PCS7系统

PCS7系统（精选7篇）

PCS7系统 篇1

SIMATIC PCS7依然采用当下比较流行的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面, 利用开放的现场PROFIBUS总线和工业以太光纤网实现生产现场检测点的信息采集和各数据终端的系统通讯, 采用S7自动化系统作为现场自动控制单元实现过程控制, 以灵活多样的离散分布式I/O模块接收现场传感检测信号, 并加以处理最终汇集到CPU中。SIMATIC PCS7采用国际标准的编程思想和现场模块库, 提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场模块库提供大量常用的现场设备信息及功能块, 可有效简化组态设计工作, 缩短程序汇编周期。

1 系统功能

PCS7具有人性化的操作界面及丰富的数据、功能块库, 可以简化程序设计的时间, 并且宏观简单明了, 便于后期维护人员的读写、优化性的更改。整个系统的硬件和STEP7相似, 都是基于现场一一对应的硬件组态, 而系统控制软件全部拟合在SIMATIC程序管理器下, 形成一个比较直接的树形网络层次管理。整个系统的优越性、性价比都达到了一个新的高度, 但是, 比较明显的闪光点是在网络结构的构成上其更具多元化 (即标准工业以太网光纤通讯和PROFIBUS网络DP通讯) 。

在某种意义上说DCS和PLC的控制理念思想狭义上是具有局限性的, 其很难将仪控、电控、液控、检测技术等控制手段恰如其分地有机融合。而PCS7通过冗余的环形10 Mbps光纤 (工业以太网) 相互通讯, 将现场的数据统一供给到S7400的中央处理器, 整个产线所有设备的运行状态和在线数据都将在过程控制系统程序的模块单元和PLC控制室的服务器上显示。

现场网络模式果断采用SIEMENS高速以太网光纤通信模块OSM, 可以有效地减少电磁干扰带来的影响, 并且在信号衰减的问题上我们也不用过多的操心, 甚至在防雷性和抗过压性上较双绞线也有很大的优越性, 总而言之, 在可靠性、安全性上以太网光纤给与现场通讯的是一劳永逸。

PCS7现场控制系统采用带有带电热插拔特性的SIMATIC ET200M离散分布式输入/输出控制系统。ET200M是一种模块化的分布式I/O站, 通过IM-153接口模块、总线连接器与Profibus-DP现场总线连接。基于SIEMENS STEP7地址分布情况, 在ET200M上的分散I/O、计数节点的地址的分布与传统的寻址方式是类似的, 所以在程序汇编时就和编制STEP7语句表程序一样, 而且模块地址可以随意改变, 以迎合调试时的需要。ET200M允许现场控制站中的信号模块在设备运行的情况下插拔, 且不需要停止整个系统, 极大得提高了处理故障的效率。

主系统所有的分布式远程ET200M从站和SIPOS的电动执行机构通过PROFIBUS-DP现场总线与CPU进行通讯, 波特率最高可达12Mbps。PROFIBUS-PA实现了一对双绞线即可完成仪控数据上传及供电。而且可得到更多的现场仪表信息, 减少备件费用等。

2 简要介绍控制系统中的功能图

2.1 连续功能图 (CFC)

CFC是一种用于图形化组态连续自动化功能的工具。通过功能强大的自动布线和集成报文组态, 预定义的块可以在CFC中定位、进行参数化和互连。在生成一个新的CFC时, 可以根据图名生成一个顺序组。所有安装在顺序图中的块可以自动添加到该顺序组。在编译时可对顺序进行优化。根据算法先确定最佳的块顺序, 然后是组顺序 (见图1) 。

2.2 顺序功能图 (SFC)

SFC可用于图形化组态批量生产的顺序控制。每个SFC都具有用于控制和用于状态信息的输入及输出。如果需要的话, SFC可直接在CFC中定位和互连。只需简单的操作, 即可选择所需的CFC块连接, 并连接到定序器的步或过渡点 (见图2) 。

3 过程控制的实现

用冷床区的编组小车的过程控制来讲解一下其功能的实现。起初应检查小车是否符合进行循环的条件 (小车的后退到位和下降到位的信号同时满足) , 在检测到辊道上是钢已经到位的时候, 辊道上的光栅会发出一个信号使得小车的开始进行自己的循环。小车进行循环的第一步是小车升起拖住辊道上的钢材, 上升信号收到以后使小车前进的命令发出, 小车开始前进, 前进的距离为设定值, 由编码器检测实际小车行走的距离与设定值相等的时候停下来, 这时候小车的前进到位信号应该反馈给PLC。接受到前进到位信号的时候小车开始下降, 得到下降到位信号的时候推钢机开始向一段移动齿条上推钢, 推钢机每步行程的大小可以根据钢材的规格在事先设定好, 它还可以根据钢的支数设定它的步数。推钢机走完一步后移动齿条向前走一步, 接下来推钢机开始走第二步, 移动齿条在重复的走一次, 直到推钢机的前进到位信号传给PLC, 然后推钢机返回到后退到位处准备下一次的循环。在小车下降到位信号输出的时候小车开始向起始位返回, 这段距离也是由编码器反馈的。后退到位信号收到的时候这个循环结束, 编码器数据清零。在这个循环里所有检测元件的信号都被分布式远程I/O分站 (ET200M模块) 采集, PLC把命令传达到各个设备上。这些都是通过PROFIBUS-DP现场总线与系统控制器进行通信, 进行数据交换。整个的循环是靠PCS7中的顺序功能图 (SFC) 来实现的。

冷床区的其他循环都是这么按照顺序功能图 (SFC) 的方法编制出来的。其间使用了很多的检测元件, 检测元件对全自动的实现起到了相当大的作SIMATIC PCS7控制系统能把人们用语言描述出来的东西用程序编制出来让其实现。

4 结束语

PCS7过程控制系统的优越性是异常明显的, 通过很多同行企业的实践已经得到了证明。简便的组态, 快速、准确、平稳、可靠的操作系统, 并配合好PDA的实时监测可以达到事半功倍的效果。而且基于PCS7的多画面、可批量Wincc操作界面更加便于操作人员的操控, 并辅之以具有录像功能的工业监控摄像系统, 可以随时观察生产过程并记录, 对异常的响应也会更迅速。

摘要：本钢特钢进行大规模技术改造之后, 自动化程度高, 现场控制自动系统采用了SIEMENS的SIMATIC PCS7控制系统。SIMATIC PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术, 在继承S5、S7系列可编程逻辑控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上, 面向并针对所有现场过程控制应用场合的先进过程控制系统。本文阐述了过程控制系统PCS7在本钢棒材线上的应用。

关键词：SIMATIC PCS7控制系统,I/O模块,CFC,SFC

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2003.7, 20-25.

[2]孙海维, 崔世钢.SIMATIC可编程序控制器及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005, 30-91.

[3]唐怀斌.工业控制的进展与趋势[J].自动化与仪器仪表, 1996 (4)

[4]S7-300/400PLC应用技术/廖常初主编.-北京:机械工业出版社, 2005.1.

