概述

    廣州水泥廠(chǎng)位于廣州市花都區新華鎮，珠江支流巴江河北岸?？紤]到企業(yè)自身發(fā)展的需要和周邊居民對空氣環(huán)境改善的期盼，廣州水泥廠(chǎng)于2004 年4 月開(kāi)土動(dòng)工遷建，并計劃于2005 年上半年建成投產(chǎn)。該項目總投資10 億元，建成后將達到年產(chǎn)230 萬(wàn)噸水泥的規模。集散控制系統以下對新廣州水泥廠(chǎng)環(huán)保遷建工程項目6000t/d) 集散型控制系統的系統規模、系統功能、操作功能等性能進(jìn)行介紹。

    西門(mén)子公司在此項目上使用的是新一代集DCS 和PLC 的優(yōu)點(diǎn)于一身的集散控制系統PCS7，系統結構如下圖所示。

圖1

    它的主要特點(diǎn)如下：

    ? 徹底打破了DCS 和PLC 的界限由于PCS7 AS 控制站采用的硬件與SIMATIC S7-400 系列高檔控制器相同，這樣就可以使得PCS7 的控制器和S7-400 控制器在硬件上是徹底兼容的, 從而徹底解決了硬件平臺不一樣的問(wèn)題，系統的安裝、維護、管理和備件的問(wèn)題都得到了解決。在硬件統一的基礎上，PCS7 更進(jìn)一步實(shí)現了軟件的統一。在PCS7 的工程師站可以對PCS7 的控制器、操作員站進(jìn)行編程和組態(tài)。同時(shí)，可以將整個(gè)項目有關(guān)的組態(tài)信息，如I/O 點(diǎn)數、I/O 規范( 量程范圍、信號制等)、聯(lián)網(wǎng)設備的地址、現場(chǎng)設備的設置參數( 如變頻器) 等都統一地存儲在一個(gè)唯一的組態(tài)文件中，并且這些組態(tài)信息可以下載到PCS7 的控制器中，當需要更換現場(chǎng)設備時(shí)，可以直接更換，有關(guān)的設備設置信息可以由控制器直接下載到有關(guān)的現場(chǎng)設備中，從而避免設備設置錯誤，減少停機時(shí)間。

    ? 更加方便的組態(tài)工具

    PCS7 的主要組態(tài)工具為CFC( 用于模擬控制的組態(tài)) 和SFC( 用于邏輯控制的組態(tài))，同時(shí)保留了語(yǔ)句表和梯形圖的編程方式。各種不同的編程方式所做的用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)編譯后生成統一的程序塊，經(jīng)過(guò)有關(guān)的OB 塊調用后即可執行。

    ? 完全融合了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

    由于采用了目前市場(chǎng)占有率最高的PROFIBUS 總線(xiàn)技術(shù)，PCS7 既可以支持I/O 站又可以支持其它高速現場(chǎng)設備如變頻器等。所有的現場(chǎng)設備都可以通過(guò)工程師站進(jìn)行組態(tài)、參數設置、監控、診斷等。

    網(wǎng)絡(luò )結構

    采用三層網(wǎng)絡(luò )結構：監控終端網(wǎng)( 普通辦公室以太網(wǎng)10/100Mbps)、系統總線(xiàn)( 高速工業(yè)以太網(wǎng)10/100Mbps)和現場(chǎng)總線(xiàn)(PROFIBUS 12Mbps)。通過(guò)三層網(wǎng)絡(luò )實(shí)現監控終端、監控系統、控制器、工程師站和現場(chǎng)設備的連接。監控系統采用冗余服務(wù)器/ 客戶(hù)機結構。當一臺服務(wù)器故障時(shí)，客戶(hù)機可以自動(dòng)登錄到另外一臺服務(wù)器上。當故障的服務(wù)器修復后重新投入時(shí)，有關(guān)的歷史數據可以自動(dòng)更新到新投入的服務(wù)器中。這樣就可以保證在任意一臺服務(wù)器中時(shí)刻都可以保存著(zhù)完整的整個(gè)系統的數據。在一個(gè)系統中最多可以有12 對互相冗余的服務(wù)器，每對服務(wù)器最多32 臺操作員終端。

    CEMAT

    CEMAT 是西門(mén)子公司專(zhuān)門(mén)針對水泥廠(chǎng)設計的工藝控制軟件，并且在惡劣的環(huán)境中經(jīng)歷多年的驗證。該系統在水泥行業(yè)廣受歡迎，使用廠(chǎng)家數量不斷攀升。西門(mén)子基于對水泥生產(chǎn)過(guò)程工藝的深刻理解，聯(lián)合世界上眾多水泥生產(chǎn)廠(chǎng)家一起設計開(kāi)發(fā)了CEMAT 系統。開(kāi)發(fā)和支持CEMAT 的工程師們在水泥行業(yè)的從事經(jīng)歷可以追溯到35 前。CEMAT 現在是基于西門(mén)子的過(guò)程控制系統PCS7，它為現代的、面向未來(lái)的、經(jīng)濟型的水泥解決方案提供了獨特的、開(kāi)放的系統架構。

