摘要 西門子公司的SIMATIC PCS7 作為一種優(yōu)秀的過(guò)程控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電廠、鋼鐵、化工、能源、造紙等行業(yè)，而且可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余，本文描述該控制系統(tǒng)在某電廠水網(wǎng)――鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵字 PCS7 冗余 應(yīng)用
一、工程概述：
為了給2×300MW機(jī)組的鍋爐補(bǔ)給水提供完整的分布式控制系統(tǒng)，另外還要給原來(lái)機(jī)組1×200MW機(jī)組的鍋爐補(bǔ)給水，滿足整個(gè)電廠鍋爐的補(bǔ)水要求。
本項(xiàng)目采用SIMENS公司SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)的分布式控制和系統(tǒng)正常運(yùn)行。
整個(gè)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)主要包括：清水系統(tǒng)、軟化系統(tǒng)、陰陽(yáng)離子交換系統(tǒng)、二級(jí)除鹽系統(tǒng)、除鹽水箱系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、陰陽(yáng)樹(shù)脂擦洗系統(tǒng)，廢水排放系統(tǒng)、綜合水泵房等，涉及絕大部分設(shè)備的控制和回路控制，所有點(diǎn)均可在SIMATIC PCS7中顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析和控制。
二、系統(tǒng)要求
1．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)
•為新老機(jī)組的鍋爐提供充足的除鹽水；
•提高鍋爐補(bǔ)給水的自動(dòng)化水平；
•實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的高品質(zhì)運(yùn)行，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；
•提高運(yùn)行人員工作效率，滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行全能值班要求；
•提高效益，降低能耗。
2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)思想
1) 功能設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS建成后的自動(dòng)化程度、處理事故能力（報(bào)警、分析、指導(dǎo)、處理等）及先進(jìn)的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設(shè)計(jì)思想。具體如下：
對(duì)象控制
•按工藝流程的自動(dòng)化過(guò)程由DCS系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，達(dá)到能量平衡。
•保障系統(tǒng)安全、可靠、高效運(yùn)行和啟停。
提高鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益
•實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化投入率，提高可靠性，減少誤操作，降低事故率。
完善的操作指導(dǎo)和事故分析手段
•系統(tǒng)運(yùn)行工況可由很多監(jiān)測(cè)參數(shù)反映出來(lái)，當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)異常時(shí)，提供相關(guān)參數(shù)、趨勢(shì)、圖表等高效方式通知運(yùn)行人員及時(shí)處理。
•操作記錄打印、報(bào)警打印、事故追憶打印、周期性報(bào)表等功能，有助于系統(tǒng)日常管理和事故分析。
•高效、便捷的系統(tǒng)在線維護(hù)。
2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS的高可靠性、先進(jìn)性、易維護(hù)、易組態(tài)等為設(shè)計(jì)思想。具體如下：
可靠性設(shè)計(jì)：
•所有部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化。
•控制系統(tǒng)按分層、分散、自治的原則。
•冗余設(shè)計(jì)：通訊總線、電源、I/O總線、CPU均為冗余配置。
•所有I/O模件均為智能化設(shè)計(jì)，采用隔離措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有軟件數(shù)字濾波和消除偶發(fā)干擾的措施。
維護(hù)性設(shè)計(jì)：
•可帶電插拔。
•系統(tǒng)自診斷至通道級(jí)。
•選用模塊化的功能組態(tài)軟件，提高軟件透明度。
擴(kuò)展性設(shè)計(jì)：
•采用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通訊速率100MBPS，主干網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)，個(gè)子站通過(guò)雙絞電纜掛接在主干網(wǎng)絡(luò)上，有極強(qiáng)的通訊擴(kuò)展能力。
•提供與其它系統(tǒng)的通訊接口，如工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS DP或MODBUS。
開(kāi)放性設(shè)計(jì)：
•支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
•標(biāo)準(zhǔn)MIS數(shù)據(jù)接口站，與廠級(jí)MIS互聯(lián)。
•支持SIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
三、PCS7系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
PCS7是一種模塊化的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新一代過(guò)程控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將兩者的功能有機(jī)的結(jié)合在一起。系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái)；所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同樣統(tǒng)一的軟件平臺(tái)。系統(tǒng)大量采用了新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)配置上，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。由于PCS7消除了DCS和PLC系統(tǒng)間的界限，真正實(shí)現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)應(yīng)用范圍變廣，是一種適用于現(xiàn)在、面向未來(lái)的開(kāi)放型過(guò)程控制系統(tǒng)。
四、系統(tǒng)配置與功能實(shí)現(xiàn)
根據(jù)鍋爐補(bǔ)給水的需求和系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性的要求，本系統(tǒng)的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)布置如下圖所示：
從硬件配置上來(lái)看：
1） 冗余服務(wù)器（MS and SS）、操作員站(OS站)、工程師站(ES站)，每個(gè)站都采用臺(tái)灣的研華工控機(jī)。
鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)分為兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)是主服務(wù)器、一臺(tái)從服務(wù)器
服務(wù)器完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)備份等功能，服務(wù)器也是采用研華工控機(jī)。
