西門子DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李亞科 王志偉

摘 要：介紹西門子DCS系統(tǒng)在某鋼鐵企業(yè)焦化廠焦?fàn)t控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)其工藝原理、系統(tǒng)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；DCS；工藝原理；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一、概述

國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)焦化廠引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，建造大型焦?fàn)t及其配套工藝設(shè)施，采用西門子先進(jìn)的DCS系統(tǒng)，即PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)建其整個(gè)焦?fàn)t的過(guò)程控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱焦?fàn)t控制系統(tǒng)）。PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，保證了焦?fàn)t生產(chǎn)的延續(xù)性及整套設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的精確、集中監(jiān)控。

二、工藝原理

某鋼鐵企業(yè)焦化廠焦?fàn)t結(jié)構(gòu)為炭化室雙聯(lián)式立火道、燃燒室循環(huán)三段高向加熱、焦?fàn)t煤氣地下室下噴、混合煤氣開閉器側(cè)入、四裝煤孔式的大型智能焦?fàn)t。整個(gè)焦?fàn)t采用焦側(cè)廢氣煙道結(jié)構(gòu)，僅在爐體地下室平臺(tái)處設(shè)有廢氣開閉器，負(fù)責(zé)廢氣、空氣、煤氣的交換。當(dāng)采用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)，在地下室用設(shè)有孔板的噴嘴調(diào)節(jié)煤氣流量，進(jìn)燃燒室的空氣流量通過(guò)廢氣開閉器頂部的金屬調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)；當(dāng)采用低熱值混合煤氣加熱時(shí)，空氣通過(guò)廢氣開閉器頂部的金屬擋板調(diào)節(jié)單孔燃燒室進(jìn)空氣量，混合煤氣通過(guò)廢氣開閉器的煤氣入口進(jìn)入燃燒室內(nèi)。該焦化廠應(yīng)用焦?fàn)t控制系統(tǒng)主要包括液壓交換系統(tǒng)、上升管調(diào)節(jié)系統(tǒng)、放散系統(tǒng)和焦?fàn)t外圍系統(tǒng)等。

三、系統(tǒng)構(gòu)成

焦?fàn)t控制系統(tǒng)的部分硬件選用西門子公司的自動(dòng)化硬件，包括PLC控制器卡件、PS電源卡件和CP443通信卡件等，主要控制卡件均為容錯(cuò)冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)所有西門子卡件均具有在線帶電更換的特性，并具有卡件狀態(tài)內(nèi)部自診斷功能，診斷狀態(tài)通過(guò)卡件的狀態(tài)指示燈進(jìn)行顯示。系統(tǒng)針對(duì)液壓交換系統(tǒng)和放散系統(tǒng)中，一部分重要的儀表監(jiān)測(cè)及聯(lián)鎖控制點(diǎn)需要較高級(jí)別的安全控制，而現(xiàn)場(chǎng)其他普通I/O點(diǎn)又需要一般邏輯控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在硬件選用時(shí)分別采用了西門子故障安全型卡件和標(biāo)準(zhǔn)卡件與西門子S7-400H系列DCS配合使用，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)較高的系統(tǒng)配制，提高了工廠生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

西門子CPU卡件：雙CPU基于事件同步機(jī)制，控制器主從關(guān)系一熱一備，主從控制器進(jìn)行切換期間為無(wú)擾動(dòng)切換，不影響生產(chǎn)的穩(wěn)定，確保了系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間在較小的范圍內(nèi)，冗余的總線通信接口卡件支持卡件熱插拔而不會(huì)導(dǎo)致CPU停機(jī)。

該焦化廠應(yīng)用焦?fàn)t控制系統(tǒng)的硬件配置，包括互為冗余的控制器CPU-414H、電源卡件PS407、以太網(wǎng)通信卡件CP443、冗余Profibus-DP通信接口卡件IM153-2、故障安全型I/O卡件以及普通型I/O卡件， I/O卡件配備了安全柵、隔離器進(jìn)行模擬量信號(hào)的過(guò)濾與放大；配備繼電器進(jìn)行電氣信號(hào)的隔離，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。