    STEP7 程序管理器

    STEP7 程序管理器是SIMATIC S7 系列編程語(yǔ)言，用來(lái)處理變量連鎖控制。STEP7 可以用IEC-1131 標準編程語(yǔ)言(STL，LAD，FBD，CFC，SFC 和SCL) 進(jìn)行編程。在PCS7 中，CFC、SFC 和SCL 作為主要的組態(tài)工具，用于完成傳統DCS 中連續過(guò)程控制任務(wù)的組態(tài)。如果在一個(gè)項目中，有很多離散過(guò)程如聯(lián)鎖控制等，則可采用STEP7 中其它幾種編程語(yǔ)言，很方便地進(jìn)行編程，這是對傳統DCS 系統處理離散控制任務(wù)能力不強的一個(gè)補充。

    CFC

    CFC 是一種簡(jiǎn)潔的圖形組態(tài)工具，它采用了IEC-1131 的標準。使用CFC 有助于節省時(shí)間和費用，同時(shí)大大地簡(jiǎn)化了系統的組態(tài)和維護。用CFC 進(jìn)行組態(tài)時(shí)是以功能塊為基礎的，系統配置了很多預編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現。每個(gè)功能塊都有一個(gè)參數表，可根據實(shí)際工藝要求選擇不同的參數。功能塊在CFC 中的連接直接用鼠標點(diǎn)接。每個(gè)CFC 由6 頁(yè)組成。功能塊之間的連接可以在不同的CFC 之間的不同的頁(yè)面上進(jìn)行，連接標記由系統自動(dòng)標出。因此，采用CFC 可以完成很復雜的大型控制任務(wù)。CFC
主要用于連續過(guò)程的自動(dòng)化控制任務(wù)的組態(tài)。

    SFC

    SFC 也是一種圖形組態(tài)工具，它也采用了IEC-1131 的標準。SFC 主要用于小型的批量操作等順序控制的自動(dòng)化任務(wù)。這種圖形化的組態(tài)工具在組態(tài)時(shí)，首先畫(huà)出順控的順序圖。順序圖中，可選擇順序、并行分支、交替分支和回路等局部結構。圖中用大小兩種方塊分別表示步驟(Step)和轉移條件(Transition)。順控的順序圖一旦建立，只需把步驟中要執行的任務(wù)和轉移條件中的條件寫(xiě)入，順控的組態(tài)任務(wù)即得到完成。在組態(tài)時(shí)，由于很多步驟中的任務(wù)和轉移條件都與CFC 有關(guān)，因此，可把CFC 中的信號引入SFC 中。CFC 與SFC 的交替使用，可以很方便地實(shí)現復雜的順控任務(wù)。
 
    SCL

    SCL 是一種類(lèi)PASCAL 的高級語(yǔ)言，它采用IEC-1131 的標準。利用SCL 可以很方便地編制用戶(hù)功能塊。用SCL視窗控制中心( 簡(jiǎn)稱(chēng)WinCC)操作員站用于對整個(gè)PCS7 進(jìn)行監控。服務(wù)器與控制站之間通過(guò)西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)通訊，服務(wù)器與客戶(hù)機之間通過(guò)普通辦公室以太網(wǎng)通訊。操作員站是通過(guò)WinCC 人機界面軟件對系統進(jìn)行監控。WinCC 是西門(mén)子公司在自動(dòng)化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)、與微軟公司共同開(kāi)發(fā)的、居于世界領(lǐng)先地位的工控軟件。系統帶有標準用戶(hù)界面( 概貌區，畫(huà)面區，按鈕區，趨勢，報警行，面板)，具有分層結構和簡(jiǎn)單導航以及固定區域的多窗口設計，方便用戶(hù)操作，還可以防止概貌區與按鈕區重疊。具有豐富的標準面板，用以控制各種設備和控制策略，如電機，閥門(mén)，PID 控制，步進(jìn)控制等等。報警管理具有屏幕層次及組顯示、回路顯示功能?？梢酝ㄟ^(guò)一次鼠標點(diǎn)擊，直接從概貌區跳到報警畫(huà)面，由操作員決定哪個(gè)報警最重要。