OS站為操作員提供圖形、列表、操作、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)等，可在打印機(jī)上輸出。運(yùn)行Windows 2000多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的PCS7 OS站應(yīng)用軟件。所有OS站均為全能值班配置，圖像、操作、數(shù)據(jù)一致。
系統(tǒng)配置1套工程師站（ES站），采用成熟、可靠的研華工控機(jī)。
ES站主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、控制塊、圖形、趨勢(shì)、報(bào)表等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成和下裝，完成對(duì)系統(tǒng)的詳細(xì)自診斷和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的列表和后備。運(yùn)行Windows 2000多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的PCS7 ES站應(yīng)用軟件。
2）冗余的CPU414-4H中央控制單元
本自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站的中央控制器采用冗余設(shè)計(jì)，它由2套AS-400型中央控制器組成。它們預(yù)裝有冗余軟件，并通過(guò)一個(gè)通訊接口實(shí)現(xiàn)相互連接。在系統(tǒng)正常的運(yùn)行中，當(dāng)某個(gè)中央控制器出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)中央控制器能自動(dòng)接管所有的工作，保證了系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。因此系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站的AS-400中央控制器具有很好的冗余性能。
AS 的中央處理器采用S7-400 系列工業(yè)控制器中S-414 以上的CPU，專為過(guò)程控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，CPU 芯片的底層程序采用類PASCAL語(yǔ)言編寫(xiě)，為CFC,SFC等過(guò)程控制語(yǔ)言提供平臺(tái)。中央控制器中預(yù)裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時(shí)可完全忽略其冗余特性，像對(duì)非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需輸入用戶程序。
3）遠(yuǎn)程I/O站
每個(gè)分布式I/O站的有源背板總線上插有2個(gè)IM153-2通訊接口模塊 ，分別通過(guò)2條獨(dú)立的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與AS-400中央控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)其中某一個(gè)IM153-2通訊接口模塊發(fā)生故障時(shí)， 系統(tǒng)能自動(dòng)地切換到另一個(gè)IM153-2通訊接口模塊，并可帶電熱插拔更換故障的通訊接口模塊，不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
4）冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)
CP443-1作為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接裝置，在物理層上采用高防護(hù)等級(jí)的通訊線纜，工業(yè)以太網(wǎng)的卡件上帶有CPU可以獨(dú)立處理通訊信號(hào)。高速工業(yè)以太網(wǎng)是在工業(yè)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，將通訊速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太網(wǎng)采用了全雙工并行(FDX)通訊模式，這種模式允許站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊速率可提高一倍。SIMATIC NET 在高速以太網(wǎng)上還采用了交換技術(shù)，利用交換機(jī)模塊將整個(gè)網(wǎng)段分成若干子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)都可以獨(dú)立地形成一個(gè)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)段，可以大大地提高通訊效率。普通以太網(wǎng)上由于網(wǎng)段上數(shù)據(jù)通訊阻塞的存在，使得網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際通訊技術(shù)只有40%，采用了全雙工并行通訊技術(shù)和交換技術(shù)后，使得網(wǎng)絡(luò)的通訊能力得以充分地利用
5）本項(xiàng)目采用6個(gè)過(guò)程控制機(jī)柜：1CP、2CP、3CP、4CP、5CP、6CP，在1CP內(nèi)安裝1套冗余過(guò)程控制器AS414-4H和整個(gè)控制系統(tǒng)的供電電源。5CP中安裝了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。共使用了8個(gè)ET200M遠(yuǎn)程控制機(jī)架安裝各種I/O模塊。所處理信號(hào)如下：
鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)配置
系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)：
根據(jù)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的特點(diǎn)以及I/O點(diǎn)的分布情況，進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：整個(gè)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)分為清水系統(tǒng)、軟化系統(tǒng)、陰陽(yáng)離子交換系統(tǒng)、二級(jí)除鹽系統(tǒng)、除鹽水箱系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、陰陽(yáng)樹(shù)脂擦洗系統(tǒng)廢水排放系統(tǒng)綜合水泵房等、
1）、清水系統(tǒng)
本子系統(tǒng)含有6個(gè)過(guò)濾器，每個(gè)過(guò)濾器有7個(gè)閥門，這樣對(duì)于每個(gè)過(guò)濾器有組操，單操，自動(dòng)操作。以下其他系統(tǒng)也有同樣的操作。
2）軟化系統(tǒng)
本系統(tǒng)含有三個(gè)鈉床，同樣的，每個(gè)鈉床也有組操，單操，自動(dòng)操作。
3）陰陽(yáng)離子交換系統(tǒng)
陰陽(yáng)離子交換系統(tǒng)有三個(gè)，稱為1＃、2＃、3＃陰陽(yáng)離子交換系統(tǒng)，在陽(yáng)離子交換器中注入酸交換陽(yáng)離子，在陰離子交換器中注入堿交換陰離子，生成的除鹽水送入二級(jí)除鹽系統(tǒng)，部分用于陰陽(yáng)離子交換的酸堿稀釋。
4）二級(jí)除鹽系統(tǒng)
5）除鹽水箱系統(tǒng)
6）壓縮空氣系統(tǒng)
7）陰陽(yáng)樹(shù)脂擦洗系統(tǒng)
8）廢水排放系統(tǒng)
9）綜合水泵房
五、結(jié)束語(yǔ)
此控制系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，該系統(tǒng)有效地解決了生產(chǎn)中的很多問(wèn)題，如減少了生產(chǎn)過(guò)程中的突發(fā)故障，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和搶修時(shí)間，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為電廠鍋爐補(bǔ)給水處理創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的。
