1.1摘要：本系統設計范圍是對普帶鋼分公司普帶鋼廠第一步實施各機組進行能源數據采集、能源消耗管理及統計分析。第一步實施的機組包括：罩式退火爐、普帶鋼熱帶退火酸洗機組、混酸再生站、碳鋼連續式酸洗機組、鹽酸再生站,煤氣站等。
普帶鋼能介計量系統主要采集的介質包括：電、石油氣、氮氣、氬氣、氨氣、煤氣、壓縮空氣、工業水、預脫鹽水、純水、排放廢水、廢酸等。
1.2設備選型
普帶鋼項目機組多，能源介質多，模擬量點最終將超過600點，而且主要為流量測量，為保證計量信號的可靠性和正確性，以及系統編程、維護方便，數據采集子系統采用DCS系統（PKS200）。結合本工程具體情況，該系統除了一般DCS系統的優點外，另有兩大優點適合我們：
·流量計算方便準確
PKS系統組態軟件的標準算法庫可非常方便地對各種氣體、煤氣流量測量的溫度、壓力補償。
除了標準算法庫之外，PKS集散控制系統還支持特殊的算法塊庫，并分別有各自的許可證，如AGA 流量計算。
AGA 流量計算算法庫提供規格化的氣體流量計算方法，基于環境溫度、壓力、和氣體組分等，如：
石油氣孔板測量
氣體渦輪流量測量
雙通道超聲波儀表氣體測量
燃料氣體能量檢測計算
當系統許可證有效運后，運行的流量儀表可以用這些特殊的功能塊組態下裝，方便準確的進行流量測量。
系統允許在線分析儀或離線分析儀提供氣體組分數據到運算的算法中，用以校正由于氣體組分變化而帶來的測量誤差。
·軟件在線修改
由于各個機組能介參數的分布很分散，完整的一套能介計量系統中設置了各個遠程I/O站，因而系統應用軟件現場調試和組態修改調整也將按各個機組、各遠程站分別進行，因此，應用系統軟件必須能在線局部修改下載，并保證一套系統中每一個遠程站在進行調試和軟件局部改動時，不會相互影響，特別是不去影響已調試好的遠程站，不影響整個系統的正常運行。
PKS不論該系統是在線或離線均能對該系統的組態進行修改，并可在線下載。系統內增加或變換一個測點，不必重新編譯整個系統的程序。在線修改或下裝時，不影響沒被改動的部分，也不影響系統的正常運行，在軟件修改后在線下載改動部分時，也不會產生整個系統正常運行部分的短時中斷。
另外，該系統在我公司1100、1120計量站已投入使用。
不同介質采用不同測量儀表
·工業水、生活水、循環水采用超聲波流量計
·脫鹽水、預鹽水、含油廢水采用電磁流量計
·各類堿、酸性廢水采用耐腐蝕超聲波流量計
·石油氣、氮氣、氬氣、壓縮空氣采用孔板流量計
·煤氣采用渦輪流量計
2 能源介質計量系統
2.1系統概況
普帶鋼廠能介計量系統主要包括數據采集子系統，數據采集子系統對普帶鋼廠各機組的能介分類消耗進行實時監測，并將采集到的實時數據進行顯示和短期存檔。
能耗分析子系統通過OPC方式實現與數據采集子系統的通訊，首先接收各機組的能源消耗數據，然后對采集的數據進行匯總統計和按需求進行相關計算和分析，自動生成能源報表；根據歷史數據制定下一周期能介消耗指標，并進行對標分析。
能耗分析子系統同時實現了與產銷系統L3的數據通訊，不僅從L3生產子系統獲取各鋼卷的生產信息，而且向L3能源子系統發送各機組的能耗信息、單卷消耗信息，達到了數據共享的作用。
2.2系統構架
本系統采用三級網絡結構的形式，數據采集系統主要采用Control Net總線結構。現場測量儀表接口方式為I/O，就近接入主站或現場遠程 I/O站內，由DCS進行流量累計和溫壓補正。變電所的電量以通信方式從電度表中獲取，并通過通信處理器后與L1通信，將電量信號傳給L1。L2系統和L1系統采用的是OPC接口方式。L2和L3的接口為標準的以太網通訊接口。
數據采集子系統采用PKS（DCS）系統，系統由控制單元、數據通訊系統、I/O單元和人機接口組成，通過開放的冗余通訊網絡進行通訊。
由于現場各計量檢測點非常分散，遍布廠區各作業線，所以系統采用遠程I/O站的方式，實現快速、高精度的信號采集、集中監視管理，對用戶能耗情況一目了然。
系統共設置2臺操作站。其中1臺操作站兼工程師站。2臺操作站放置在普帶鋼計算機樓能源計量系統機房的操作臺上，另外配1臺打印機。
系統設置1個主控制站，主控制站的設備集中安裝在控制機柜中。控制機柜布置在普帶鋼計算機樓能源計量系統操作室（機房）中。
考慮各現場測量點的分布情況，系統設置4個遠程I/O站。1#站設在罩式爐區域； 2#站設在碳鋼酸洗電氣室；3#站設在減溫減壓站控制室，4#站設在熱帶退火酸洗出口電氣室；。將現場位置比較靠近的分散在各處的測點相對集中的接入主站或附近的遠程I/O站。