    強大的趨勢顯示功能，每一趨勢最多顯示10 個(gè)標簽，可以縮放，有標尺( 同時(shí)在表格顯示數值)、時(shí)間刻度可調整，趨勢顯示可暫停。顯示畫(huà)面可滾動(dòng)( 前/ 后)，單一Y 軸可顯示所有標簽值(%)，也可選擇使用幾個(gè)Y 軸分別顯示各自標簽值，趨勢圖能顯示和合并在線(xiàn)過(guò)程值和歸檔( 歷史)數值。靈活的用戶(hù)管理。每一操作員/ 組可被分配自定義授權，報警過(guò)濾/ 訪(fǎng)問(wèn)控制由過(guò)程區域劃分，共享自定義功能，可鎖定/ 共享工廠(chǎng)分區，授權訪(fǎng)問(wèn)使用口令或者智能卡，安全功能可應用至每個(gè)操作或者對象。其它一些特殊功能，如智能卡閱讀器用于簡(jiǎn)單和安全的用戶(hù)識別；在過(guò)程畫(huà)面中加入視頻輸入；每個(gè)操作員/ 組能被分配給單獨的功能、區域等的操作授權；帶有DCF 77或者GPS 接收器的中央時(shí)鐘同步；信號模塊報警聲光提示；在線(xiàn)語(yǔ)言切換。

    本工程采用了西門(mén)子公司專(zhuān)門(mén)為水泥行業(yè)開(kāi)發(fā)的CEMAT軟件，使用了融合DCS 和PLC 技術(shù)的PCS7 過(guò)程控制系統，在全廠(chǎng)安裝了分布式現場(chǎng)總線(xiàn)，系統總線(xiàn)采用高速光纖以太環(huán)網(wǎng)。這些先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)保證了工程的先進(jìn)性，并大大縮短了工程實(shí)施中編程和調試的時(shí)間，使工廠(chǎng)得以順利投產(chǎn)并取得了良好的效果。生成的功能塊可在CFC 中被多次調用。用戶(hù)可以把過(guò)程的數學(xué)模型和優(yōu)化控制策略用SCL 編成功能塊，直接下載到控制器中運行。這樣，可以把過(guò)程的優(yōu)化控制放在控制器中，實(shí)現對工藝過(guò)程的優(yōu)化控制。

    工程師站

    工程師站用于對整個(gè)PCS7 系統進(jìn)行組態(tài)，采用了集成的全局數據管理和統一的組態(tài)工具。這個(gè)組態(tài)工具就是SIMATIC 程序管理器，它采用了現代化的軟件體系結構，對項目進(jìn)行管理、處理、歸檔和建立文件。在軟件開(kāi)發(fā)方面，采用了面向對象的技術(shù)。與傳統DCS 系統相比，西門(mén)子PCS7 的組態(tài)直接面向工藝過(guò)程。在SIMATIC 程序管理器下，有多種組態(tài)工具可以使用，無(wú)論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數據都自動(dòng)存到一個(gè)同一的數據庫中。這些組態(tài)工具是：水泥行業(yè)專(zhuān)用工藝控制軟件CEMAT、CFC( 連續功能圖)、SFC( 順序功能圖) 和WinCC 視窗控制中心等。

    操作員站( 簡(jiǎn)稱(chēng)OS)

    所有OS 專(zhuān)用的組態(tài)是用在SIMATIC 程序管理器中的相應工具完成的。流程圖是用圖形編輯程序建立的，動(dòng)作、文檔、記錄和曲線(xiàn)是用組態(tài)方式完成的。報警功能是通過(guò)組態(tài)實(shí)現的，不必多重輸入，同時(shí)CFC/SFC 功能塊中已隱含了報警功能。將AS 的組態(tài)鏈接到OS 中時(shí)，AS 中的圖象塊之間的連接、功能塊的報警和文檔變量都可隱含產(chǎn)生，不需任何附加的配置工作。

    功能塊庫

    采用現成的功能塊庫，可以大大減少工程費用。為了適合各種不同工業(yè)領(lǐng)域的要求，PCS7 預先編制了大量實(shí)用的功能塊，以供用戶(hù)選擇。這些功能塊包括：I/O 卡件、PID回路、驅動(dòng)、傳動(dòng)、電機和閥門(mén)等。功能塊包括了在ES中的CFC 圖形和OS 中顯示的面板。

    數據庫

    SIEMENS PCS7 系統采用具有標準化、開(kāi)放性、性能優(yōu)秀、功能強大的關(guān)系型分布式數據庫平臺作為數據采集、數據處理、數據分析和制造執行系統的數據庫支撐系統。關(guān)系型、分布式數據庫平臺不同于一般的數據庫支撐系統，它能保證系統數據的完整性、一致性和系統各個(gè)部分數據的同步性，具備多種形式的數據查詢(xún)、數據關(guān)聯(lián)和數據索引方式。

    SIEMENS PCS7 系統采用了微軟的SQL SERVER 關(guān)系型數據庫管理系統，該系統能實(shí)現完整的數據管理功能，包括能支持在異種網(wǎng)上提供透明的數據管理，而且應用軟件開(kāi)發(fā)包所集成的SQL_Anywhere 與SQL_SERVER 有著(zhù)非常好的整合性，確保了數據庫的數據完整性。