Siemens PCS7在轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

常發(fā)

(寶鋼集團(tuán)梅山煉鋼廠 設(shè)備室,江蘇 南京 210039)

1 引言

梅鋼煉鋼廠原有2座轉(zhuǎn)爐及其配套設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用Beilay INFI 90 DCS系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)裝置和機(jī)電一體化裝置基本都是采用西門(mén)子產(chǎn)品。由于前期的Beilay INFI 90系統(tǒng)軟硬件版本較低,無(wú)論在綜合性能上,還是備件采購(gòu)方面都存在許多缺陷。所以在上第3座轉(zhuǎn)爐時(shí)一起將另外2座轉(zhuǎn)爐的控制系統(tǒng)全部升級(jí)為西門(mén)子的PCS7系統(tǒng),同時(shí)將整個(gè)轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備相互之間通訊實(shí)行了全局網(wǎng)絡(luò)化,通過(guò)升級(jí)改造后的控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):

1)由于現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)裝置和機(jī)電一體化裝置基本都是采用西門(mén)子產(chǎn)品,所以PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)把現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備與西門(mén)子PLC緊密集成為一個(gè)完整的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全部控制設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)化;

2)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)的輸入輸出點(diǎn)由于采用了ET200和PROFIBUS-DP通信接口,節(jié)省了大量電器元件和電纜;

3)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的連接,實(shí)現(xiàn)了PLC與PLC之間、PLC與HMI之間的快速數(shù)據(jù)通信和交換以及轉(zhuǎn)爐各個(gè)系統(tǒng)間的聯(lián)鎖;

4)開(kāi)放的以太網(wǎng)接口,使全局管理系統(tǒng)變得十分方便;能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制,并且具有分散控制,集中管理,安全可靠,方便維護(hù)的特點(diǎn)。

2 SIAMTIC PCS7在轉(zhuǎn)爐區(qū)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

2.1 轉(zhuǎn)爐區(qū)域PCS7以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐區(qū)域的PCS7系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有2個(gè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng),其中環(huán)網(wǎng)一是由一級(jí)服務(wù)器、客戶(hù)機(jī)和二級(jí)系統(tǒng)接口組成。如圖1所示,具體硬件配置情況為:一套ES工程師站和互為冗余的2臺(tái)OS服務(wù)器,以及每座轉(zhuǎn)爐配置的多臺(tái)客戶(hù)機(jī)。ES站包含所有的程序和畫(huà)面等信息,并且可以在此臺(tái)電腦上完成程序編輯和畫(huà)面組態(tài)的所有工作,包括服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)電腦的組態(tài)等;OS服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)的通訊以及OS服務(wù)器和各PLC的通訊,實(shí)現(xiàn)了操作人員可以在多臺(tái)客戶(hù)機(jī)畫(huà)面上多點(diǎn)監(jiān)控操作控制等,從而更加形象化、直觀地、方便地執(zhí)行生產(chǎn)工藝流程。環(huán)網(wǎng)二是由整個(gè)轉(zhuǎn)爐區(qū)域的單項(xiàng)目S7-400 PLC主站以及一級(jí)服務(wù)器和工程師工作站組成,一級(jí)服務(wù)器都配有雙網(wǎng)卡。如圖2所示,環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)因故斷開(kāi)都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常通訊。這些單項(xiàng)目具體劃分為:轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)、汽化冷卻系統(tǒng)、一次除塵系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)以及公輔系統(tǒng)等。

圖1 客戶(hù)端級(jí)以太網(wǎng)示意圖Fig.1 Client ethernet ring schematic

圖2 P LC級(jí)以太網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic of ethernet ring of the PLC

2.2 硬件組態(tài)