終端總線的設(shè)備設(shè)置了1臺(tái)工程師站、2臺(tái)冗余服務(wù)器和6臺(tái)操作員站，工程師站與操作員站配置高可靠的研華工控機(jī)，服務(wù)器配置西門子工業(yè)級(jí)服務(wù)器，工業(yè)以太網(wǎng)以西門子工業(yè)級(jí)交換機(jī)進(jìn)行環(huán)形網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。

四、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

焦?fàn)t控制系統(tǒng)通過(guò)西門子高速以太網(wǎng)通信處理卡件，將各個(gè)控制系統(tǒng)的S7-400H系列DCS連接到整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)中。整套焦?fàn)t控制系統(tǒng)工廠總線配備了西門子網(wǎng)絡(luò)SCALANCEX-200系列工業(yè)級(jí)交換機(jī)，以連接各控制站、操作員站、工程師站及服務(wù)器。

SCALANCEX-200系列西門子工業(yè)級(jí)交換機(jī)具有冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)管理功能，且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信并具有網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功能，使整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)通信速率達(dá)到100Mbit/s。網(wǎng)管功能使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸更有序、更可靠，能有效的防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使得工廠總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的安全性更高，網(wǎng)絡(luò)任意一點(diǎn)斷開不會(huì)影響其設(shè)備的正常工作，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很好的可擴(kuò)展性。服務(wù)器預(yù)留了二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的接口，方便向二級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)傳輸生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

焦?fàn)t的四大機(jī)車協(xié)調(diào)PLC系統(tǒng)同樣連接到焦?fàn)t控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)中，通過(guò)焦?fàn)t工業(yè)以太網(wǎng)和焦?fàn)t控制系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，建立各種聯(lián)鎖關(guān)系，保證機(jī)車的推焦和裝煤動(dòng)作在安全的情況下進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)四大機(jī)車從裝煤、導(dǎo)焦、推焦、熄焦整個(gè)工藝流程的全自動(dòng)聯(lián)鎖監(jiān)控。

五、系統(tǒng)程序

焦?fàn)t控制系統(tǒng)通過(guò)西門子PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，其中液壓交換系統(tǒng)主程序采用SFC順序控制語(yǔ)言編寫，用于實(shí)現(xiàn)煤氣交換主流程的步序控制。程序中大量使用CFC連續(xù)控制語(yǔ)言完成其他輔助控制功能的邏輯編寫，并實(shí)現(xiàn)與其他DCS或二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)特殊工藝控制的機(jī)泵，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，編程人員通過(guò)自行編寫的FC、FB塊進(jìn)行封裝、調(diào)用處理。程序中采用了系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)塊，用于進(jìn)行工程量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)儀器及設(shè)備線路斷路、短路等故障，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全控制。

焦?fàn)t控制系統(tǒng)運(yùn)行聯(lián)鎖條件多，工藝控制要求高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性依賴較強(qiáng)，當(dāng)卡件檢測(cè)到故障安全型通道發(fā)生故障時(shí)，DCS系統(tǒng)會(huì)將受影響的通道或所有卡件上的通道切換至自鎖狀態(tài)；對(duì)于具有輸出功能的I/O卡件，DCS控制系統(tǒng)則會(huì)將系統(tǒng)預(yù)設(shè)的故障安全值傳送給相應(yīng)的卡件的通道，作為其工藝設(shè)備的安全輸出值，確保了I/O卡件采集各工藝過(guò)程值的準(zhǔn)確及卡件的各通道都在安全狀態(tài)下運(yùn)行。

焦?fàn)t控制系統(tǒng)采用西門子WinCC作為上位監(jiān)控軟件。操作人員通過(guò)操作員站的WINCC監(jiān)控軟件可監(jiān)視焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中各相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各個(gè)工段工藝的相關(guān)參數(shù)，對(duì)整個(gè)焦?fàn)t生產(chǎn)有著很重要指導(dǎo)價(jià)值。

六、結(jié)語(yǔ)

西門子DCS過(guò)程控制系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，較好地解決了大型焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集及管理、復(fù)雜的順序控制及安全聯(lián)鎖等控制難點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，有很高的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：李亞科（1983-），男，漢族，河北邢臺(tái)人，?？?，助理工程師，從事電氣、儀表自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)工作。