系統設備之間通過開放、冗余通訊網絡連接，遠距離的傳輸采用光纖。
在22kV變電所中各輸出饋線設置有電度表，電度表通過RS485方式與電量數據采集裝置通訊，電量數據采集裝置將采集到的電量信息通過MODBUS總線接口與PKS DCS系統進行通訊。
能介計量站L2系統由一臺數據庫應用服務器、一臺管理機及一臺打印機構成。上述設備分別安裝在普帶鋼計算機樓二樓L2機房和操作室內。
能介計量站L2系統的所有設備都連接在計量站的交換機上，數據庫另配一塊網卡接入普帶鋼L2的交換機上。整個L2系統的連接采用屏蔽雙絞線。
系統架構如下圖所示：
設置一套主控制站，布置在能介操作室的控制機柜中，主要由主控制器、I/O單元、通訊單元組成。
主控制器硬件采用 Motorola P603E CPU來構成高性能控制器模件（C200控制器）, 主頻為100MHZ，每個控制器具有2048 I/O能力。它已被國內外石化、化工、冶金、電站等工業領域廣泛采用。是有現場運行業績的、先進可靠的和使用以微處理器為基礎的分散型的硬件。
系統內所有模件均是固態電路，具有標準化、模件化和插入式結構。
模件的插拔有導軌和聯鎖，以免造成損壞或引起故障。模件的編址不受在機柜內的插槽位置所影響，而是在機柜內的任何插槽位置上都能執行其功能。
機柜內的模件均能帶電插撥而不損壞，且不影響其它模件正常工作。
模件的種類和尺寸規格，通用性強，以減少備件的范圍和費用支出。
控制站（包括電源組件）完成下列功能：I/O處理、通訊處理（以太網、RS485/232接口等）、數據采集、各種運算、流量累積、各種控制。
系統模件符合下列標準
耐沖擊能力: ANSI37.90
耐腐蝕能力: ISA–S71.04
過程I/O硬件
各類卡件的精度不低于0.1%， I/O卡為輸入、輸出、通道間、電源間相互隔離隔離型的卡件。
PKS集散控制系統輸入輸出的處理與控制功能的處理是完全分開的。因而I/O的掃描速度完全獨立與I/O的數量、控制器的負載大小、處理能力和報警處理等因素。這種系統功能徹底分散的設計使得控制處理器的先進性能得到最大限度的發揮，輸入輸出的擴展也變得相當容易。在目前全球的集散控制系統中，其硬件的可靠性是最高的，可大大減少用戶的備件的范圍和費用支出。
I/O處理系統是 “智能化”，以減輕控制系統的處理負荷。I/O處理系統能完成掃描、數據整定、數字化輸入和輸出、線性化、熱電偶冷端補償、過程點質量判斷、工程單位換算等功能。
所有的I/O模件都標明I/O狀態的LED指示和其他診斷顯示，如模件電源指示等。
所有模擬量輸入信號每秒至少掃描和更新8次，所有的數字量輸入信號每秒至少掃描和更新20次。
提供模擬量信號的開路和短路以及輸入信號超出工藝可能范圍的檢查并提供報警的功能，這一功能在每次掃描過程中完成。
"智能化"卡件帶模件的調校軟件，自動地和周期性地進行零飄和增益的校正。
單個I/O模件的故障，不會影響其他系統硬件，不會引起任何設備的故障或跳閘。
卡件的任一通道故障，不影響其他通道的正常工作。
所有輸入/輸出模件，能滿足ANSI/IEEE472中“沖擊電壓承受能力實驗導則（SWC）”的規定，在誤加250V直流電壓或交流電壓時，不損壞模件及系統。
在整個運行環境溫度范圍內，DCS整個系統使用輸入/輸出信號的分辨率為14位以上，并均采用光電隔離。
主控制站I/O配置一覽表
共設置4套遠程I/O站。分別布置在各個區域檢測點附近的電氣室中。
每個遠程I/O站布置在各自的機柜中，主要由I/O機架、電源單元、通訊單元和I/O單元。
各遠程I/O站中I/O配置一覽表
其硬件配置：工控機 P4，
可讀寫DVD-ROM，硬盤
2.4 操作站
作為人－機界面，操作站提供豐富的畫面，包括動態流程圖畫面，組畫面，操作畫面，報警畫面，趨勢曲線；所有工藝參數，參數設定都可通過LCD監測和鍵盤操作完成。
PKS集散控制系統采用工業標準的系統組件，如微軟的 Windows 2000 Sever和采用互連網瀏覽技術IE等用戶熟悉的操作環境，并提供給操作人員各種面向對象應用的豐富圖形監控操作畫面-操作員站。用戶只需經過簡單的培訓就可上機操作。用戶可組態的下拉式菜單和工具條方便用戶的使用，簡明易用的系統工具可讓用戶快速獲取所需的內容。
緊急信息通過報警顯示，包括控制器失效、操作員操作信息、控制器運行情況和設備故障情況。報警瀏覽畫面最下面顯示的是最新(或最舊)最高級別且未確認的報警。
系統操作員站的主機均采用主流計算機機型，采用的操作系統為具有通用的并適用于工業化的可靠的操作系統－Windows 2000。
