西门子PCS 7 V6.0SP1在锅炉控制系统中设计与实现

【摘要】 本文叙述西门子PCS7系统在锅炉供暖和发电控制系统中的应用，文中阐述了PCS7系统控制的硬件配置、软件的编程方法、系统对象的控制理论、控制站AS和操作站ES/OS的变量连接、系统画面的监视和操作。系统采用了西门子PCS 7 CPU热备技术以及环形型工业以太网冗余技术。充分满足了安阳动力厂在供暖以及厂内发电所需的蒸汽。控制先进，控制参数精确，操作简单，在同行业控制领域中有广泛的应用和推广价值。 【关键词】 冗余；PCS7；环形型工业以太网；ESM；ProfiBus；ES/OS；WinCC；OPC . 【Abstract】The article describe the application of Siemens PCS7 in boiler heating and power generation control systems, several parts are included: hardware configuration, software programming method, control thoery of system, variable level interconnection between control station AS and operation station ES/OS, system display monitoring and manipulations. Besides, in order to meet the need of steam in heating and power generation in Anyang Power Station, Siemens PCS 7 CPU redundancy technology and Annular Industrial Ethernet Redundancy Technology(AIERT) are also involved. Generally, since the system has advantages of advanced control method, precise control parameters, and easy-to-operate, there is no doubt that it will have wide applications in control industry and worth recommendation in consequence. 【Key Words】Redundancy ；PCS7；Ring Industrial Ethernet；ESM ；ProfiBus；ES/OS；WinCC；OPC 一、 项目简介. 1． 该项目位于河南省安阳市，为安阳动力厂的技术改造项目，是厂内家属区2004年供暖工程，厂内称其为暖人心福利工程。同时可与其它两台锅炉并网发电，为工厂其它车间提供电能。为了保证职工的正常供暖，必需选用高可靠的控制系统，先进的控制技术，所以企业选用了西门子的PCS 7系统，也就是西门子的DCS。AS站采用西门子公司的CPU 414-4H。安钢动力厂是安阳钢铁公司的心脏和命脉，担负着全公司生产、生活所需水、电、气（汽）的生产供应工作。下设 8 个车间，共 89组分布在安钢的各个区域，具有点多、面广、工种多、技术性强、管理难度大等特点。动力厂生产有三大系列12种产品：1、电（100KV电、33KV电、6KV电）；2、水（地表水、地下水、除盐水、净水、软水）；3、气（混合煤气、蒸汽、压缩空气、净气）。 安钢动力厂有八个生产车间：热力一车间、热力二车间、电气车间、供水车间、空水车间、燃气车间、机修车间、计控车间。1958 年安钢建厂之初就成立了动力筹建组。 1959 年 2月成立了动力部，设有一、二泵站，一、二配电室，锅炉房，软水站等生产岗位。1962年精简下岗下放时，动力部与汽车队合并，成立了水电汽车队，1963年同汽车队分开改为水电队，归机械动力室领导。由于动力系统生产车间和设备逐年增加以及业务范围的扩大， 1970 年又恢复了动力部建制。1978 年经济体制改革时，改为动力分厂， 1985 年改为动力厂。 随着安钢生产规模的不断扩大，动力厂又新上了 220KV 变电站、氧 110KV 变电站、高炉区循环泵站、75t/h 锅炉、汽轮发电机等多个站所，这些站所技术含量较高，很多都是采用国内或国际上的先进技术，这对保证动力产品的生产供应奠定了物质基础。目前动力厂已具备年供电125000 万KWh；混合煤气 65000 万m3；工业水 9400 万m3;软水 226 万吨；压缩空气 21500 万/m3；蒸汽 73 万吨的能力。软件层不再依赖具体的硬件设备层，大大简化了控制系统的开发。 2．本项目为35T/h燃气蒸汽锅炉，系统由四部分组成：燃烧系统、蒸汽产生系统、过热蒸汽系统、除氧给水系统。最终的产品为过热蒸汽。控制系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分。硬件包括控制站（AS）和工程师站或操作员站（ES/OS）。AS站由CPU 414-4H、ET200M、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、现场总线ProfiBus、网络部件ESM、以太网ITP电缆、PCI通讯以太网卡CP1613和两台DELL戴尔计算机。软件部分由两套西门子PCS 7 V6.01包括：PO250/RC 8K 和PO/250/RT 8K以及Win 2000Professional 英文操作系统。 3．现场控制设备如下图1所示：

