控)4 西门子S7-400及PCS7在龙凤热电厂锅炉DCS控制系统中的应用

西门子S7-400及PCS7 在龙凤热电厂锅炉DCS控制系统中的应用 王永军 （大庆市龙凤热电厂热工分厂163711） 【摘　要】西门子公司的SIMATICPCS7作为第四代DCS系统的典型代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，以其优良的过程控制性能，广泛应用于电厂、钢铁、化工、能源、造纸等行业，本文描述该控制系统在龙凤热电厂锅炉DCS控制系统中的应用情况，同时，针对现场出现的一些问题，提出了相应的解决办法。 【关键词】S7-400；PCS7；PROFIBUS-DP；过程控制；应用 1　工程概述 龙凤热电厂始建于1961年，是随着大庆油开发和石油化工建设而建设的我国第一座自己 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制造、安装的中温中压燃油热电厂。装机容量13.27万千瓦，有主设备26台，其中：燃油锅炉8台，汽轮机6台，发电机6台，主变压器5台，年发电量4亿千瓦时，年供热量444万吉焦。　多年来，龙凤热电厂锅炉燃用的燃料一直以渣油为主，后经多次改造掺烧部分天然气，但是由于渣油和天然气价格的上涨，造成成本逐年上升。为此，在上级部门的支持下，龙凤热电厂从2001年8月开始实施油改煤工程，将#3-#8炉改为燃煤立式旋风炉。在原炉膛前增加高温燃烧、液态排渣的旋风筒1-2只（其中#3、#4炉为75t/h蒸发量，其炉膛前加1只旋风筒；#5、#6、#7、#8炉为120t/h蒸发量，其炉膛前加2只旋风筒），同时增加输煤、制粉等设备。改造后的锅炉由汽水系统、烟气系统、汽水系统、空气系统、制粉系统、吹灰系统、磨煤机系统等几部分组成，共有I/O点4000余点；自动控制系统采用SIEMENS公司SIMATICPCS7过程控制系统，实现对#3-#8锅炉的生产过程控制。 本文描述PCS7控制系统在龙凤热电厂油改煤工程中的应用情况，同时，针对现场出现的一些问题，提出了相应的解决办法。 2　PCS7系统的主要特点 SIMATICPCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统，属于第四代DCS系统的典型代表。PCS7具有如下特点： 1)SIMATICPCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，结合了传统DCS和PLC控制系统的优点，将两者的功能有机的结合在一起。 图2-1PCS7体系结构图 2）SIMATICPCS7过程控制系统的操作员站（OS）是“过程的窗口”。操作、维护以及监控人员都可以对操作员站的过程活动进行跟踪，修改批量顺序，编辑实际的过程数值，或同过程进行通信。 3）系统搭配灵活，易于扩展。模块化结构，通用的硬件模块系统的所有硬件都基于统一的硬件平台；所有软件也都全部集成 在SIMATIC程序管理器下，有同样统一的软件平台。 4）在网络配置上，分两层，分别使用PROFIBUS网络 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和工业以太网。 下位机采用PROFIBUS-DP网络，用于控制器（CPU）与ET-200扩展I/O间的实时通讯，速度可达　12M　，距离可达　9.6公里　(电缆)或　90公里　(光缆)。ET　200M　分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，任何一个控制器（CPU）的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问。两对冗余控制器（CPU）之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器（CPU）或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行。ET　200M　分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，任何一个控制器（CPU）的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问。两对冗余控制器（CPU）之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器（CPU）或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行。电源冗余功能，　10A　直流电源冗余配置，用于CPU和模板供电。　 图2-3PROFIBUS-DP网络 下位机控制器（CPU）与上位机的OS站（操作员站）、ES（工程师站）、MS站（信息站）之间通过工业以太网进行通讯，以太网交换机采用西门子工业级的以太网交换机ESM；ESM能低成本、高效率建立100Mbit/s带交换功能的工业以太网。ESM特点： （1）采用了交换技术，通过分段(将一个网络分割成几个子网络/段)每个子网都可以独立地形成一个数据通讯网段，并将这些网络段连接到一个ESM，就可解耦负载，从而提高现有网络的性能。 （2）采用了全双工并行（FDX）通讯模式，这种模式允许站点同时发送和接收数据，通讯速率可提高一倍。 （3）通过ESM环形拓扑，最大的网络重构时间为0.3秒。环形网中的数据传输速率为100Mbit/s，每个环中最多可用50个ESM。 （4）除了2个环端口外，ESM还有另外6个端口(任选ITP或RJ45接口)，这些端口可与终端设备或网络段连接。 （5）使用集成的后备功能可将几个环以冗余方式连接在一起。 环型网确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作。 5）所有功能模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。 6）系统组态方便，一个工程师系统可以完成从操作员站、控制器、直到现场级的全部组态;通过图形化组态模块SFC、CFC可以完成过程控制和逻辑控制的组态；应用类似PASCAL的高级编程语言SCL（结构化控制语言），可以开发用户自定义功能模块，并存在功能块库中，随意调用；另外所有的STEP7的软件工具都可以使用。 图2-6PCS7组态工具 7）WINCC图形设计器是一个向量性的绘图程序。它支持16层画面的组态，使用起来方便高效。其功能包括准确定位、排列、旋转与镜象，发送图形对象属性等。应用WINCC开发的操作员站人机界面可以清晰的显示现场系统结构，操作简单、直观；可以开发出标准的趋势及报警信息显示，并能查询；具有多屏及多窗口技术。 3　系统要求及软硬件配置 整个锅炉DCS控制系统主要包括以下几个子系统：汽水控制系统、制粉控制系统、空气控制系统、烟气控制系统、磨煤机润滑油控制系统、吹灰控制系统、MFT保护系统等。 涉及绝六台路大部分设备的控制和回路控制，所有点均可在SIMATICPCS7中显示、报警、数据 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和控制。 3.1  硬件配置 （1）上位机系统共设8台OS站（操作员站），1台ES站（工程师站）以及1台MS站（信息站）：采用研华工控机+CP1613以太网卡； （2）下位机系统：包括CPU-414H冗余控制器、ET　200M　分布式I/O模件、支持热插拔的有源总线、支持热插拔的导轨　 每个锅炉采用1对冗余CPU-414H的控制器，#3-#8炉共6对。控制器由SIMATICS7-400的电源模块PS407、CPU-414H模块、通讯模块CP443-1组成，此类CPU运行速度快，可连接的I／O点数量大。 每一对冗余控制器均通过冗余的现场总线PROFIBUS-DP带一定数量的I/O扩展机架ET　200M　及I/O模件。ET　200M　I/O站具有结构小、安装方便灵活、性能价格比佳的优点，ET　200M　内插所有模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。它的模拟量输入模块是西门子DCS的一个突出优点，一个模拟量模块几乎可以覆盖所有测量范围，包括：电压输入、电流输入、电阻输入、热电阻输入，所以西门子的模拟量模块又叫万能卡。 （3）网络（SIMATICNET）系统 CPU-414H与ET　200M　站之间采用PROFIBUS-DP总线完成通讯。每个分布式I/O站的有源背板总线上插有2个IM153-2通讯接口模块，分别通过2条独立的PROFIBUS-DP现场总线与AS-400中央控制站进行实时通信。在系统运行过程中，当其中某一个IM153-2通讯接口模块发生故障时，系统能自动地切换到另一个IM153-2通讯接口模块，并可带电热插拔更换故障的通讯接口模块，不会影响系统正常运行。 ES站、OS站与下位机控制器之间采用工业以太网通讯，由4个ESM交换机组成环网；下位机系统分两个电子设备间，#3～#5炉在一个电子设备间；#6～#8炉在一个电子设备间；DCS系统的网络体系结构如下图所示： 图3-2DCS系统网络体系结构 （4）模件电源部分 选用西门子的工业电源SITOP，SITOP电源具备最高的安全性能。选择SITOP，质量与可靠性必将在握。凭借其强大的功能，可以防范、解决各种供电安全问题（例如，电压波动和电源故障）。通过SITOP独特的附加模块，甚至可实现供电的全面保护。 每三台炉共有9台冗余SITOP电源，其中每3台SITOP接受一台炉电源柜的供电。SITOP输出的DC24V电源并联后，供给3台炉的模件。 3.2　软件配置    操作员站（OS）和工程师站（ES）均采用微软英文版WindowsＮＴWorkstationＶ４.０作为操作系统，附加安装InternetExplorer5.0，汉字处理采用中文之星ForWindowsNT3.0，使得除工程师组态以外的所有信息、界面均实现汉化。 工程师站（ES）装有WINCCV5.0(上位编程)、S7HSystemsV5.1+SP6(下位编程)、S7HSystemsV5.2+SP2(H硬件组态)、SIMATICNETV6.0+SP4(网络冗余组态)软件。 操作员站另加载了SIMATICWINCCRT64KTags、NETProfibus-S7、WINCCADVANCEDPROCESSCTRL.、WINCCBASICPROCESSCTRL．等监控软件。 4　系统功能的改进 通过一段时间的运行，针对我们实际生产运行，我们对DCS系统进行了多项改进，以化解由于使用习惯和功能要求的不同所带来的问题。 1）开发热工信号报警软件 ? 