PCS7系统 篇2

关键词：FMCS,PCS7,HVAC,DP通讯

0 引言

在现代制药生产中, 自动化控制显得尤为重要。自动化控制系统的合理使用会使生产、工作效率大大提高。

PCS7是西门子的DCS系统, 基于过程自动化, 从传感器、执行器到控制器再到上位机, 自下而上形成完整的TIA (全集成自动化) 架构。PCS7是全集成自动化平台, 可以让分散开来的设备或设施实现集中控制, 大大减少人工成本以及人工操作出现的失误, 只需人员定期或不定期地进行设备巡检即可, 其强大的数据采集功能使得报表和数据据趋趋势势分分析析有有了了基基本本的的保保障障。。PCS7的硬件组态操作方便, 连接方式直观。下面笔者对扬子江药业FMCS系统中PCS7的应用展开阐述。

1 扬子江药业FMCS系统详述

FMCS (Facility Management and Control System, 其意为厂务监控系统) 是厂内制造过程中所用的监控系统。扬子江药业FMCS系统共有3栋厂房, 涉及HVAC自控系统、能源管理系统、公用系统等, 采用开放互连3层网络3级分布式的综合自动化系统体系结构。

第1层为综合信息处理层, 网络硬件包括数据库服务器 (实时、历史数据) 、网络打印机等;

第2层为监控网络层, 即各个模块 (口服液车间、固体制剂车间、动力中心、HVAC系统、公用系统、能源系统共5大模块) 的监控系统, 其网络硬件包括1个工程师站、1对冗余服务器、6个操作员站和3套主控制器;

第3层为现场控制总线层, 是各控制系统控制器与I/O设备之间的通讯网络, 其网络硬件包括各个监控系统的控制器、分布式I/O设备等其他网络架构, 如图1所示。

2 基于PCS7的HVAC系统控制要求

其控制画面如图2所示。

2.1 数据采集点

数据采集点包括:空调新风温度、新风湿度、回风温度、回风湿度、冷冻水进水压力、冷冻水进水温度、一次表冷回水温度、二次表冷回水温度、一次表冷后露点温度、二次表冷后露点温度、送风温度、送风湿度、送风风速、送风压力、蒸汽加热压力、蒸汽加湿压力、洁净区室内温度、洁净区室内湿度、洁净区房间压差。

2.2 控制方式

2.2.1 空调模式控制

空调模式分为生产模式、停产模式2种, 其具体选择哪种模式, 取决于生产车间是否安排生产。与停产模式相比, 生产模式下的风机频率较高。

空调同时还设定维修模式, 维修模式启动有2种:空调正常停机时、仪表维修时。在维修模式下, 系统对于传感器检测异常不进行报警。

2.2.2 空调机组的启停连锁控制

启动时: (1) 打开新风密闭阀和回风阀; (2) 在设定的时间内收到风阀打开的状态信号后, 启动送风风机, 各个调节阀使能给定; (3) 启动风机时, 所有输入点故障报警启动, 所有输出点动作。

停止时: (1) 停止送风风机; (2) 关闭新风密闭阀、回风阀, 关闭各个调节阀门; (3) 所有输入点故障报警抑制, 所有输出点复位。

2.2.3 送风风机的启动和停止控制

为符合新版GMP对洁净区压差的要求, 送风风机采用变频器驱动, 根据送风量调节频率, 同时风机具有远程、就地功能, 选择开关置于就地时可以就地启动和停止, 运行状态参数上传至FMCS系统。当选择开关置于自动时, 风机可以在FMCS系统中进行远程控制。

2.2.4 房间温度的控制

采集房间温湿度时仅采集洁净室关键功能房间的温湿度;温湿度监测限于产热、产湿、生产工艺有要求的房间。

房间温度的控制主要是根据二表冷水阀和蒸汽加热阀的分程控制, 当房间温度高时, 先关闭蒸汽加热阀, 再打开二表冷水阀。

2.2.5 房间湿度的控制

房间湿度的控制, 主要有2种情况。当空气湿度比较大需要除湿时, 先打开一表冷水阀门, 如果湿度还是降不下来, 则打开二表冷水阀门;如果房间湿度偏低, 则打开蒸汽加湿阀。

在进行控制时, 一次、二次表冷水阀由温度和湿度2个PID回路分程控制, 阀门开度取较大值。

2.2.6 房间压力的控制

房间压力的控制包括功能间之间压差监测。根据新版GMP要求, 本套系统中压差监测限于有工艺功能间与洁净走廊间压差, 缓冲至更鞋、更衣再到缓冲间的压差, 与非洁净区有连通的功能间与非洁净区间压差, 不同洁净级别有相连的功能间之间的压差。

在空调服务的一些房间里设置压差变送器, 参考点设在房间外公共区域, 并将测量数据传至FMCS系统, 若出现异常, 系统报警, 同时记录下此异常及处理时间。

2.2.7 过滤器的压差开关

在初效过滤器和中效过滤器的两侧均设有1只压差开关, 压差开关可以就地在现场触摸屏显示, 供维护人员日常巡检时观察及进行维护使用。此动作信号同时上传至FMCS系统, 进行报警。

3 基于PCS7的能源管理系统控制要求

基于PCS7的能源管理系统采用MODBUS TCP的方式通过以太网口读取电力仪表的数据, 再以报表形式输出, 以供能源计量与数据分析。其画面如图3所示。

4 基于PCS7的公用系统控制要求

公用系统的监测主要是针对提供公用介质的设备。其数据采集均采用通讯方式进行, 共涉及2种通讯方式:Profibus-DP、MODBUS。

4.1 采用DP通讯的设备

DP通讯设备主要包括:

(1) 臭氧发生器, 现场为S7-200PLC, 通过EM277通讯模块实现与PCS7系统的通讯。

(2) 冷冻机组, 通过专用接口模块实现与PCS7系统的通讯。

(3) 纯水机组, 现场为S7-300PLC, 通过S7-300的DP接口实现与PCS7的通讯。

(4) 纯蒸汽发生器, 现场为S7-300PLC, 通过S7-300的DP接口实现与PCS7的通讯。

(5) 纯化水分配系统, 现场为S7-300PLC, 通过S7-300的DP接口实现与PCS7的通讯。

(6) 压缩空气, 通过英格索兰DP通讯专用接口模块实现与PCS7系统的通讯。

(7) 真空系统, 现场为S7-200PLC, 通过EM277通讯模块实现与PCS7系统的通讯。

(8) 溴化锂机组, 通过欧姆龙DP通讯专用接口模块实现与PCS7系统的通讯。

4.2 采用MODBUS通讯的设备

MODBUS通讯设备主要包括:

(1) 蒸汽累积计算仪, 通过RS-485连接到PCS7系统的CP341模块, 实现通讯。

(2) 电制冷机组, 通过约克MODBUS通讯专用接口模块, 连接PCS7系统的CP341模块实现通讯。

5 基于PCS7的报表系统

系统通过底层SQL server数据库建立的报表功能自动生成每日报表及月度、年度报表, 报表记录了各个关键运行数据, 数据不可更改, 以纸质形式打印保存, 符合GMP对数据真实性的要求。

6 PCS7硬件组态

该硬件组态图如图4所示。CPU盘柜安装于口服液车间, 用于口服液车间的一切控制与数据采集。

采用控制器AS417, 16M, AC/10 A, 9槽机架, 电源PS407 10A, 通过CP443-5 Ext实现两层DP通讯, 通过ET200站实现分布式I/O数据采集与数据输出。空调风机运行变频器有ABB ACS510、Siemens MM430两种型号, 在Options下的Install GSD file选择两种变频器的GSD文件进行安装, 视安装位置不同分别连接于两层通讯网络中。ACS510型变频器组态时, 选择其Order Number/Designation为PPO Type2;MM430型变频器组态时, 选择其Order Number/Designation为0 PKW, 8 PZD whole cons。其余3台S7-300设备CPU也组态于网络中。首先, 在每台CPU硬件程序中Station下选择Export导出其硬件组态, 再在AS01中的Station下选择Import导入S7-300的硬件。将CP443-5 Ext设置为DP master, 将S7-300的DP设置为DP slave, 然后组态传送地址即可进行S7-300与S7-400的通讯。这样能很好地体现数据稳定与共享。

7 结语

PCS7系统作为西门子品牌中的高端应用平台, 在各行中均有应用。该系统的功能在扬子江药业的FMCS系统中发挥得淋漓尽致, 尤其在HVAC系统的控制与公用系统的通讯上表现得更出色。其强大的功能为厂务设施设备的正常运转奠定了坚实的基础, 也使在设备维护岗位上辛勤工作的人员提高了工作效率。又因其具有高容量、易于扩展的特性, 从而在以后的使用过程中有了精益求精的空间。同时, 本套系统的多种功能符合新版GMP的要求, 因此将成为医药企业工业自动化应用的首选方式。

