西门子DCS系统在焦炉控制系统中的应用

李亚科 王志伟

摘 要：介绍西门子DCS系统在某钢铁企业焦化厂焦炉控制系统中的应用，并对其工艺原理、系统构成、网络结构、系统程序和上位监控进行了阐述。

关键词：焦炉；DCS；工艺原理；网络结构

一、概述

国内某钢铁企业焦化厂引进国外先进的生产工艺技术，建造大型焦炉及其配套工艺设施，采用西门子先进的DCS系统，即PCS7过程控制系统构建其整个焦炉的过程控制系统（简称焦炉控制系统）。PCS7过程控制系统具有可靠性高、稳定性好等优点，保证了焦炉生产的延续性及整套设备运行的稳定性，实现了现场设备的精确、集中监控。

二、工艺原理

某钢铁企业焦化厂焦炉结构为炭化室双联式立火道、燃烧室循环三段高向加热、焦炉煤气地下室下喷、混合煤气开闭器侧入、四装煤孔式的大型智能焦炉。整个焦炉采用焦侧废气烟道结构，仅在炉体地下室平台处设有废气开闭器，负责废气、空气、煤气的交换。当采用焦炉煤气加热时，在地下室用设有孔板的喷嘴调节煤气流量，进燃烧室的空气流量通过废气开闭器顶部的金属调节板调节；当采用低热值混合煤气加热时，空气通过废气开闭器顶部的金属挡板调节单孔燃烧室进空气量，混合煤气通过废气开闭器的煤气入口进入燃烧室内。该焦化厂应用焦炉控制系统主要包括液压交换系统、上升管调节系统、放散系统和焦炉外围系统等。

三、系统构成

焦炉控制系统的部分硬件选用西门子公司的自动化硬件，包括PLC控制器卡件、PS电源卡件和CP443通信卡件等，主要控制卡件均为容错冗余结构。系统所有西门子卡件均具有在线带电更换的特性，并具有卡件状态内部自诊断功能，诊断状态通过卡件的状态指示灯进行显示。系统针对液压交换系统和放散系统中，一部分重要的仪表监测及联锁控制点需要较高级别的安全控制，而现场其他普通I/O点又需要一般逻辑控制的特点，设计人员在硬件选用时分别采用了西门子故障安全型卡件和标准卡件与西门子S7-400H系列DCS配合使用，从而实现了整个系统较高的系统配制，提高了工厂生产的安全性和稳定性。

西门子CPU卡件：双CPU基于事件同步机制，控制器主从关系一热一备，主从控制器进行切换期间为无扰动切换，不影响生产的稳定，确保了系统平均无故障时间在较小的范围内，冗余的总线通信接口卡件支持卡件热插拔而不会导致CPU停机。

该焦化厂应用焦炉控制系统的硬件配置，包括互为冗余的控制器CPU-414H、电源卡件PS407、以太网通信卡件CP443、冗余Profibus-DP通信接口卡件IM153-2、故障安全型I/O卡件以及普通型I/O卡件， I/O卡件配备了安全栅、隔离器进行模拟量信号的过滤与放大；配备继电器进行电气信号的隔离，提高了整个系统的抗干扰性。

终端总线的设备设置了1台工程师站、2台冗余服务器和6台操作员站，工程师站与操作员站配置高可靠的研华工控机，服务器配置西门子工业级服务器，工业以太网以西门子工业级交换机进行环形网络组态等。

四、网络结构

焦炉控制系统通过西门子高速以太网通信处理卡件，将各个控制系统的S7-400H系列DCS连接到整个工业以太网中。整套焦炉控制系统工厂总线配备了西门子网络SCALANCEX-200系列工业级交换机，以连接各控制站、操作员站、工程师站及服务器。

SCALANCEX-200系列西门子工业级交换机具有冗余环形网络管理功能，且可以实现全双工通信并具有网络自适应功能，使整个工业以太网通信速率达到100Mbit/s。网管功能使网络数据的传输更有序、更可靠，能有效的防止网络风暴的发生。环形网络的设计使得工厂总线的网络结构的安全性更高，网络任意一点断开不会影响其设备的正常工作，其网络结构有很好的可扩展性。服务器预留了二级网络的接口，方便向二级管理网络传输生产管理数据。

焦炉的四大机车协调PLC系统同样连接到焦炉控制系统的以太网中，通过焦炉工业以太网和焦炉控制系统建立网络连接，进行数据传输，建立各种联锁关系，保证机车的推焦和装煤动作在安全的情况下进行，从而实现四大机车从装煤、导焦、推焦、熄焦整个工艺流程的全自动联锁监控。

五、系统程序

焦炉控制系统通过西门子PCS7过程控制系统实现全自动控制，其中液压交换系统主程序采用SFC顺序控制语言编写，用于实现煤气交换主流程的步序控制。程序中大量使用CFC连续控制语言完成其他辅助控制功能的逻辑编写，并实现与其他DCS或二级系统进行数据交互的功能。对于现场特殊工艺控制的机泵，在程序设计时，编程人员通过自行编写的FC、FB块进行封装、调用处理。程序中采用了系统安全标准检测驱动块，用于进行工程量的模数转换，并检测现场仪器及设备线路断路、短路等故障，实现了对现场设备的安全控制。

焦炉控制系统运行联锁条件多，工艺控制要求高，对现场仪表信号检测的准确性和有效性依赖较强，当卡件检测到故障安全型通道发生故障时，DCS系统会将受影响的通道或所有卡件上的通道切换至自锁状态；对于具有输出功能的I/O卡件，DCS控制系统则会将系统预设的故障安全值传送给相应的卡件的通道，作为其工艺设备的安全输出值，确保了I/O卡件采集各工艺过程值的准确及卡件的各通道都在安全状态下运行。

焦炉控制系统采用西门子WinCC作为上位监控软件。操作人员通过操作员站的WINCC监控软件可监视焦炉生产过程中各相关设备的运行状态和各个工段工艺的相关参数，对整个焦炉生产有着很重要指导价值。

六、结语

西门子DCS过程控制系统成熟稳定，较好地解决了大型焦炉生产過程中数据的采集及管理、复杂的顺序控制及安全联锁等控制难点，整个系统性能稳定可靠，有很高的推广价值。

参考文献：

[1] 张少忠.7m焦炉DCS集散控制系统介绍[J].机械管理开发，2016，10：115-116.

[2] 李俊.DCS在焦炉集气管压力控制系统中的应用[J].山西电子技术，2012，03：32-33.

[3] 张华平.西门子DCS在沙钢7.63m焦炉中的应用[J].冶金动力，2012，04：90-91.

作者简介：李亚科（1983-），男，汉族，河北邢台人，专科，助理工程师，从事电气、仪表自动化设备维护工作。