西门子PCS7在印度JSW焦化项目中的应用

赵立新

【摘要】本文介绍了PCS7的概念及特点，采用PCS7设计的焦化控制系统包括AS控制站、工程师站和操作员站三部分，选用工业以太网与现场总线技术结合，完成现场数据采集、控制，与其它过程站的通迅，数据的存贮、归档、显示。印度JSW钢厂应用PCS7系统实现了整个焦化厂的全集成自动化控制，有效地满足了焦化生产的可靠性和连续性。整个焦化控制系统投入使用后性能稳定可靠、操作方便、自动化程度高，焦炭质量和稳定率都得到大幅度提高，降低了煤耗和能耗，提高了生产效率，达到了预期效果。

【关键词】PCS7，全集成自动化，焦化，控制系统

一、PCS7概述

SIMATIC PCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，是以逻辑方式将以TELEPERM系列集散系统和S5、S7系列PLC为基础的系统所获得的经验集中起来并进一步发展而成的[2]。它结合最先进的电子制造技术、网络通信技术、图形图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论，是为适应各种不同工业领域的所有控制任务而专门设计的。它结合了传统DCS和PLC控制系统的优点，将两者的功能有机的结合在一起。它的主要特点有：

◆ 良好的用户界面及强大的系统功能块库，能大大节省系统编程组态的时间和费用;

◆ 系统的所有硬件都基于统一的硬件平台， 所有软件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下， 具有同样统一的软件平台;

◆ 系统大量采用了新技术， 在网络配置上使用标准的工业以太网和 PROFIBUS 网络;

◆ 通过冗余的 10 Mbps 光纤环网（工业以太网）相连接，分别将信号传送至中央控制室， 全厂主要设备的开、停和故障信号都将在过程控制系统和中央控制室显示;

◆ 采用 SIEMENS 高速以太网光纤通信模块 OSM， 大大加强了网络抗电磁干扰的能力， 省去了采用普通双绞线连网所必须考虑的防雷击及过电压保护的措施， 使得控制系统安全可靠， 风险系数大大降低;

◆ 自动化系统的现场控制站采用带有带电热插拔特性的 SIMATIC ET200M 分布式输入/输出控制站，允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下插拔， 而无需停止系统，大大提高了系统的可靠性;

◆ 系统所有的分布式远程I/O分站和低压保护装置、高压保护装置、执行机构、变频器、现场控制器等通过PROFIBUS-DP现场总线与系统控制器进行通信，最高通信速率可达12Mbps。

由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。

二、控制系统设计

1、系统设计要求

为确保生产过程安全稳定地运行，提高控制与管理水平，发挥各装置的最大经济效益，提高劳动生产率，对各工段（装置）的仪表参数采用过程控制系统进行监控。

在焦炉、煤气净化车间分别设置集散控制系统（DCS系统），工艺操作所需要的各种生产过程参数均引至集散控制系统，按功能要求分别进行指示、调节、报警、联锁、积算等监控。各DCS系统间需进行通讯，能够互相访问。备煤、筛储焦、水处理系统采用PLC系统控制。

由于炼焦和化产生产工艺和生产操作比较复杂，仪表控制系统硬件总体配置采用DCS控制系统（部分用小型控制系统）和现场测控仪表相结合的方式较为合适。

DCS控制系统应具有冗余的操作站、网络、控制级CPU、电源及通讯模件，具有较好的开放性、安全性及自診断功能，能与上位机进行通讯。

2、系统总体设计

印度JSW焦化系统中一共包含5套DCS系统，3套PLC系统。其中5套DCS系统分别是1#焦炉本体系统、2#焦炉本体系统、鼓冷系统、煤气净化系统和生化水系统，3套PLC系统分别为备煤系统、筛储焦系统和煤气柜系统。

对于DCS系统，每个系统都有控制站、工程师站和操作员站三部分组成。每个控制站中都包含一个冗余的AS主站，以及数目不等的ET200M远程站，远程站中也采用冗余的IM153-2配置。操作员站和工程师站都采用研华工控机并配有CP1613网卡，操作员站利用冗余连接AS控制站的两个CP443-1卡，实现实时控制。工程师站利用冗余连接对AS控制站组态和调试，实时控制时也可当操作员站。对于PLC系统，没有单独的操作员站，工程师站也当操作员站。

本焦化系统中一共包含8个控制站，8个工程师站，7个操作员站。其中控制站下一共带31个ET200M远程站。

3、网络通讯

工业光纤以太网：采用双环网，具有网络冗余功能负责监控工作站与各现场控制站PLC控制器之间的数据通讯。采用西门子公司的X204交换机实现网络冗余设置。通讯速率： 100Mbps。另外每个环网内配置一个OSM交换机。通过集成的冗余管理器可以实现快速介质冗余。