操作員站所有的外設及接口均是通用的，對硬盤驅動器、軟盤驅動器、顯示器、通用鍵盤、鼠標和打印機等均為商業化可互換的。
操作員站上的操作環境均能適應各類大中型裝置過程控制的操作需要，系統通過可組態的安全級別，控制級別和區域分配來維護系統的安全性。對系統安全性的組態可以對每一個操作員或操作站進行，最多有6種安全級別限制操作員的訪問權限和系統的功能。
其硬件配置：工控機 P4，
可讀寫DVD-ROM，硬盤
除有操作站功能外，可對系統組態、編程。系統提供方便直觀的圖形化組態軟件，可以實現用戶所需的各類控制方案。
其硬件配置：工控機 P4，
可讀寫DVD-ROM，硬盤
其硬件配置：工控機P4，
2.5 通訊
主控制站與遠程I/O之間采用冗余的通訊連接，并采用光纖網絡，將可靠快速地采集各能介參數。
過程通訊部分由工業控制網（CONTROLNET）和過程以太網（ETHERNET）組成。CONTROLNET控制網絡，主要用來連接操作站/工程師站和控制器。網絡通訊介質為常規75歐姆同軸電纜。該網絡除了與國際標準的通訊協議兼容外，還在過程控制應用的安全方面對這些通協議作了很大的加強，其最大的通訊距離為
系統采用MODBUS與電量通信處理器通信，以獲得電量實時信息。
能耗分析子系統與能耗分析子系統間的通訊采用以太網，采用工業控制行業的OPC協議。OPC協議(OLE for Process Control)是用于過程控制的OLE,它定義了一個開放的接口，在這個接口上，基于PC的軟件組件能交換數據。
2.6 機柜及操作臺
根據機架的尺寸及I/O卡的數量，選用2200 x 800 x 600的標準機柜，共5個，其中主控制機柜1個,前后開門；遠程I/O站機柜每處各1個，共4個，前開門。
每個機柜內部布置有機架及相應的端子、斷路器、繼電器、線槽、風扇、電源以及信號隔離器等附件。
儀表電纜可直接接入相應機柜的端子上。機柜布置便于維護和檢查、更換，并避免不同信號間的干擾。
配置直流電源（24VDC），提供機柜內的24V直流電源，每一套直流電源都有足夠的容量和合適的電壓，能滿足設備負載的要求。
操作臺1套，設在能介操作室中，能放置操作站/工程師站、打印機等設備。
3 數據采集子系統的功能
3.1 數據采集及處理
對采集的數據進行處理，如線性化、溫度壓力補償、小信號切除、最大值/最小值/平均值的統計計算等。數據采樣頻度按需要設置。對處理后的數據進行記錄、保存、累積。數據記錄、保存，歷史趨勢采用先進先出，流量數據累積采用10位自動循環。設定值修改有密碼保護并有修改記錄，數據累積復位有最高級權限保護。
所有信號均經信號隔離分配器，氣體流量信號溫度壓力補償由測量儀表完成。
·KQ-0001 石油氣流量測量，量程：0～27000Nm3/min
由普帶鋼石油氣調壓站送出0-10V信號進I/O，控制器以每秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時流量值和累積值以及趨勢。
·M-0001 石油氣壓力測量，量程：0～0.3KPa
由普帶鋼石油氣調壓站送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每5秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時值以及趨勢。
另一路送EMS。
·KQ-0003 氬氣流量測量，量程：0～300Nm3/min
由全廠動力管網儀表箱送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時流量值和累積值以及趨勢。
另一路送EMS。
·M-0003 氬氣壓力測量，量程：0～1.0KPa
由全廠動力管網儀表箱送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每5秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時值以及趨勢。
另一路送EMS。
·KQ-0004 煤氣流量測量，量程：0～30t/h
由煤氣減溫減壓站控制系統送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時流量值和累積值以及趨勢。
另一路送EMS。
·M-0004 煤氣壓力測量，量程：0～1.6KPa