参考文献

[1]赵卫东, 刘和平, 辛宏, 等.S7-400和西门子Micromaster430的Profibus-DP通讯[J].有色金属加工, 2009 (10)

PCS7系统 篇3

1 除氧器与上水流量控制

1. 1 除氧器液位控制

在锅炉系统中,除氧器的主要作用是除去锅炉给水中的氧气和其他不凝结气体,保证给水品质。若水中溶解氧气,会腐蚀与水接触的金属,威胁设备的安全运行; 同时,热交换器中若有气体聚积,将增加传热热阻,降低设备的传热效果。除氧器也具有储水作用,当软化水的供给出现故障时, 除氧器中的水可以起到缓冲作用,不至于使锅炉立即断水,造成锅炉水迅速蒸发,以致锅炉干烧、爆炸,造成安全事故。

为了保证除氧器能够为后序工艺提供符合要求的水,必须保证其除氧功能。在除氧器单元,除氧器的流出量是不能控制的,液位的控制只能从流入量的控制来考虑,且除氧蒸汽冷凝对液位的影响不大,因此除氧器的液位控制采用单回路控制。将液位变送器检测出来的值与设定值的差值传至液位调节器,经液位调节器的处理后输出控制量给调节阀,从而调节流入量使液位稳定在设定值。为了除去软化水中的溶解氧,除氧蒸汽的流量应随软化水流量的变化而变化。

1. 2 上水流量控制

上水阀是上水流量的主控制阀,其控制效果将直接影响后续的控制效果。未进入正常工况时,上水流量往往采用旁路阀手动调节,目的是做到小流量上水,使锅炉能够均匀接收水量,以免因受力不均匀而导致锅炉损坏。正常工况时,锅炉的上水流量是受最终蒸汽量控制的,根据物料守恒原理,上水流量应和锅炉系统最终输出的蒸汽量的一致。锅炉系统最终输出符合要求的蒸汽量往往是不固定的,而是根据客户或下一工序的需要而作调整。

上水量的符号定向图( SDG图) 如图1所示, 影响上水流量的主要因素是用户所需的蒸汽量, 因此选择用户所需的蒸汽量为控制变量,上水流量为被控参数。考虑到过热蒸汽流量不可控,且由于空气流量存在脉动,被调量反应太灵敏会出现激烈跳动,因此需采用阻尼器进行滤波,滤除高频脉动,保持控制系统平稳。由于总上水阀受蒸汽流量控制,反应比较灵敏,在刚开车时为了缩短时间,从安全等方面考虑,选择总上水阀为快开特性的气动调节阀,且为气关方式。

1. 3 除氧器压力控制

水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气将直接威胁设备的运行安全,为了防止事故发生,保证良好的除氧效果,需要对除氧器压力进行控制。除氧器压力主要由蒸汽产生,在液位保持稳定的情况下,除氧器压力与除氧蒸汽流量有关,进入除氧器的蒸汽流量越大,除氧器内部的压力久越大。除氧器压力响应速度较快,时间常数不大,一般不采用微分作用,但要求除氧器压力消除余差,因此引入积分作用,采用比例积分PI控制器[4]。

图2是基于PCS7的锅炉控制系统除氧器压力控制连续功能图,测量的蒸汽流量值通过驱动输入除氧器压力控制,除氧器压力控制器的输出通过驱动传给压力调节阀,通过反馈控制方法控制除氧器压力。PCS7中CTRL_PID( FB61) 块是连续型PID控制器,用于给定值控制、串级控制和比例控制,工作模式为手动、自动或者跟踪,可以单独激活或取消比例、积分和微分作用。CTRL_ PID块中GAIN是比例,TN是积分时间常数,TV是微分时间常数,PV_IN是过程值,SP_EXT是外部输入/程序输入的设定值,SPEXTHLM是外给定SP的高限,SPEXTLLM是外给定SP的低限。SPEXON_L是程序里选择SP内给定 / 外给定的开关,AUT_L是程序选择手动/自动的开关。LMNR _IN是PID输出的反馈,LMN是PID调节输出, ER是偏差SP - PV,NM_LMNHR是PID调节输出高限,NM _ LMNLR是PID调节输出低限,NM _ PVHR是过程值PV的高限,NM _ PVLR是过程值PV的低限。

2 锅炉挡烟板控制

挡烟板的控制效果对炉压和排除烟气的含氧量有影响,直接关系到生产安全和减排、环保指标,且炉压与排除烟气的含氧量之间存在耦合关系,如风量直接影响炉压,同时又影响烟气排除时的含氧量。

挡烟板环节的SDG图如图3所示,图3中烟道挡板的开度主要影响炉压、烟气含氧量及烟气温度等,出于安全考虑,应首先考虑炉压的稳定, 选择炉压作为烟道挡板处的被控参数。烟道挡板作为炉压的主要控制单元,保证了炉压的稳定,即生产安全。同时在燃油系统中要很好地解决烟气含氧量的问题,由于燃油系统中风量和燃油的比值K并不是一成不变的,而是根据烟气含氧量来确定的,当烟气含氧量偏高,K值就适当地减小, 当烟气含氧量偏低,K值就适当增大,以保证烟气含氧量在要求范围之内,使燃料充分燃烧。因此, 选择烟道挡板开度作为控制变量来控制炉压。

炉膛压力控制单元主要通过调节烟道的引风量将炉膛压力控制在设定值,保证人身、设备的安全和锅炉的经济运行。由于空气流量存在脉动, 被调量反应太灵敏会出现激烈跳动,因此采用阻尼器进行滤波,滤除高频脉动,保持控制系统平稳。炉膛压力是送风量与引风量之间平衡关系的反应,为了提高控制质量,对炉膛压力的主要扰动 ( 即送风量) 进行前馈补偿。炉膛压力控制方案采用前馈 - 反馈控制回路( 图4) ,为了保证安全, 在紧急情况下全开烟道挡板。前馈控制支路主要起到加快调节的作用,前馈调节器控制规律选择P调节; 为保证精度和稳定性,反馈控制回路的控制器选择PID控制规律。

3 过热蒸汽压力 - 燃料流量串级控制

过热蒸汽压力是蒸汽供需平衡的标志,通常随需求的变化而变化。在锅炉控制系统中,为了保证过热蒸汽压力稳定,满足下游生产设备的工艺要求,需要对其进行控制。蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动,当这两项主要干扰波动较小时,可以采用蒸汽压力控制燃料量的单回路控制系统; 而当燃料量波动较大时, 为了使过热蒸汽压力稳定在目标压力,必须保证燃料能够充分燃烧,释放出足够的能量,可以采用串级控制系统。在过热蒸汽压力串级控制系统中,过热蒸汽压力控制回路为主回路,过热蒸汽压力是主被控变量; 燃料流量控制回路为副回路,燃料流量是副被控变量。过热蒸汽压力 - 燃料流量串级控制系统中,副控制器不需要有微分作用,因为有微分作用时,一旦主控制器和输出稍有变化, 调节阀就将大幅度变化,不利于控制。副回路是一个随动系统,副回路的给定值随主控制器输出的变化而变化,为了能快速跟踪,副控制器最好不带积分作用,因为积分作用会使跟踪变得缓慢[5]。过热蒸汽压力 - 燃料流量串级控制系统CFC图如图5所示。

图5中PT1104是过热蒸汽压力,FT1103是燃料流量,V1104是燃料管线调节阀。将两个CH _AI块、两个CTRL_PID块和一个CH_AO块分别从PCS7 Libraries中拖拽到CFC图表编辑区,将两个CH_AI块分别改名为过热蒸汽压力PI1104和燃料流量FI1103,将两个CTRL_PID块分别改名为PIC1104和FIC1103,将CH_AO块改名为V1104。将CTRL_PID块、CH_AI块和CH_AO块的相应变量互相连接,同时为CH_AI块和CH_ AO块组态外部I / O。