现场高速数据通讯网：负责DCS控制器主站与从站及DCS与远程分布式I/O之间的数据通讯，选用了Profibus-DP通讯方式，其优点是适合实时性要求高、多个从站设备位置分散、快速周期性数据交换等场合。通讯速率：不小于10Mbps。

4、硬件配置

印度JSW焦化控制系统硬件采用德国西门子的PCS7系统，其中5套DCS系统均为冗余控制系统，支持热插拔。当主CPU由于故障停机时，从CPU无条件的切换成主CPU，对生产不会造成任何影响，而3套PLC系统为非冗余控制系统。对于DCS控制系统，其中煤气净化系统采用AS 417-4-2HCPU组件包，其它四套DCS控制系统采用AS 414-4-2HCPU组件包，通讯都采用CP443-1模块。对于PLC控制系统，备煤和筛储焦系统都采用CPU414，通信模块为CP443-1，而煤气柜系统采用CPU315，通信模块为CP343-1，电源与CPU配套使用。所有I/O通信模件为ET200M，输入输出模块均采用S7-300系列模块完成数据采集及设备控制。

另外，在煤气净化系统（冗余DCS系统）中配置了一个Y-Link，在煤气柜系统（PLC系统）中配置了CP342-5模块，通过这两个模块实现冗余系统和非冗余系统之间的通讯。

三、控制系统软件实现

1、系统总体框架

本系统采用西门子PCS7V7.0英文版软件对系统进行组态和编程。各工程师站和操作员站工控机均预先安装Windows XP Professional SP2英文版系统。为了保证工程师站对操作员站的下载，需要工程师站和操作员站有一个公共用户，同时工程师站需要以该公共用户登陆，操作员站则可以以任何用户登陆。

系统中共包含多个DCS系统，所以设计该项目为多项目，每个系统为一个单项目并有一个AS站和一个OS站。OS站中含有ES和OS，OS采用以ES为参考的方式。即Wincc Application Ref的方式。同时要求该项目含有主数据库，这样可以避免多人同时工作时自定义库的混乱。

PCS7中主要有两种视图环境，分别为组件视图，工厂视图。一般在组件视图中进行项目框架的总体搭建及硬件和网络的配置，程序的编译下载都在组件视图中进行。工厂视图主要是进行项目的内部结构设计以及详细编程。

2、系统软件编程

应用程序采用PCS7特有的功能强大的CFC块进行程序的编制。PCS7中自带的功能块几乎可以实现所有的控制功能。所以本程序中只有少量电机控制采用了自己编制的功能块，其他都采用PCS7标准库中的功能块。采用PCS7自带的功能块进行程序编制时，程序编译后，变量会自动上传到上位机监视程序中，并且会根据所用的功能块自动生成图标，变量会自动连接，节省了大量上位机编程的时间。

本项目根据实际需要，上位机监控程序没有直接使用PCS7自带的图标，而是自己定义了图标。模拟量的控制面板采用了系统自带的FacePlate，而电机的控制面板根据控制要求采用自定义的控制面板。

3、监控画面设计

本系统中画面组态采用PCS7中自带的Wincc实现。在应用程序编制的过程中画面上的变量已經自动产生并连接好，报警也在CFC块编制时一并编制，组态画面时只需要把总体画面按照实际布局情况画好即可。

四、结论

整个焦化控制系统投入使用后性能稳定可靠、操作方便、自动化程度高、焦炭质量稳定率都得到大幅度提高，降低了煤耗和能耗，提高了生产效率，达到了预期效果。通过焦化项目设计、实施，进一步加深了对西门子SIMATIC 自动化产品的了解。全集成自动化（TIA）为现代化企业的生产和管理提供的方便;现场总线技术的应用节约了大量的现场信号电缆，带来的方便的同时也提高了项目的经济效益;西门子全集成自动化控制系统PCS7具有过程控制系统的所有特性和功能，过程控制简单而安全、方便信息网络和现场总线及仪表的集成，设计模块化，系统的扩展性强，是焦化生产过程中理想的集成运行平台。

参考文献：

[1]潘立慧，魏松波.炼焦新技术[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[2]Siemens A&D.PCS7深入浅出[M].Siemens Ltd.，China A&D AS-Beijing，2008.

[3]郑宇.西门子DCS系统在大型焦炉中的应用[J].科技情报开发与经济，2009，7：102-103.

[4]SIEMENS.SIMATIC S7-400 可编程序控制器系统手册[Z].西门子ST 70， 2007.