用DCS软件取代原所有的二次表、光字牌、试验按钮、确认按钮及连接电缆等硬件设备。每台锅炉使用一只电铃，用于信号声音报警。其中模拟量报警值是经就地变送器测量后，由DCS数据采集系统中的CFC功能模块产生。开关量报警值是由就地接点直接进入DCS的数据采集系统。 ? 使用PCS7系统中的STL语言自行编制报警采集功能模块LIGHTALARM，所有的报警参数都分别送到LIGHTALARM（报警采集块，见图-2）的输入端，它的输出端分别送给ALARM-8P，最后每点报警内容都连接到相对应的热工信号画面，供运行人员监视。 ? 热工信号“试验”及“复位”的功能是由LIGHTALARM的功能块实现。电铃的驱动是由该模块的输出通道产生。 2）DCS电源系统的优化 我厂油改煤工程原设计为由一套UPS电源同时向#3-8炉的六套DCS系统供电，而该UPS只接受一路电气来的三相四线制～380V电源。因此，只要电气供电系统或UPS系统二者有其一发生故障，都有可能导致全部DCS系统失电，以至于6台锅炉全停的严重生产事故。这将给石化总厂及油田的供电、供热系统造成严重的后果，其经济损失是无法估量的。基于以上情况，我们对DCS电源系统进行了仔细地研究，并打破了传统使用UPS的模式，制定了更加安全、经济的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，在生产实际中，具有很高的实用性。 由于电厂自用电存在着安全等级高、稳定性好等优势，因此我们采用由电气母线室向每台炉提供2路～220V电源，并且每路电源都来自于不同段。 每台炉DCS系统的下位机有两台冗余的CPU，它们所使用的～220V电源分别由该炉电源柜的两路电源提供。 3）MFT保护系统的优化 当锅炉设备发生重大故障或厂用电母线发生故障时，保护系统立即使整个机组停止运行，即切断供给锅炉的全部燃料。这种处理故障的方法，称为主燃料跳闸保护，即MFT（masterfueltrip）。 根据我厂锅炉系统实际情况，MFT保护系统设计动作条件有：手动MFT、炉膛压力高（三选二）、炉膛压力低（三选二）、送风机跳闸、给粉机电源全无。 当锅炉出现上述任一危险情况时，锅炉保护就会动作。强制切断进入炉膛的所有燃料，进行自动的炉膛吹扫。只有在满足炉膛吹扫的条件下，炉膛内部的空气转换了3～5倍后，即大约吹扫5分钟后锅炉才能重新点火。 为保证MFT动作准确不发生误动作，我们对以下几个信号进行优化设置保证其尽量动作准确： 炉膛压力部分，为防止炉膛压力保护误动作，炉膛压力高、低信号采用三取二逻辑，并且延时5秒； 给粉机一段电源、二段电源运行状态信号采用与逻辑，并且延时4秒； 5  运行中遇到的问题及处理方法 1）OS站死机问题 2003年出现过部分OS站频繁死机问题，经检查判断非系统程序故障，可能是OS站的工控机内存容量过低引起的死机，我们将内存容量从256MB升级到512MB，解决了此问题。 2）接地问题 在使用过程中偶尔出现监视参数、反馈信号不准的问题，有时为该信号单独引接地线，可以解决该问题；分析，原因可能是我厂DCS接地使用动力接地所导致信号抗干扰能力差。 3）程序下装引起CPU初始化 从ES站（工程师站）向CPU下装程序时，如果选择“完全下装”模式，会引起CPU初始化（重新启动），如果锅炉处于运行状态，会导致停炉事故的发生，所以在进行此类操作时，一定要谨慎；如果必须“完全下装”，需在停炉时进行。 4）在ES站不能对下位机在线监视的问题 在对某台炉OS站重做系统以后，出现了在ES站不能对下位机在线监视的问题；解决的办法只有“完全下装”下位机程序。 5）#4炉下位机CPU出现冗余故障 2005年#4炉一CPU出现故障，经更换新的CPU仍无法排除故障现象，判断为CPU冗余模块故障，更换新的冗余模块，仍不能排除故障；后经实验证明，是新的冗余模块与旧的冗余模块存在版本不兼容问题；两个CPU全部更新为新冗余模块解决了该问题。 6）CPU“完全下装”程序引起部分DO信号输出问题 在我们的完全下装过程中，出现过部分DO信号输出问题，导致磨煤机瞬间启动，送、吸风机等转机设备启动的问题；目前没有找到确切原因，为了不造成事故，在每次需要完全下装前，我们要求停掉送风机、吸风机、磨煤机、给粉机等转机设备以及电动门的电源。 6  结束语 系统投入运行几年来，运行基本稳定、可靠，但目前存在OS站硬件老化问题，显卡等硬件发生故障以后无法找到相应配件更换；WindowsNT4.0不能安装在新的奔腾4CPU的工控机上，同时PCS75.1下位机软件和WINCCV5.0软件不能运行于WindowsXP操作系统下。给系统的维护带来了极大的不便，急须对DCS系统的软、硬件进行升级。 2008年9月完成软件升级工作，将PCS7升级为6.0版本，最新版本为7.0，资金原因CPU（控制器）没有更换，S7-414H控制器WorkMemoryForCode仅有400K，并且不可扩展，目前程序下装完成WorkMemoryForCode已经占用97%以上，负载过高！ 新版本的S7414-4HCPU的WorkMemory为2.8M，其中后WorkMemoryForCode为1.4M S7417-4HCPU的WorkMemory为30M，其中后WorkMemoryForCode为15M S7417-4HCPU可作为大型机组DCS系统的控制器，可通过Prefibus-PA挂在智能设备，组建FCS现场总线控制系统。