SIMATIC S7-400作為主站,其它 S7-300、各ET200遠(yuǎn)程柜、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)編碼器、智能變頻器等作為從站。主站和S7-300從站間通過(guò)PROFIBUSDP進(jìn)行MS主站輪詢(xún)從站或DX從站發(fā)送數(shù)據(jù)給主站的同時(shí),也發(fā)給其它從站等方式進(jìn)行小數(shù)據(jù)包的通訊。通訊長(zhǎng)度較大時(shí)需要通過(guò)插入S7連接,編寫(xiě)通訊程序來(lái)完成通訊(網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中有相關(guān)說(shuō)明)?？偩€(xiàn)型編碼器或總線(xiàn)控制方式的變頻器,在硬件組態(tài)中只需設(shè)置相應(yīng)屬性,分配總線(xiàn)和I/O地址等即可。多條PROFIBUS總線(xiàn)通過(guò)CP 443-5(Ext)通訊板進(jìn)行擴(kuò)展。這種配置方式通過(guò)一條總線(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備串聯(lián)在一起,節(jié)約了很多電纜,減少了故障點(diǎn)。所有PROFIBUS-DP總線(xiàn)支持的硬件都可以通過(guò)下載并安裝相關(guān)硬件gsd文件即可組態(tài),如圖3中的CAX類(lèi)型總線(xiàn)編碼器,6SE70變頻器,EM277智能站等。一條DP線(xiàn)的兩端必須接終端電阻,否則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊異常,同時(shí)通訊狀態(tài)可以在線(xiàn)監(jiān)控,通過(guò)診斷信息可以很容易地分析出故障經(jīng)過(guò)和原因。

圖3 本體PLC局部硬件組態(tài)Fig.3 Part hardware configuration of the master PLC

2.3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

針對(duì)服務(wù)器和PLC主站間、主站間通訊以及主從站間大數(shù)據(jù)包的通訊連接建立通訊的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置,首先在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中插入PC站代替服務(wù)器,建立與PLC站間的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊配置,選擇通訊協(xié)議并分配相應(yīng)通訊MAC地址或IP地址。主站間通訊以及主從站間通訊需要插入S7連接,其具體通訊對(duì)象,通訊協(xié)議,連接方式等可以靈活設(shè)置。最后在程序中調(diào)用通訊塊完成相應(yīng)數(shù)據(jù)塊的映射即可。網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī),RS485中繼器等不需要組態(tài),可以在局域網(wǎng)中設(shè)置主交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的其它交換機(jī)等進(jìn)行管理。

2.4 程序具體開(kāi)發(fā)特點(diǎn)

集成于西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7中的STEP7的組態(tài)工具集功能強(qiáng)大,其CFC和SFC形象化的程序視圖形式使得設(shè)計(jì)方和設(shè)備方對(duì)編寫(xiě)程序及閱讀程序都比較直觀。與普通的STEP7加WINCC的應(yīng)用相比,PCS7擁有很多具體的程序開(kāi)發(fā)特點(diǎn),在完成本項(xiàng)目過(guò)程中我們使用了以下幾種編程方式。

1)CFC-Continuous Function Chart(連續(xù)功能框圖編輯器)。在PCS7軟件功能塊庫(kù)中集成了很多常規(guī)的邏輯、運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)、控制、操作等功能塊,這些功能塊可以在編程時(shí)直接調(diào)用,通過(guò)互連各個(gè)相應(yīng)的管腳來(lái)搭建合理的邏輯,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制功能。而且特定功能的CFC可以嵌套使用,比如總線(xiàn)型的編碼器的數(shù)值轉(zhuǎn)換,變頻器的故障代碼讀取等。另外可以通過(guò)設(shè)置功能塊的管腳屬性,實(shí)現(xiàn)與WINCC項(xiàng)目的自動(dòng)上傳功能,比如設(shè)置管腳的操作和監(jiān)控屬性可以在WINCC項(xiàng)目編譯時(shí)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)管腳的變量自動(dòng)上傳,設(shè)置管腳的歸檔屬性可以在WINCC項(xiàng)目編譯時(shí)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)管腳的變量自動(dòng)上傳,歸檔等。其中標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)塊已經(jīng)在程序中設(shè)置了相應(yīng)的FACEPLATE功能,可以在WINCC編譯時(shí)生成功能塊統(tǒng)一的圖標(biāo)和FACEPLATE彈出窗體。CFC程序以循環(huán)中斷方式執(zhí)行,程序編制順序并不影響程序的執(zhí)行順序,程序執(zhí)行順序可以根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)的OB中的執(zhí)行順序來(lái)確定。CFC中調(diào)用的FB或FC功能塊可以通過(guò)STL,SCL等編輯語(yǔ)言由編程人員按實(shí)際功能需求開(kāi)發(fā),定義的輸入輸出管腳即在CFC視圖中可視,從而可以很方便的互連。