PI1104的CH _ AI块的输出 变量V与PIC1104的CTRL _ PID块的输入变量PV _ IN相连,FI1103的CH_AI块的输出变量V与FIC1103的CTRL_PID块的输入变量PV_IN相连,PIC1104的CTRL_PID块的输出变量LMN与FIC1103的CTRL_PID块的输入变量SP _EXT相连,FIC1103的CTRL_PID块的输出变量LMN与CH_AO块的输入变量V相连。PI1104的CH_AI块的输入变量VALUE关联位号为P1104的硬件地址,FI1103的CH _ AI块的输入 变量VALUE关联位号 为F1103的硬件地址,CH_AO块的输出变量VALUE关联位号为V1104的硬件地址。

4 SMPT-1000 锅炉控制对象

SMPT-1000锅炉对象支持6种控制方式: 手操、内控、模拟量信号、Profi Bus DP、OPC和程序控制。通过流程盘台底端提供的Profi Bus DP接口, 与支持Profi Bus DP通信协议的外部控制器SIMATIC PCS7进行数据交换。

SMPT-1000使用泓格i-7550模块对外提供Profi Bus DP通信接口。 若要使SMPT-1000与PCS7通信成功,需对泓格i-7550模块进行数据发送机制和定义发送字节数量设置。泓格i-7550模块在系统设置的输出模组中,利用首字节QB0取值的变化触发数据发送机制,发送字节的数量在第3个字节QB2中定义。

QB0的数据每变化一次会发送一批数据到i7550模块,因此可以使QB0的最低位Q0. 0按照0→1→0→1→…的规律变化,从而触发数据发送机制。例如系统设置输入模组的第3个字节IB2用于存放接收计数,其最低位I2. 0的值按照0→1→0→1→…的规律变化。可以在CFC中添加一个DI模块和一个DO模块,DI模块的外部输入取地址I2. 0,DO模块的外部输出取地址Q0. 0,DI模块的输出端连接到DO模块的输入端。

SMPT-1000发送的字节数量为30,如在变量表中添加变量QB2,将修改值修改为B#16#1E,即十进制30。变量表在组件视图的文件夹中添加。

5 OS 组态操作功能

Win CC是可视化的组态软件,包含在单个或多个站操作中快速实现从简单到复杂的可视化任务,是编辑操作员站( OS) 的软件平台。自动化系统( AS) 用于开环或闭环控制过程,OS从AS读取过程值,在过程界面中以图形的形式显示这些值。在SIMATIC管理器中组态完所有数据后,Win CC项目管理器开始组态OS数据前,需先编译OS,使OS了解所有来自SIMATIC管理器的数据 ( 如变量、消息、文本、硬件和连接组态) 。工厂操作员可在组态软件的运行模式下在OS上操作并监视过程。

6 结束语

根据SMPT-1000锅炉的基本工艺要求,将PCS7应用于锅炉控制系统设计其基本控制方案。除氧器液位采用单回路控制,上水流量采用旁路阀手动调节,除氧器压力采用比例积分PI控制器,炉膛压力控制采用前馈 - 反馈控制方案,过热蒸汽压力 - 燃料流量采用串级控制。SMPT-1000锅炉控制对象采用泓格i-7550模块对外提供Profi Bus DP通信接口,利用QB0触发数据发送机制, 在QB2中定义发送字节数量。应用OS组态操作功能实现锅炉系统的监视和控制。实践表明该系统具有良好的人机交互界面,很好地实现了锅炉系统的控制。

参考文献

[1]杨宣进,刘晓宇.循环流化床锅炉吊挂管短期爆管原因分析[J].化工机械,2012,39(1):91~95.

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[3]郑君娜,李从江.西门子SIMATIC PCS7系统在连蒸控制系统中的应用[J].轻工机械,2008,26(5):46~49.

[4]齐飞.SIMATIC PCS7在混合液体分离系统中的应用[J].自动化技术与应用,2008,27(5):63~66.

PCS7系统 篇4

多晶硅是一种重要的工业用中间原料, 它是集成电路产业中生产晶元、太阳能电池基板的原材料, 对一个国家的能源与信息化有举足轻重的意义。近年来我国新建的多晶硅工厂工艺技术包多用西门子法, 其工艺流程如图1所示。

1 系统控制方案

某年产2250t微电子级多金硅项目采用西门子PCS7自动控制系统, 分为4套DCS过程控制系统, 1套紧急停车SIS系统, 10台上位机为工艺人员提供实时监控数据, 2台冗余服务器为上位机提供实时数据, 1台中央归档服务器实现历史数据的保存与查阅, 2台工程师站 (一台为DCS系统组态, 一台为SIS系统组态) 。DCS系统总线为100Mbps的工业以太网光纤环网, 上位机终端总线采用100Mbps普通网线组成环网, 交换机为西门子SCALANCE X212工业以太网交换机。该项目DCS/SIS系统共配置3对AS-417H冗余容错控制器和1对AS-417FH安全冗余容错控制器, 并配有1台A3幅面激光打印机。系统结构如图2所示, 分为3层:

(1) 控制器层:通过现场总线实现对现场仪表监测信号和控制信号的连接。

(2) 系统网络层:实现所有控制器与上位机服务器、工程师站的连接, 以及控制器与控制器之间的连接。

(3) 终端网络层:采用双绞线电缆, 标准TCP/IP协议, 传输速率高达12Mbit/s, 通过ET200上的IM153接口模块与控制器互连, 实现对现场信号的采集、指令的发送、与控制器的通信。客户机操作员站通过服务器获得控制器层的数据并将操作员指令传达到控制器。

1.1 CFC连续功能图

CFC编程软件具有模块化、一次编程多处使用等特点, 工程师不用为每种设备编制专门的程序, 大大减轻了工作量, 缩短工程设计时间。典型的CFC图如图3所示。

首先, 需在symble table中定义现场信号线的具体位置, 该位置明确了与硬件联通的物理位置与软件位置, 如图4所示。

然后, 在已定义好的库中选择相应的CFC模块建立程序, 双击scale管脚设置量程PV_In Uni可设置单位。

功能模块包括:PV_IN模块, 用来接收从现场来的4~20m A输入信号, 并将其转化为量程范围内的实数型数据;SEL_AQRT模块, 如果现场差压变送器等需要进行信号开方运算, 将Mode管脚置为1, 如果同时需要将负信号直接输出为零, 置为2;AMON模块, 负责将CPU的数据上传至Win CC中去, 可定义量程、报警值、死区、延迟时间等值。

在CFC中, 在运行顺序域, 可以显示块的运行状态, 如图5所示。

1.2 HMI系统

采用Win CC软件设计操作员控制和监控系统, 可以实现多倍配置和图像组织。采用图片树管理器实现流程和组织画面显示, 系统操作员可以快速地调出包含故障位置的视图。

操作员控制模式显示分为3个不同的区域, 如图6所示。

操作员站允许数字量和模拟量的趋势组显示, 在同一个趋势图内最多可同时显示10个趋势点。操作员任意可以修改X轴 (时间长度) 与Y轴 (监测值) 的显示范围。

2 系统实施

该套自控系统在投运过程中, 遇到了许多工艺上的难题, 如外方提供的急停联锁范围资料不全, 工艺人员因对生产细节理解不透彻、对加料顺序控制步骤描述不明确等, 给控制软件的编程组态带来了很大影响。不过, 由于SIMATIC PCS7采用符合IEC 61131-3国际标准的编程软件和现场设备库, 提供标准的连续控制、顺序控制及高级编程语言SFC, 当工艺出现变更需求时, 系统工程师总能稳定、准确地将程序修改到工艺人员期望的效果。系统清晰、简洁的界面风格使工艺人员能够快速上手, 历史数据的保存、查找也十分方便。最新版的Win CC还增加了历史数据Excel表格导出功能, 能将保存的历史数据按时间点生成CSV文件, 质量分析人员可以更清晰地观测、分析每个时间节点的生产情况, 进而找出生产问题, 提高产品质量。

