產品清單

系統所控對象：除氧器的液位、除氧器的溫度、除氧給水泵、給水調節閥；鍋爐混合煤氣流量、空氣流量（送風機機的頻率）、爐膛負壓（引風機的頻率）、煙氣含氧量、汽包液位、汽包壓力、主蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度調節等控制。

三、控制系統的構成

1)整個系統由控制站(AS)構成，包括硬體冗餘的CPU414-4H中心處理單元和5個ET200M從站，採用PROFIBUS DP現場匯流排主從結構，通信速率為1.5Mbit/s。CPU414-4硬體冗餘技術為西門子專利產品，採用容錯技術，使兩個CPU在工作時實時交換數據，當一個CPU為主站( MASTER)進行工作時，另一個CPU處於熱備冗餘狀態，一旦主CPU出現故障，熱備CPU立即自動運行，代替主CPU進行工作，保證在主CPU出現故障時，系統不會出現停機，避免給用戶造成巨大損失。PROFIBUS DP為國際標準的現場匯流排，其特點是通信速率快，最高可達12Mbit/s，連接方便，可採用西門子公司專用的PROFIBUS電纜與IM153介面模塊進行連接，而且可以完全採用s7-300系列的模塊，降低系統硬體的成本。採用這種結構還有利於系統的擴充，PROFIBUS DP主從系統最多可以形成126個從站。工程師站或操作員站(ES/OS)和AS之間採用西門子工業乙太網交換機(ESM)，由西門子工業乙太網和環形乙太網冗餘技術構成。ESM自動檢測雙絞線埠處的傳輸速率（10Mbit/s或100Mbit/s）以全雙工工作。ESM還可以通過一條電氣線路構成一個環，利用ESM上的冗餘管理器，連續監視網路功能。ESM檢測環路中的傳輸線路或ESM的故障，並在0.3秒內啟動備用線路，保證AS和ES/OS之間的正常通信。

2)系統硬體配置圖如圖4所示；系統網路配置圖如圖5所示。

圖  4 

圖  5

系統結構總圖如圖6所示。 

圖  6

圖7、圖8分別為安陽動力廠監控系統的總體畫面和鍋爐起停操作畫面。PCS7 V6.01版過程式控制制系統必須運行在英文操作系統下，為了操作人員操作方便，我們對系統的畫面進行了漢化處理，使用戶操作起來十分方便，可以滿足不同知識水平操作人員的操作。 

圖  7 

圖  8

3)採用西門子PCS7系統，不但在硬體上保證系統的可靠和穩定，同時為用戶在以後的系統擴充上也提供了很大的便利。用戶在中心主CPU不更改的情況下，可在從站系統上對系統進行充分的擴充，從而保證用戶的有效投資。在軟體上採用PCS7提供的CFC和SFC以及SCL編程工矮對系統的控制對象極易實現相應的控制。在ES/OS由於上位監控軟體採用西門子公司的WinCi V6.0 SP1，該軟體提供了豐富的圖庫，在製作流程圖畫面時十分容易，而且採用圖形樹管理技術，畫面布置比較方便。安陽動力廠1#鍋爐採用航天院生產的國產DCS，該系統穩定性能比較差，I『I卡件經常出現問題，我們在現場調試過程中，廠家還到現場為用戶進行系統維護和升級，與西門j PCS 7系統的性能相比相差甚遠。

四、控制系統完成的功能 

1)除氧器液位和溫度的控制。為了使鍋爐正常運行，保證鍋爐汽包的正常水位，同時保證{給鍋爐汽包優質的水，必須將工業用水在除氧器中除氧，所謂除氧就是將除氧器中水的溫度控制{103～105℃，以及除氧器的液位控制在1.25m，控制精度在±0.5m內。除氧器的溫度通過調節j汽調節閥進行控制。它和除氧器的液位為相互耦合系統，當蒸汽調節閥動作時，供給除氧器的蒸汽流量發生變化，蒸汽流量加大，除氧器的溫度升高，相反液位下降。當水位調節閥加大時，反過來又影響溫度下降。在調節的同時又要保證除氧器內的壓力不要過大，否則除氧器壓力開關閥自動跳閘，除氧器中的水往外溢出。西門子PCS 7提供了連續PID調節功能塊FB61，如圖9所示。

圖  9

該功能塊是西門子公司為過程自動化提供的典型連續PID塊，用戶使用它可以構成各種複雜過程式控制制系統，如串級、解耦等。在調試過程中只要根據不同對象的動態特性，調節比例、積分微分常數即可。除氧器的溫度和液位在本系統中採用單迴路，配合兩個迴路相應的參數即可完全到用戶提出的控制系統精度。

2)汽包液位控制。鍋爐控制系統中的關鍵問題是汽包水位控制，該系統汽包水位正常時始終應在0位，控制精度用戶要求在±5mm。本系統採用兩種控制方式，即單衝量和三衝量控制方式。單衝量控制方式實際也就是單迴路控制，它直接控制給水調節閥，採用Pl調節器。當水位上升時，減小給水調節閥的開度。這種控制方式一般在鍋爐負荷比較小，控制精度不高的情況下使用。採用三衝量控制可以使系統達到很高的精度，它將汽包的液位作為主迴路，把鍋爐產生的蒸汽流量乘以相應的係數和主迴路的輸出作為副迴路的設定值，給水流量作為水位調節的副迴路，構成三衝量調節。採用兩個PCS 7標準功能塊FB61可十分容易地實現控制功能，而且控制精度完全滿足用戶系統的要求。汽包的水位在將調節器參數整定為合適的基礎上可以穩定在±4mm範圍之內。