2)SFC-Sequnce Function Chart(順序功能框圖編輯器)。通過(guò)工藝上的順序控制,生成流程圖式的結(jié)構(gòu),其中順序控制過(guò)程中每一步的執(zhí)行條件都可以設(shè)置,而且對(duì)應(yīng)每個(gè)條件下執(zhí)行的動(dòng)作也可以設(shè)置,包括初始化變量設(shè)置,執(zhí)行后的變量設(shè)置等,進(jìn)行判斷控制。3#副槍連接周期,測(cè)量周期,復(fù)位周期的過(guò)程控制步驟采用了SFC控制。

3)SCL-Structured Control Language(結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)言)。自行編輯滿(mǎn)足自己需要的功能塊。同時(shí)它也可以單獨(dú)進(jìn)行編譯和調(diào)試。SCL語(yǔ)言格式和C語(yǔ)言格式相一致,方便編寫(xiě)。

對(duì)于這些可以選擇的過(guò)程控制組件,它們提供給PCS7項(xiàng)目一個(gè)具有過(guò)程自動(dòng)功能、操作監(jiān)控功能和組件間通訊功能的大環(huán)境。由于不同種類(lèi)的SIMATIC組件是在一個(gè)面向系統(tǒng)測(cè)量,面向點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中執(zhí)行的,因此它的組態(tài)、運(yùn)行和維護(hù)都變得高效。

2.5 WINCC和HMI畫(huà)面

在開(kāi)發(fā)PCS系統(tǒng)中的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC時(shí),CFC程序中需要顯示和監(jiān)控的功能塊在WINCC中都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)控件。若要使用WINCC來(lái)訪(fǎng)問(wèn)自動(dòng)化系統(tǒng)(PLC)的當(dāng)前值,則在WINCC與自動(dòng)化系統(tǒng)間必須組態(tài)一個(gè)通訊連接。通訊將由稱(chēng)作通道的專(zhuān)門(mén)的通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制。所有WINCC變量通過(guò)設(shè)置功能塊的管腳屬性S7-m-c為true或設(shè)置管腳屬性為Archive,并對(duì)服務(wù)器WINCC項(xiàng)目進(jìn)行編譯,即可將對(duì)應(yīng)變量上傳到WINCC項(xiàng)目中的變量管理器或歸檔變量中,就可以作為畫(huà)面動(dòng)態(tài)變量或趨勢(shì)變量使用。相比獨(dú)立WINCC,編程人員手工需將變量逐個(gè)的添加到變量管理器或趨勢(shì)變量中,而現(xiàn)在節(jié)約了很多時(shí)間,而且錯(cuò)誤率大大降低。同時(shí)所有WINCC畫(huà)面都可以在畫(huà)面設(shè)計(jì)器中新建,繪制相應(yīng)圖形,調(diào)用系統(tǒng)圖片庫(kù)中的圖形塊,為對(duì)應(yīng)畫(huà)面添加相應(yīng)變量,所有的畫(huà)面可以在樹(shù)管理器中編排層級(jí)顯示,在OS項(xiàng)目編輯器中設(shè)置顯示分辨率,可視圖形區(qū)域?qū)傩缘?這樣可以對(duì)各個(gè)客戶(hù)機(jī)的圖形顯示層級(jí)進(jìn)行管理,如廢鋼操作室客戶(hù)機(jī)畫(huà)面層級(jí)中只顯示廢鋼的有關(guān)畫(huà)面,其它如轉(zhuǎn)爐區(qū)域氧槍等畫(huà)面不可見(jiàn),不可操作。