由煤氣減溫減壓站控制系統送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每5秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時值以及趨勢。
另一路送EMS。
·FER-0004 煤氣溫度測量，量程：0～270℃
由煤氣減溫減壓站控制系統送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每5秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時值以及趨勢。
另一路送EMS。
·KQ-0005 壓縮空氣流量測量，量程：0～200Nm3/min
由信號隔離分配器送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時流量值和累積值以及趨勢。
另一路送EMS。
·M-0005 壓縮空氣壓力測量，量程：0～0.8KPa
由信號隔離分配器送出兩路隔離的0-10V信號，一路進I/O，控制器以每5秒1次的頻率讀取數據，并儲存在實時數據庫內，在操作站HMI上顯示瞬時值以及趨勢。
另一路送EMS。
3.2實時數據庫
系統實時數據庫提供如下標準的系統結構：
模擬量點結構
狀態點結構
累加量點結構
用戶自定義結構
數據庫里每一個點都有大量的的參數，所有這些參數可通過相應的位號被引用。
系統將常用的訪問速度要求高的數據保存在內存中，而將不常用的訪問速度要求低的數據保存在硬盤上。且系統每分鐘將內存里的實時數據保存到硬盤上，以便系統掉電時，最大限度地降低數據丟失。
本系統可將所有采集的實時數據以不同的存儲時間間隔用瞬時值和平均值兩種格式進行存儲，以作歷史數據的記錄，并可對記錄的數據進行編排處理和隨時調用。時間間隔可由用戶任意選定。目前暫定為：流量歷史數據可1秒；壓力5秒；溫度30秒。在線保存，可保存1個月以上，采用自動歸檔功能可無限地保存所有的歷史數據，歸檔的歷史數據可以存儲在本地硬盤、光盤磁帶機或其他的存儲設備上。
3.3 操作畫面
畫面中管線的顏色按IEC標準或按業主要求在詳細設計中確定。
系統提供下列畫面供操作人員使用
封面畫面，顯示出本項目名稱、編制單位等信息，在畫面的底部設有頁面切換按鈕，分別為等級登錄按鈕、趨勢畫面按鈕、上一頁按鈕、下一頁按鈕、預格式畫面按鈕和累計清零按鈕。
點擊相應按鈕可以進入希望進入的流程畫面, 在本頁畫面上顯示出進入普帶鋼能源介質計量站各流程畫面的操作按鈕，操作按鈕旁邊標注有畫面的名稱.
4.工程組態及畫面：
4.1 PKS管理器
4.2網絡配置方法
4.3 control builder 組態
4.4 Modbus 地址設置
本項目中有電量數據采集，通信通過MODBUS TCP協議進入本系統。PKS系統中地址設置方式如下：
4.5項目畫面
點擊ALARM按鈕進入，或點擊狀態欄的報警域進入。
過程報警和系統報警
PKS系統提供完善的和使用方便的報警管理功能并提供報表。操作員能方便地瀏覽報警信息。系統提供多種工具可以快速查找系統問題
報警瀏覽畫面中的報警可以單獨或按頁確認。在用戶操作畫面，報警也可單獨或按頁確認。標準的點報警行為是當報警未確認且處于報警狀態時，為紅色且閃爍，當仍處于報警狀態，但已確認時，為紅色不閃爍。
5.系統應用功能
6．系統電源
系統采用UPS供電，由計算機樓UPS系統提供一路220V AC
7. 應用總結
由于普帶鋼不銹帶鋼工程生產工藝線眾多，能源介質復雜，通過本系統的應用，加強了普帶鋼廠能源介質管理，對各單元機組的能介消耗和廢水（酸）的排放量進行監視，設立普帶鋼能介計量系統，用于對普帶鋼單元能介進行實時監測及機組能耗計算、鋼卷能耗計算、工序能耗計算，對成本的測算、分析控制和核算及考核做到了高效管理。
作者：馮展國 性別:男 1979.11.04
所屬單位：寶鋼設計院 上海寶山鐵力路2510號電氣自動化事業部,郵編201900。
電話 021-66786678-2261
Cell：13801715090
Mail：fengzhanguo@baosteel.com
專業技術職稱：工程師
畢業學校及所學專業：北京科技大學 電氣自動化
現從事工作：自動控制，三電項目，系統集成，軟件編程
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霍尼韋爾北京辦事處
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