3 结语

系统自生产试运行以来, 累计安全无故障生产达7个月之久, 得到了用户的肯定。

在今后的生产建设实践中, 应积极探索新的机柜布置方式, 如在现场放置防爆机柜或在生产车间附近建设小型远程机柜间等, 使分布站点尽可能靠近生产现场, 充分发挥ET200M系统的分布式特性, 这样可大大节省信号屏蔽电缆的铺设及接线。在可靠性方面, 可以采用双重化或三重化光纤通信的办法, 以降低设备干扰, 提高系统的可靠性, 降低施工成本, 缩短工期, 避免不必要的浪费。

参考文献

[1]彭瑜, 何衍庆.IEC61131-3编程语言及应用基础[M].北京:机械工业出版社.2010

PCS7系统 篇5

炉渣处理作为炼铁工艺中的一个环节有着十分重要的作用, 不但影响着企业的经济效益, 同时也是对环境的一种保护。本炉渣处理工艺采用INBA法, INBA法水渣处理工艺, 是将渣水混合物经转鼓脱水后由皮带运出的处理方法。具体来讲, 炼铁后的熔渣与铁水分离后, 经渣沟进入熔渣粒化区, 水渣冲制箱喷出的高速水流使熔渣水淬粒化冷却, 经水渣槽进一步粒化和缓冲之后进入转鼓内的水渣分配器, 然后均匀分配到转鼓过滤器中, 转鼓过滤器为一旋转滚筒, 其周边配置金属滤网和金属支撑网, 水渣在转鼓下半周处滤去部分水后, 被叶片带走, 并边旋转边自然脱水。当转至转鼓上半周时, 渣即落到伸入转鼓内的运输皮带上, 经此皮带和分配皮带送至成品槽内储存, 最后由卡车运出。工艺流程框图如下:

2 水渣系统设备及控制方案

INBA系统主要由水渣槽下部结构、水渣分配器连接管、水渣分配器、脱水转鼓等设备组成。主要设备:脱水转鼓及其辅助电传动系统。

2.1 转鼓控制

脱水转鼓的旋转由配备有变速箱的变速调速电机和链条传动装置来实现。电机由变频器实现调速控制, 为了便于维护, 转鼓还设置有定速辅助电气传动装置。转鼓的辅助传动包括一台电机、一个齿轮箱、一个有限位开关的机械联轴器和一个有转矩限位的液-流联轴器。

2.2 输送及储存系统

本系统主要控制设备:成品槽摆动溜槽、排料阀、振动器、及其出口阀、胶带机、排出胶带机、转运胶带机及各胶带机吹扫阀。

2.3 粒化水循环系统

本系统主要控制设备:粒化泵、粒化泵出口阀、粒化泵出水联络管电动阀、冲制阀、底流泵及其出口阀、热水泵、热水泵出口阀、热水泵出水联络管电动阀。

2.4 冷凝水循环系统

本系统主要控制设备:冷凝泵、冷凝泵出口阀、冷凝泵出水联络管电动阀、冷却塔风机。

2.5 补充水系统

本系统主要控制冷水池串级水补水管电动阀、冷水池工业新水补水管电动阀、加压泵、加压泵出口阀等设备。

2.6 事故水系统

本系统主要控制设备:事故水气动阀、事故水箱补水电动阀、干渣坑供水泵及其出口电动阀、干渣坑串级水补水管电动阀、干渣坑工业新水补水管电动阀、干渣坑送水渣池管道电动阀、干渣坑供水管电动阀、排水坑排水泵等设备。

2.7 高压清洗水系统

本系统主要控制设备:转鼓水清洗阀、成品槽清洗水阀。

2.8 压缩空气系统

本系统主要控制设备:转鼓压缩空气清洗阀、胶带机吹扫阀。

以上多个系统中, 涉及的控制对象主要是阀门, 水泵, 也就是对电机进行控制, 所以控制方式主要采用现场-集中两种, 现场控制在现场操作箱上进行选择和操作, 且现场控制直接通过继电器实现控制不经过PLC控制。集中控制由现场操作箱选择却在集控室进行操作, 它又可分为手动和自动两种, 手自动的选择是在炉前集控室的CRT上进行, 通过PLC进行控制。

3 系统方案设计及PCS7在其中的应用

3.1 系统结构

3.1.1 硬件组成

水渣生产控制系统的硬件主要为:1个西门子SIMATIC400站、2台操作员站计算机、2个西门子CP1613网卡。由于水渣生产是一个过程控制系统, 不涉及到精确的运动控制, 所以SIMATIC400站主要由1个电源模块、1个CPU、1个工业以太网通讯接口模块和数量不等的ET200M、模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块组成, 没有诸如位置模块的特殊功能模块。

3.1.2 软件组成

水渣生产过程控制系统的软件包括:Windows XPprofessional2002sp2英文版操作系统和西门子PCS7编程软件。

3.1.3 网络结构

3.2 PCS7在其中的应用

过程控制系统在功能分配上是分级式层次结构 (下转第98页) 的, 低层次是基础自动化级 (又叫L1级) , 高层次是过程控制级, 在本系统的网络结构中, 基础自动化体现为AS和OS (即自动化站和操作员站) :

在本系统的AS站构建中, PCS7作为集传统DCS和PLC控制系统优点于一身的先进过程控制系统, 拥有统一的硬件平台和软件平台。其中S7-400处理速度快, 系统资源裕量大, 通讯能力强, 性能可靠稳定, 所以在本系统中, 为了实现要求的全部功能, 采用S7-400系列控制平台来实现INBA的基础自动化控制。它由CPU、电源、通信卡以及各种输入输出卡件组成, 可以执行设备运转及工艺设备的自动调节, 从而实现电气仪表设备的自动控制。

在本系统的OS站构建中, 使用Windows XPprofessional2002sp2英文版操作系统, 安装了PCS7的各类组态软件, 其中的Win CC平台作为HMI上的监控软件。集成于PCS7中的组件Win CC是西门子公司基于PC的人机界面软件系统。从面世以来, 用户就对Win CC印象深刻。独立于工艺技术和行业的基本系统设计, 模块化的结构, 以及灵活的扩展方式, 使其不但可以用于机械工程中的单用户应用, 而且还可以用于复杂的多用户解决方案。Win CC集生产自动化和过程自动化于一体, 实现了相互之间的整合。Win CC提供了所有最重要的通讯通道, 用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器的通讯, 以及如PROFIBUS-DP/FMS/DDE和OPC等非专用通道。通过WINCC的使用完成了水渣生产过程中的设备操作及生产数据和报警信息的显示记录。过程控制级, 主要完成生产过程优化控制、操作指导、数据处理和存储, 与上级管理计算机及其它计算机之间的数据通信。根据要求, INBA系统的L1控制系统需与COREX主系统进行通讯, 同时要在炉前建立一个集控室。为实现炉前集控室和COREX中控室对INBA系统的监视和控制, 过程控制系统和HMI系统之间采用冗余的100Mbps TCP/IPEthernet/IP网络进行连接, 并使用OSM作为接口设备进行数据传送, Ethernet/IP是基于生产者/消费者 (Producer/Consumer) 技术, 提供高性能、分布式工业控制网络, 提供高速实时的大容量数据交换, 从而大大提高了系统的可靠性和数据的实时性, 为HMI系统服务器和操作站之间以及和过程控制系统之间的大量信息数据的交换提供通道。

4 结束语

PCS7控制系统可靠性高、运行稳定, 同时具备较强的诊断功能, 不仅提供系统诊断, 而且提供智能设备诊断运行, 极大地提高了劳动生产率, 有效地解决了生产中的很多问题, 如减少了生产过程中的突发故障, 缩短了生产准备时间和抢修时间, 减少了工人的劳动强度, 为INBA法水渣生产创造了可观的经济效益和社会效益, 达到了节能、降耗的目的。

参考文献

[1]仇彬.INBA法渣处理工艺在梅钢4#高炉的应用[J].甘肃冶金, 2010.