图2为系统CPU控制柜，图3为整个系统控制柜和ES/OS站。 二、 系统介绍. 1) 锅炉计算机控制系统的目的是产生用户供暖的过热蒸汽或向蒸汽母管提供蒸汽以便供汽轮机发电，整个系统工艺流程是，水通过除氧器加热，除去水中的氧之后，由给水泵和给水阀给锅炉汽包供水。混合煤气在炉膛内与空气进行燃烧，汽包内的水通过水冷壁管在炉膛内循环，水冷壁管内的水通过吸收炉膛内燃烧产生的热量产生汽水混合物，汽水混合物通过汽包的汽水分离系统产生饱和蒸汽，饱和蒸汽通过锅炉燃烧后烟道内余热的二级减温过热气产生过热蒸汽，供给用户。一般把锅炉整个工艺过程分成以下4个系统：给水系统、燃烧系统、蒸汽发生系统、减温减压系统。后面详细介绍各个系统的控制目标和西门子PCS 7控制系统如何实现。 2) 在本控制系统使用的西门子PCS 7系统的产品包括以下产品如表格：

系统所控对象：除氧器的液位、除氧器的温度、除氧给水泵、给水调节阀；锅炉混合煤气流量、空气流量（送风机机的频率）、炉膛负压（引风机的频率）、烟气含氧量、汽包液位、汽包压力、主蒸汽压力和过热蒸汽温度调节等控制。 三、控制系统构成. 1） 整个系统由控制站（AS）：包括硬件冗余的CPU414-4H中心处理单元和5个ET200M从站，采用PROFIBUS-DP现场总线主从结构，通讯速率为1.5Mb/s构成。CPU414-4硬件冗余技术为西门子专利产品，采用容错技术，使两个CPU在工作时实时互相交换数据，当一个CPU做主（MASTER）进行工作时，另一个CPU处于热备冗余状态，一旦主CPU出现故障，热备CPU立即自动运行，处于主CPU进行工作，保证系统在CPU出现故障，系统完全不会出现停机，避免给用户造成巨大损失。PROFIBUS-DP为国际标准的现场总线，它的特点是通讯速率快，最高可到12Mb/s，连接方便，可用西门子公司的专用PROFIBUS电缆通过接IM153口模块进行连接，而且可以完全采用S7-300系列的模块，降低系统硬件的成本。采用这种结构还有利于系统的扩充，PROFIBUS-DP主从系统最多可以形成126个从站。工程师站或操作员站（ES/OS）和AS站之间采用西门子工业以太网交换机（ESM）采用西门子工业以太网和环形以太网冗余技术构成。ESM自动地检测双绞线端口处的传输速率（10或100Mb/s）以全双工工作。ESM还可以通过一条电气线路构成一个环，利用ESM上的冗余管理器，连续监视网络功能。ESM检测环路中的传输线路或ESM的故障，并在最大0.3秒内启动备用线路。保证AS和ES/OS之间的正常通讯。 2） 系统硬件配置图如图4所示；系统网络配置图如图5所示。

系统结构总图如图6所示：

OS站的监控画面如图7、8所示

图7、8分别为安阳动力厂监控系统的总体画面和锅炉启停操作画面。PCS 7 V6.01 版过程控制系统，该系统必须运行在英文操作系统，为了操作人员操作方便，我们对系统的画面进行了汉化处理，使用户操作起来十分方便，可以满足不同知识水平操作人员的操作。 3）采用西门子PCS 7系统，在硬件上不但保证系统的可靠和稳定，同时为用户在以后的系统扩充上也提供了很大的便利。用户在中心主CPU不更改的情况下，可在从站系统上进行系统进行充分的扩充，保证了用户的有效的投资。在软件上采用PCS 7提供的CFC和SFC以及SCL编程工具，对系统的控制对象极易实现。在ES/OS站由于上位监控软件采用的是西门子公司的WinCC V6.0 SP1,该软件提供了丰富的图库，在制作流程图画面时十分容易，而且采用图形树管理技术，画面布置比较方便。安阳动力厂1#锅炉采用航天院自己生产的国产DCS控制系统，该系统稳定性能比较差，I/O卡件经常出现问题，我们在现场调试过程中，厂家还到现场为用户进行系统维护和升级。与西门子PCS 7 系统的性能相比简直相差甚远。 四、控制系统完成的功能. 1） 除氧器液位和温度的控制。为了锅炉正常运行，保证锅炉汽包的正常水位，同时保证供给锅炉汽包优质的水，必须将工业用水在除氧器中除氧，所谓除氧就是将除氧器中的水的温度控制在103～105℃，以及除氧器的液位控制在1.25米，控制精度在�0.5米内。除氧器的温度通过调节蒸汽调节阀进行控制。它和除氧器的液位为相互耦合系统，当蒸汽调节阀动作时，供给除氧器的蒸汽流量发生变化，蒸汽流量加大，除氧器的温度升高，相反液位下降。当水位调节阀加大时，反过来又影响温度下降。在调节的同时又要保证除氧器内的压力不要过大，否则除氧器压力开关阀自动跳闸，除氧器中的水往外溢出。西门子PCS 7提供了连续PID调节功能块FB61,如图9

该功能块是西门子公司为过程自动化提供的典型连续PID块，用户使用它可以构成各种复杂的过程控制系统，如串级、解耦等。在调试过程中只要根据不同对象的动态特性，调节比例、积分