3)溫度壓力顯示功能。PCS7標準功能塊提供模擬量、數字量驅動模塊以及監視顯示模塊，顯示摸塊可在ES/OS進行OS編譯時自動生成塊圖標，同時可在ES/OS修改報警值以及確定是否抑制相應的報警。

4)引風機、送風機的控制。為了混合煤氣在爐膛內充分燃燒，必須對煤氣和空氣進行合理的控制，本系統採用高級預測控制系統以及西門子WinCC．OPC技術。PCS7上位監控系統提供OPC伺服器介面，因此很容易和其他高級編程軟體進行連接。使用PCS7標準庫中的聯鎖功能塊，可實現鍋爐在啟動和停機時的正常運行以及爐膛熄火時的聯鎖功能。

5)該項目的控制難點是除氧器溫度和液位之間的協調控制、汽包水位控制以及燃燒系統的控制。筆者在分析了除氧器溫度和水位對象動態特性的基礎上，首先保證除氧器液位的穩定，將控制器的比例參數調大些，把水位調節精度調高，把除氧器的溫度調節略粗一些，使其在103～106℃範圍內變動，一般設定值給到104℃。汽包水位控制採用三衝量，分析水位的動態特性，給出控制器合適的三個參數即可精確控制汽包水位。燃燒系統採用專家預測系統，這裡不做詳細敘述。

五、結束語

該項目於2004年10月在安陽動力廠進行現場調試，通過烤爐、烘爐、煮爐等階段的調試，設備於11月初開始正式點火運行，控制系統運行平穩，各項控制指標均達到用戶要求的範圍之內。特別是除氧器液位和溫度控制，在該廠其他鍋爐控制系統一直由操作工進行手動控制，本系統完全由系統自動控制，使用戶非常滿意。汽包水位控制穩定，系統聯瑣功能可靠，在冶金行業鍋爐控制系統中有很好的推廣和應用。該系統由動力廠供應科、計控車間、熱力二車間於12月23日正式驗收，驗收人員一致認為系統達到設計要求，且完全滿足系統的工藝技術指標。用戶對我公司的控制技術水平給予高度的認可，而且對西門子PCS7控制系統給予很高的評價。

六、應用體會

1)西門子PCS7系統體現了全集成自動化的思想，具有橫向集成、縱向集成、系統靈活和可擴展、面向未來等強大功能。其硬體組態、網路組態以及程序設計十分方便和簡單。特別是PCS1標準庫中的技術塊在編譯時可在OS自動生成塊圖標，如PID塊圖標，藉助其在線趨勢曲線調節PU!參數很直觀。由於AS使用CPU 414-4H硬體冗餘系統，在線調試程序和修改程序，部分編譯剝下載完全可以不影響系統運行，十分靈活。同時PCS 7標準庫提供了豐富的功能塊，用戶可在10喇圖形編輯器任意組合，產生所需控制程序。但系統在調試當中也遇到了一些問題。由於AS C_PU;<jl用的型號是6ES7 41-4-4HJOO-OABO，RAM集成的存儲器只有384KB用於數據、384KB用予葙序，存儲空間比較小。又由於PCS7標準庫中的驅動塊佔用很大的程序存儲空間。當運行中CP~I內存空間超過90%時，在線修改程序將有可能引起系統停機，為了避免該現象的發生，在編程時聾定要注意用戶的程序所佔CPU RAM空間的大小，或在系統選型時要有充分的考慮。 

2）本人曾經使用過日本歐姆龍PLC系統，C200H，C1000等，採用中心機架和擴展機架方瑚使用梯形圖和語句表編程，程序運行方式採用OB1循環運行，與西門子公司的結構化編程相比缺翊很大的靈活性。西門子的結構化編程可以把控制系統根據工藝要求劃分成不同的各個功能單元t，期后編製許多功能或功能塊程序。程序瀏覽和調試時比較方便，調試時可以分別調用某一功能塊藩碡使用歐姆龍系統則必須插入BE指令。另外西門子系統的網路功能十分強大，整個系統可以包括il場匯流排FROFIBUS DP、車間級匯流排PROFIBUS FMS、廠級匯流排工業乙太網和廠級管理匯流排檬翻乙太網。同時西門子公司的產品的現場抗干擾能力也較強。

參考文獻

1．Simatic s7-400可編程式控制制器

2．Siemens PCS7使用手冊

3．Siemens工業通訊及現場設備

4．Siemens WinCC操作手冊

作者簡介：

張喜東，男，高級工程師，1989年畢業於瀋陽工業學院計算機及應用專業，一直從事工廠自動化和過l自動化工作，涉及的行業包括冶金、化工、電力、物流輸送、水處理等。對自動化不但有很深的理論基礎女識而且有豐富的現場調試經驗。現服務於中科院自動化所北京三博中自科技有限公司。地址：中關村東路95號，郵編：100080。

姚永鋼，男，助理工程師。地址：河南安陽鋼鐵集團股份有限公司，郵編：455004。

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