[2]西门子自动化专家论文集 (2004) .

PCS7系统 篇6

1 工艺简介

浮法玻璃厂联合车间总体上可分为热端和冷端。主要根据玻璃的温度而划分(如图1所示)。

热端分为熔窑、锡槽和退火窑。在热端,玻璃的温度在80～1 550 ℃之间。玻璃的温度随着玻璃的熔化、成型、退火逐渐降低。玻璃在离开热端前成为连续的玻璃带。

冷端玻璃表现为常温。在冷端主要实现对玻璃的切裁、分片和架装。

熔窑:碎玻璃按一定的比例混合其他原料通过投料机投放入熔窑中,经过重油燃烧加热,使其熔化为玻璃液。熔窑部分分为熔化部,澄清部、工作部。碎玻璃及其他原料在熔化部熔为液态,在澄清部排出气泡,在工作部均化。

锡槽:玻璃液从熔窑流出,进入锡槽。锡槽里充满熔融的锡液,利用锡液的比重大于玻璃液的原理,使玻璃液漂浮于锡液上平滑的流过锡槽。同时对玻璃的厚度,宽度进行控制。锡槽是玻璃产品的成型设备,通常所说的浮法玻璃由此而来。

退火窑:离开锡槽前,玻璃表面温度降低到600 ℃左右,逐渐表现为固态。在整个退火窑中,玻璃板进一步冷却,由于玻璃本身的应力特点,在退火窑区温度的衰减要根据严格的曲线完成。

2 控制系统结构

2.1 结构如图2所示

整个控制系统由2套AS构成,为417-4H。

熔窑部分的AS主要实现了对油路,气(风)路,并使用了Y-LINK建立CPU与控制玻璃液面、窑压、重油及助燃风的西门子智能操作器SIPART DR19间的通讯;玻璃液位及窑压得控制。

在锡槽和退火窑的工段,使用了Y-LINK建立CPU与控制N2、H2保护气体的西门子智能操作器SIPART DR19间的通讯;并且通过WINCC与全自动拉边机(西门子S5)通讯。

2.2 上位机网络

工程师站(ES)、操作员站(OS) 的地址:

2.3 MAC地址分配

CP443-1及CP1613的MAC地址分配如下:

2.4 硬件配置

DCS的配置满足下述I/O点数的要求且并留有10% 的余量。

3 换 火

在浮法玻璃的生产工艺中,换火是非常重要的一个概念。

在窑头的中线,以玻璃液的流动方向为视线方向,将熔窑分为左右两侧。换火指在玻璃生产过程中,左右两侧分别依次烧火。在玻璃的生产中,左右两侧同时烧火(简称对火)对玻璃的质量,熔窑的寿命都有很大的损耗,所以是严格禁止的。正确的控制应为一侧烧火,另一侧排放废气;一段时间后对调。

图3为换火的简单时序图。当左火结束时,启动一个“锁定”信号。在这个锁定信号复位以前的这段时间内,熔窑内左右两侧均不烧火。但此时系统记录下左火时相关工艺参数(如油阀、助燃风阀的开度等)当换向结束后,系统将输出上次右火燃烧换向前的相关工艺参数(如油阀、助燃风阀的开度等),然后再调节到动态的平衡,同理右火换左火亦然。

换火的重要性并不仅仅是概念上的。由于在换火的过程中,熔窑内会出现燃烧——停火——燃烧的过程,从而对整个熔窑的工艺自动化控制产生极大的扰动。要想对控制对象有精确的控制,就必须把换火控制作为一个熔窑控制的核心程序来处理。熔窑部分的所有控制回路都受到换火的影响,是整个项目中的难点之一。

4 典型控制回路

4.1 带补偿的PID流量控制

该控制回路可以实现基本的PID回路控制,并可添加补偿量的计算。

输入输出卡件出现断路,需要稳定输出,保持断路前最后时刻的输出值,并把PID控制切换到手动。并且后面所有的回路控制都要求此功能。这样可以保证当现场的测量制出现断路时,PID的输出保持稳定。

当需要对测量值进行温度及压力补偿时,可依据下面的公式。

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式中,F、P、T为测量值;P′、T″为设计值 (见孔板计算书);P0为一个大气压,101.325 kPa;T0为绝对零度,273.15 K。

4.2 油路控制

该控制回路与助燃风回路一起构成一个标准的随动控制系统,控制油的流量有两种手段:总油分配、单个小炉设定。按外方工艺要求在PID控制回路中要做油风的双交叉限幅控制。

在换火的过程中,当换火开始时,“左换右”或者“右换左”的信号触发 “锁定”的信号为1,存储当前PID的输出值。然后PID回路在“锁定”状态时锁定油阀为一很小的开度,截至阀关闭,直到“锁定”信号变为0。

“存储”的目的是在换向结束后,PID的输出回到上一次的这一侧燃烧时的结束值,从而最大限度的减小了PID的扰动。

4.3 玻璃液位控制

该控制回路基于标准PID控制回路,加以附加功能实现了玻璃液位的调节。玻璃液位测量元件为压力传感器,通常测量值为非线性值,首先需要做线性处理。

当系统启动换火后,触发“锁定”数字量信号,回路进入“锁定”状态,输出保持不变。这是因为在换火过程中,玻璃液位由于熔窑压力的波动可能会出现偏差,所以在换火过程中锁定PID输出不变。

该回路同时有两路输出,分别为两台变频器的频率设定值,对投料机的速度进行控制。

玻璃液位计位于熔窑的末端,检测范围在-3.00～+3.00 mm之间,精度为0.01 mm。当液位高于设定值时,投料机频率降低,减少投料,反之则增加投料。

4.4 助燃风控制

该控制回路与油路控制在一起形成一个标准随动控制回路,需要对测量值进行温度及压力补偿时,可依据公式1。按外方工艺要求在PID控制回路中要做油风的双交叉限幅控制。

在换火的过程中,当换火开始时,“左换右”或者“右换左”的信号触发 “锁定”的信号为1,存储当前PID的输出值。然后PID回路在“锁定”状态时锁定油阀为比换火开始时的开度大一定比例的开度,因为助燃风再换向时还可以起到吹扫的作用,直到“锁定”信号变为0。

“存储”的目的是在换向结束后,PID的输出回到上一次的这一侧燃烧时的结束值,从而最大限度的减小了PID的扰动。

助燃风由风管吹入,紧靠油枪。由于熔窑内温度维持在1300度左右,重油经雾化喷入熔窑即开始燃烧。

每一个油路都会有相应的助燃风调节回路,也就是说每一个油枪都会有一个助燃风阀用来调节风量。

4.5 窑压力控制

此回路为一标准PID控制回路。

在换火的过程中,当换火开始时,“左换右”或者“右换左”的信号触发 “锁定”的信号为1,存储当前PID的输出值。直到“锁定”信号变为0。窑压的解锁要按照工艺要求,在控制时序上作程序上的处理。

在PID为自动且启动“锁定”信号后,之所以使PID的输出产生变化是因为,熔窑在经历燃烧——停火——燃烧的过程中,起初窑压是稳定的,但在停火后,窑内温度会有小幅下降,窑压会有所下降。再次燃烧时,随着温度的上升窑压也有所上升。由于窑压的波动会非常的明显。理想的情况时,在换火的过程中,使PID的输出按照一定的规律变化:即在换火过程的初期可以减小输出,到后期则增大输出。

PID的输出作为主烟道闸板的调节信号。在窑压高时,闸板打开,加速排出窑内热气,降低窑压;窑压低时,闸板关闭,阻止热气排出,使窑压升高。

4.6 序、通讯及画面组态

1)连续控制-CFC:CFC(连续功能图)是西门子PCS7处理自动化和控制功能。这些功能在CFC编辑器中以图形块的形式表示;CFC编辑器中,可以使用具有预制功能的功能块,只需将这些功能块放置在功能图中,互连功能块并分配参数即可。本项目中除换火时序控制的程序外,全部采用CFC编程,其中自己编写了一些特定逻辑、运算功能的功能块,如换火时记忆PID当前输出值的功能块、做系统与智能调节器通讯并实现无扰动切换的功能块、作定时累积计量的功能块等;同时还可以利用系统的一些功能块来实现特定的目的,如自定义报警上传时用MESSAGE块,可以很方便的实现自定义报警的注释、显示与分级管理等。