另外通過(guò)使用寶信或者奧鋼聯(lián)提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和面板,針對(duì)某個(gè)單體設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)控模式,相比傳統(tǒng)梯形圖所編制的單體設(shè)備控制程序,功能更加豐富。例如對(duì)于電器設(shè)備可以查看哪些啟動(dòng)、運(yùn)行條件不滿(mǎn)足,該設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間,相關(guān)的報(bào)警信息記錄,閥門(mén)的限位和力矩開(kāi)關(guān)狀態(tài)等一系列信息都被集成到一個(gè)統(tǒng)一的FACEPLATE面板視圖中;針對(duì)儀表設(shè)備提供了警告、報(bào)警、切換限值設(shè)置,針對(duì)儀表故障使用替代值功能;針對(duì)調(diào)節(jié)回路實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整優(yōu)化功能等。上述方式更有利于實(shí)現(xiàn)提供給鋼廠所有操作工統(tǒng)一的操作界面,不會(huì)因?yàn)榻M態(tài)人員的風(fēng)格不同而發(fā)生變化。

2.6 工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

轉(zhuǎn)爐區(qū)域的工業(yè)以太網(wǎng)包括兩個(gè)環(huán)網(wǎng):一個(gè)是由現(xiàn)場(chǎng)各系統(tǒng)的PLC S7-400主站,工程師站上裝有的CP1613網(wǎng)卡和服務(wù)器上裝有的CP1613網(wǎng)卡組成的ISO協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng);另一個(gè)是由工程師站上裝有的以太網(wǎng)卡,服務(wù)器上裝有的以太網(wǎng)卡和各個(gè)客戶(hù)機(jī),以及二級(jí)服務(wù)器組成的TCP/IP協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)。以太環(huán)網(wǎng)的主要特點(diǎn)包括:兩個(gè)環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行波特率為100 Mb/s;傳輸距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)間通過(guò)光纖連接傳輸;環(huán)網(wǎng)中指定其中一個(gè)OSM交換機(jī)作為主交換機(jī),負(fù)責(zé)管理其它的交換機(jī)和IP地址。應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐區(qū)域的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)采用的也是一些常用的配置結(jié)構(gòu),各個(gè) DP網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都是ET200從站,DP總線(xiàn)的變頻器通訊板,DP總線(xiàn)式的編碼器,帶DP診斷的RS485以及傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)用到的DP和光纖轉(zhuǎn)換模件SLM等。其特點(diǎn)包括:傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)和光纖,傳送形式為串行位傳送,方式為令牌主從式;通訊距離較長(zhǎng)時(shí)通訊信號(hào)容易衰減,相應(yīng)增加RS485中繼器對(duì)通訊信號(hào)進(jìn)行放大;在一條PROFIBUS總線(xiàn)兩端必須設(shè)置終端電阻,將對(duì)應(yīng)的終端電阻接入和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)打到ON,表示接入終端電阻,OFF狀態(tài)時(shí)表示為DP網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐區(qū)域的PCS7系統(tǒng)應(yīng)用的深入了解,從PCS7在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用角度看:其開(kāi)放性,靈活性的控制特點(diǎn),對(duì)轉(zhuǎn)爐區(qū)域多點(diǎn)操作的非流線(xiàn)型的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行情況的確是一種控制革新。這就要求操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程操作控制時(shí),必須認(rèn)真關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和監(jiān)控畫(huà)面,設(shè)備維護(hù)人員充分利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控畫(huà)面,報(bào)警信息欄信息,操作記錄信息欄等功能,把握生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及分析設(shè)備故障原因等。另外一些系統(tǒng)的控制采用的是外方的設(shè)計(jì),其控制思路因其自身開(kāi)發(fā)的功能塊和圖形庫(kù)以及FACEPLATE圖形塊等而異,畫(huà)面操作習(xí)慣難以適應(yīng),比如脫硫,副槍,一次除塵系統(tǒng)等。后期已將副槍和一次除塵的控制程序和畫(huà)面整合到寶信的主系統(tǒng)中,從操作層面統(tǒng)一規(guī)范了管理;從PCS7本身的設(shè)計(jì)角度,它也存在一些無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際情況的設(shè)計(jì)缺陷,比如CFC圖形化編程很容易更改各功能塊間的連接線(xiàn)或塊位置,導(dǎo)致程序變更,但是不能實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)和在線(xiàn)的圖形化的比較,而且對(duì)CPU中的程序監(jiān)控和下裝程序不能實(shí)現(xiàn)分級(jí)用戶(hù)管理等。

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