2)顺序控制-SFC:SFC意思为顺序功能图Sequential Function Chart,在此项目中,换火程序是用SFC做的,以下几个难点被克服:首先是手动、半自动、自动的状态转换在硬件上只有一个按钮,并且左右侧换向总时间不变的情况下左右时间可调(一侧增加时间则另一侧自动减少或手动设定),还要做到切换时当前动作与时序都要正常延续。其次是换向过程中油、风、气之间的相互连锁与解锁关系(重油的换向是单个小炉换向)。再其次是要求换向的主要步骤间的时间可调(即关油-换闸板-开对面的油之间时间可调)。还有增加了富氧的换向。

3)与西门子S5 PLC(拉边机用)的通讯是通过专用的卡件及授权软件实现,用WINCC读出S5变量然后组态画面,并用WINCC中报警管理器与HORN管理器对报警进行声、光及分级管理;与西门子智能调节器DR19通讯并实现无扰动切换实现起来较为困难它涉及到数制的转换、采集,输入、输出的控制,通讯状态字的读取与定义,最麻烦的还是换向锁定时PID块的输入、输出管脚与其它功能块已经有连接,还要与DR19的测量、切换块作许多逻辑上的选择连接,还有由于DP网络对字节的限制,还要转移设备并做两个AS站的通讯。

4)此项目的OS类型为单用户结构,画面的组态严格按照原外方组态的思路进行,自行设计了许多功能块画面,对权限也做了严格的设定,并用WINCC中报警管理器与HORN管理器对报警进行声、光及分级管理。

5 结 语

PCS7产品功能强大。硬件可选模块类型多,大多数设备厂商均提供Profibus通讯协议的接口。外接其他第三方设备非常方便。

PCS7的持续开发性好。基于PCS7的平台,可以不断的升级软件。并且升级非常便捷,要做好相应的Library(库)进行导入就可以使用了。

PCS7使用比较灵活,可以根据需要制作新的功能块。制作功能块的语言丰富。这样在实际项目的操作中,如果进入一个全新的行业,可以在前期根据行业的自身特点,开发相应新的功能块。而且这种功能块可以在其他类似项目中沿用,并且升级改动非常方便。这样可以迅速在某一个行业建立比较完善的数据库,迅速在该领域形成一定的技术优势,对后续项目的承接和实施都有很大的好处。PCS7在资源配置方面较有优势。如在CFC中,可以把一些不需要快速刷新的数据放在扫描周期相对较慢的OB中,而把需要快速响应的数据放在扫描周期快的OB中。这个功能是其他DCS厂商不具备的。

总之,PCS7体现了西门子全集成自动化(TIA)理念,即将所有的过程自动化应用在一个单一的平台上,提供统一的自动化技术,从输入物流,包括生产流程或主要流程以及下游流程,直到输出物流。PCS7包含通用HMI、通用工程设计、控制硬件及网络技术,采用基于S7平台的硬件设备,满足了TIA跨应用领域的通用硬件设施的理念;它系统地利用了通用的ET200系列I/O,通用的Profibus以及以太网通讯,通用的配置、工程设计和操作员界面以及一个独立统一的自动化数据库。

PCS7系统 篇7

SIMATIC PCS7是SIEMENS公司结合先进的电子技术、网络通信技术、现场总线技术、图形及图像处理技术、计算机技术和先进的自动化控制理论,在S5/S7系列可编程控制器及TELEPERM 系列集散控制系统的基础上,面向所有过程控制应用场合开发的先进控制系统[4]。系统既采用了DCS 的系统构架,拥有一个全局数据库,又利用了PLC 的硬件平台,是一个先进的全集成(TIA) 自动化控制系统。

1 SCR工艺流程

选择性催化还原脱硝原理是在催化剂的作用下,喷入气氨把烟气中的NOx还原成N2和H2O,还原剂以液氨为主。催化反应器置于锅炉之后,其工艺流程如图1所示。

SCR烟气脱硝系统分为两部分, SCR区(反应器、催化剂及氨喷射器等)和液氨存储与供应区(氨压缩机、液氨储罐、蒸发器、缓冲罐、稀释槽、废水泵以及废水池等)。液氨由液氨槽车运送,利用液氨卸料压缩机将其送入液氨储槽,再经蒸发器蒸发为气氨,通过缓冲槽和输送管道进入锅炉区,与空气均匀混合后由分布导阀导入SCR反应器,气氨进入SCR反应器的上方,通过喷雾装置和烟气均匀混合后,通过反应器内触媒层进行还原反应,并完成脱硝过程。

2 工程概况

我国某自备电厂2×300MW机组安装两套脱硝装置。采用SCR工艺进行烟气脱硝,设计长期脱硝效率不低于80%。每套脱硝装置对称布置两个催化反应器,分别处理每台锅炉省煤器出口的两路烟气,不设省煤器旁路和反应器旁路。

脱硝系统按工艺及设备布置划分为1#锅炉SCR区、2#锅炉SCR区和公用制氨区,控制系统相应设置1#、2#两套完全相同的脱硝热控系统和公用的氨站系统,大约有720个I/O点,其中模拟输入信号123点、模拟输出信号22点、热电阻信号88点,信号类型有4～20mA、1～5VDC和热电阻等;开关量输入信号323点,开关量输出信号162点;控制对象有阀门、电机及PID 执行机构等,基本包括了过程控制系统中的所有典型设备,是一个复杂的控制系统。

3 硬件配置

系统按照功能分散、物理分散的原则采用分层分布式结构,设有3个现地控制站,其中1#、2#锅炉脱硝系统各1个,氨站公用系统1个。各现地控制站与上位机系统通过光纤构成以太环网。

3.1 现场控制站(AS站)

每个现场控制站由一套PCS7 AS414-4-2H冗余控制组件和若干个ET200M分布式I/O站组成。每套S7-400H组件包括一个UR2-H安装机架,两个电源模块(PS407 10A),两个容错的控制器(CPU414-4H),4个时钟同步子模块,两个工业以太网通信模块(CP443-1)。该组件预装有冗余软件,在系统正常的运行中,当其中一个CPU出现故障时,另一个CPU能自动接管所有工作,保证系统正常运行。每个ET200M分布式I/O站有两个IM53-2冗余接口模块和若干个信号模块。对于氨控制站还另配有彩色触摸屏1块,通过Y-Link连接器与冗余的主控制器通信,实现氨站现场的监视和控制操作。

3.2 上位机系统

上位机部分设有一台工程师站、两台操作员站、两台冗余的服务器和一台OPC服务器。

工程师站为戴尔工业型计算机,内装千兆以太网卡和CP1613工业以太网卡。安装有PCS7 V7.0软件用于组态,如硬件配置、网络组态、顺控程序开发、数据库建立维护、画面编辑修改以及完成对其它站的组态和下载等工作。

操作员站硬件配置与工程师站基本相同,但无CP1613工业以太网卡。操作员站和服务器以C/S模式运行,安装WinCC运行版。1#、2#炉烟气脱硝的监控制功能分别在1#、2#脱硝操作员站上实现,公用氨站的监控制功能在两台操作员站上实现。

服务器采用西门子机架式工控机SIMATIC Rack PC IL 43,内置两块CP1613工业以太网卡,安装WinCC服务器版。两台服务器互为热备,提高系统的可靠性,实现数据实时采集、交换、传输和生成数据库,保存历史数据,并作为数据归档服务器。

OPC服务器为DELL PowerEdge 2800,主频3.2GHz。OPC服务器将脱硝系统的过程数据,以统一标准化的接口提供给电厂主DCS,SIS等外部系统。

3.3 网络配置

整个系统自上而下分为3层通信网络:终端总线层(Terminal Bus)、工厂总线层(Plant Bus)和现场总线层(Field Bus),网络结构如图2 所示。

终端总线层——由交换机构成物理星型逻辑总线式的标准以太网络,用于操作员站、冗余服务器、工程师站和OPC站之间的数据交换。

工厂总线层——由西门子工业以太网交换机SCALANCE204-2构成光纤环网,把服务器和工程师站上的CP1613和3个现场控制站上的CP443-1连接起来,实现服务器、工程师站与各控制站CPU之间的通信。SCALANCE交换机具有冗余环网管理功能,任何一个节点断开都不影响到网络的正常运行。

现场总线层——PROFIBUS-DP现场总线是一种高速、经济的设备级网络,数据传输速率为9.6kb/s～12.0Mb/s,带有令牌总线和主从模式的混合访问机制,用于现场控制站的CPU主站和分布式ET200M从站之间的数据通信,实现现场信号的采集和处理。

4 主要控制功能

系统除常规的数据采集和处理、联锁保护功能外,主要通过模拟量控制系统(MCS)和顺序控制系统(SCS)实现对整个脱硝系统的监视和控制。

根据烟气脱硝工艺,本工程MCS系统主要有反应器喷氨量自动调节、稀释风机流量自动调节、液氨蒸发器出料压力调节和液氨加热循环水温度调节。

脱硝系统的关键参数是喷氨量。喷氨量及其控制方式直接关系到电厂NOx排放浓度、装置的脱硝效率及氨逃逸率等指标。喷氨量不足会导致脱硝效率低,出口NOx排放浓度不能满足国家规定允许的要求。但氨过量又会带来环境的二次污染、氨逃逸率超标等问题。对氨注入量的调节必须既要保证出口NOx浓度满足要求,又要保证脱硝效率和较低的氨逃逸率。

4.1 模拟量控制系统(MCS)

本系统的喷氨流量调节采用前馈串级控制,其控制框图如图3所示。该调节采用出口NOx浓度和氨气流量的串级控制,另外叠加氨需要量的前馈控制,以提高系统控制的稳定性和及时性。系统根据实测出口NOx浓度与目标出口NOx浓度间的差值,并加上入口NOx浓度及机组负荷等参数的修正,调节喷氨隔栅氨气的注入量,以实现最终排放浓度满足设计要求。

由于SCR脱硝反应有一个过程出口NOx浓度控制存在延迟,而NH3流量的控制滞后小,反应快,可提前预报NOx浓度的变化。因此构成以出口NOx浓度为主参数,NH3流量为副参数的串级控制系统。系统中有主、副两个调节器,主调节器是定值控制,副调节器是随动控制。主调节器用于维持出口NOx浓度,使其等于给定值;副调节器接受主调节器的输出信号和实测NH3流量信号,副调节器的输出控制喷氨调节阀开度,主调节器的输出作为副调节器的给定值。当出口NOx浓度偏离给定值时,由主调节器发出校正信号,通过副调节器以及其执行器来改变NH3流量,使出口NOx浓度最终达到给定值。在串级控制中,副回路的任务是尽快消除NH3流量的自发性扰动和其它进入副回路的各种扰动,对出口NOx浓度的稳定起粗调作用,副调节器采用P或PD调节作用;而主回路的任务是保持出口NOx浓度等于给定值,主调节器采用PI或PID调节器。

通常喷氨量随着机组负荷等参数的变化而变化。本方案中引入氨基本需求量前馈回路,根据测得的机组发电负荷、入口NOx浓度,利用NH3/NOx摩尔比计算得出氨气的基本需求量:

氨气的基本需求量=烟气流量×入口NOx浓度×NH3/NOx摩尔比

其中,烟气流量随机组发电负荷变化,F1(X)表示机组负荷与烟气流量之间的函数关系;NH3/NOx摩尔比可根据脱硝效率、氨逃逸率计算得到,F2(X)表示脱硝效率、氨逃逸率与NH3/NOx摩尔比之间的函数关系:

脱硝效率=(入口NOx浓度-出口NOx浓度设定值)/入口NOx浓度

由于前馈控制是按扰动变化大小进行调节的,调节作用在扰动发生的同时就产生,而不是等到扰动引起被调参数发生波动后才产生。本前馈控制及时克服机组发电负荷、入口NOx浓度变化等干扰因素的影响。当参数变动时,自动调整喷氨量,增强系统调节的及时性。

本工程每套脱硝装置配置3台离心式鼓风机,两用一备,每个反应器各用一台。如果前两台稀释风机运行时,任一台风机故障跳闸,则连锁启动备用风机。按照GB 536的防爆规定,氨气占整个混合气体的比例小于5%(体积百分比),因此,按照每个反应器的实际氨流量分别计算所需稀释空气的流量,构成稀释风机流量控制的单闭环比值调节回路。其控制框图如图4所示。

该回路包含了一个比值环节,首先根据氨气流量计算得到需求风机流量,根据实际风机流量与需求风机流量间的差值,调节变频器输出频率,以满足稀释氨气的风量要求,最终实现混合气体中氨气体积比例要求。这是1#、2#主用稀释风机的控制,对于备用风机的控制还需加入风机的运行故障状态联锁控制等逻辑运算。

液氨蒸发器出料压力调节为单回路闭环控制,根据液氨蒸发器出料压力与目标运行压力间的差值,调节液氨蒸发器进口阀门开度,以达到控制液氨流入蒸发器的流量,最终实现出口压力维持在工作范围内。

液氨加热循环水温度调节根据液氨蒸发器循环回水的温度,自动调节汽水换热器中加热蒸汽的流量,实现控制蒸发器循环加热水的温度满足设计要求。

4.2 顺序控制功能组(SCS)

本系统主要控制功能组包括吹灰器顺序控制和导流叶片吹扫顺序控制。每个SCR反应器内安装有10个导流叶片吹扫阀和4个耙式蒸汽吹灰器,在每个催化剂层的上面配置两个吹灰器,采用过热蒸汽吹灰,以防止烟气中的飞灰在催化剂和导流叶片上沉淀。

当吹灰蒸汽压力高于1MPa,蒸汽温度高于280℃时,吹灰顺控启动,吹灰器自上而下逐个启动,各层的吹灰时间错开;当吹灰蒸汽压力高于1.3MPa,蒸汽温度高于300℃时,导流叶片吹扫阀顺控启动,吹扫阀由左至右逐个启动。

PCS环境下的CFC和SFC编程组态遵循IEC61131-3标准,简单通用,提供多种分支结构和控制功能库,具有可视化功能,为完成以上控制提供了有力工具。

5 结束语

基于PCS7的烟气脱硝控制系统已在2×300MW燃煤机组中投入使用,其运行效果良好,性能稳定可靠、联锁动作准确、操作灵活方便,为烟气脱硝提供了一种安全、可靠、经济的控制模式。该系统采用了软件冗余、CPU冗余、通信冗余、网络冗余、电源冗余等多项冗余措施,具有可靠性高的特点。在控制策略上,采用前馈串级控制解决了出口NOx浓度难于控制的问题,满足了在各种工况下的脱硝控制要求,具有较强的通用性和推广性。

摘要：以西门子新一代PCS7过程控制系统为基础,阐述了燃煤机组选择性催化还原烟气脱硝自动控制的实现,给出了系统的软硬件配置、主要模拟量的控制策略和顺序控制功能的实现方法。

关键词：控制系统,烟气脱硝,选择性催化还原,PCS7

参考文献

[1]孙克勤.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2]潘维加,邓沙.选择性催化还原烟气脱硝控制系统的分析[J].湖南电力,2009,29(6):20～22.

[3]GB13323-2003,火电厂大气污染物排放标准[S].吉林:吉林科学技术出版社,2007.