西門子CEMAT軟件在某水泥廠的應(yīng)用
2006-08-21 00:00
一、 簡介
位于四川廣安市的利萬布森水泥廠為2500t/d新型干法水泥廠。該工廠于2003年底開工，2005年為5月投入生產(chǎn)。基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)控制范圍包括原料破碎、生料磨、窯頭系統(tǒng)、窯尾系統(tǒng)、水泥磨系統(tǒng)到包裝系統(tǒng)整條生產(chǎn)線。控制系統(tǒng)采用了西門子PCS7系統(tǒng)，并應(yīng)用了西門子水泥行業(yè)專用軟件CEMAT軟件.
二、系統(tǒng)介紹
西門子PCS7過程控制系統(tǒng)是集DCS、總線I/O 以及PLC為一體的新型全集成控制系統(tǒng)。具有分散控制、集中管理、 安裝方便、成本低和維護(hù)管理智能化等特點(diǎn)。
CEMAT軟件包是西門子公司專門為水泥行業(yè)開發(fā)的水泥控制系統(tǒng)。是一個集成化的標(biāo)準(zhǔn)軟件，具有多個專門用于水泥工廠過程控制優(yōu)化的功能塊，具有簡潔的顯示方式，不需附加另外的專家系統(tǒng)就可完成組態(tài)和參數(shù)設(shè)置。該軟件包集成于PCS7系統(tǒng)，在PCS7集成的功能上增加了針對水泥工程的工程操作、故障診斷及聯(lián)鎖等功能塊，是具有獨(dú)特的、開放式的接口及經(jīng)濟(jì)的解決方案。1971年至今，CEMAT軟件包已在世界范圍已經(jīng)成功使用了438套。具有如下特點(diǎn)：
方便的水泥廠故障診斷功能
方便的軟件聯(lián)鎖功能
靈活便利的操作方式
減少故障時間
針對水泥行業(yè)的特殊指令
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
本自動控制系統(tǒng)采用控制網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)、現(xiàn)場總線三級控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖：
1.控制網(wǎng)
控制網(wǎng)采用工業(yè)級交換機(jī)由光纖構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)，通信速率100Mbit/s。根據(jù)控制站的分布共配置5臺交換機(jī)，設(shè)備包括：
－1臺工程師站（配A3噴墨打印機(jī)一臺）；
－2臺互為冗余的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；
－2臺A3激光網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，
－5個控制站
其中冗余服務(wù)器用于歷史數(shù)據(jù)記錄、性能計算、報表、SOE、事故追憶，可向操作員站、上位計算機(jī)提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)。兩臺服務(wù)器互為冗余配置了兩個網(wǎng)卡：西門子的專用通訊網(wǎng)卡1613和通用網(wǎng)卡，分別用于與控制站及操作員站的通訊。
5個控制站采用了AS416-2做主控制站，分別為生料磨PLC、窯頭PLC、窯尾PLC、水泥磨PLC、包裝PLC。AS416-2控制站集成了CPU416-2模件，CP443-1以太網(wǎng)通訊模件，PS407電源模件及9槽機(jī)架，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及處理、自動閉環(huán)回路控制、電氣設(shè)備開關(guān)控制等系統(tǒng)控制功能。
2. 監(jiān)控網(wǎng)
冗余服務(wù)器、5臺操作員站（HMI）采用2臺交換機(jī)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)。其中中控室四臺操作員站，包裝車間操作室1臺操作員站。所有操作員站配置相同，采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式。HMI可實現(xiàn)設(shè)備成組及單機(jī)操作、動態(tài)測量數(shù)據(jù)、報警、事件記錄、歷史趨勢觀察等功能。對于所有控制對象提供面板，使用戶可以操作和診斷回路?？梢燥@示所操作的測量位置的所有信息，也可防止意外操作。
3.現(xiàn)場總線
控制站采用AS416-2控制站和ET200M遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，采用Profibus-DP通訊協(xié)議，通信速率設(shè)置: 1.5Mbit/s。由于原料破碎站距離生料磨電氣室的電纜長度約500米，為保證通訊速度，破碎站與生料磨主站間采用了一對OLM（光纖璉路模件），采用光纖連接，實現(xiàn)Profibus-DP通訊。
四、控制系統(tǒng)功能
PCS7系統(tǒng)軟件采用SIMATIC程序管理器，可對項目進(jìn)行管理、處理、歸檔和建立文件。對于一個項目管理，可有工廠視圖、組件視圖、過程對象視圖三個不同的視圖，同時進(jìn)行管理。其中，組件視圖主要管理系統(tǒng)的硬件，如控制器、系統(tǒng)總線、I/O系統(tǒng)等；工廠視圖主要管理工藝過程，它將整個工廠按工藝過程的要求，分為各個子系統(tǒng)，然后將各子系統(tǒng)映射到控制器上；過程對象視圖用于對所有控制對象的參數(shù)進(jìn)行管理。
在SIMATIC程序管理器下，可以使用多種組態(tài)工具，無論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動存到一個同一的數(shù)據(jù)庫中。組態(tài)工具有：CFC(連續(xù)功能圖)、SFC(順序功能圖)、STEP7、SCL(結(jié)構(gòu)化的控制語言)和WinCC(SIMATIC視窗控制中心)等。
CFC是一種簡潔的圖形組態(tài)工具, 主要用于連續(xù)過程的自動化控制任務(wù)的組態(tài)，為系統(tǒng)主要編程工具。CFC組態(tài)以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)。每個功能塊都有一個參數(shù)表，可根據(jù)實際工藝要求選擇不同的參數(shù)。每個CFC由多個分區(qū)構(gòu)成（可以任意插入，由字母A-Z任意排列），每個分區(qū)由6頁組成。 功能塊之間的連接可以在相同或不同的CFC之間的相同或不同的分區(qū)的頁面上進(jìn)行，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動標(biāo)出。因此，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)。此外，CFC還具有圖中圖功能，即將同類的控制功能（或方案）組態(tài)成樣板CFC圖，以后組態(tài)時可以多次在其它CFC圖中插入樣板CFC圖，直接對樣板圖進(jìn)行連接，這樣可以節(jié)省大量的組態(tài)時間。
水泥行業(yè)的基礎(chǔ)自動化控制除了常規(guī)的電機(jī)控制、儀表信號監(jiān)控外，還具有一些的特殊要求。如設(shè)備的成組控制（包括組啟動、組暫停、組停止），兩路閥的控制等，不同方式對同一控制設(shè)備有不同的啟停要求。CEMAT軟件具有多個水泥工程的專用功能塊，可方便的實現(xiàn)各種功能的控制。用戶可根據(jù)控制要求連接相應(yīng)的管腳實現(xiàn)控制。對于每個功能塊均可使用在線查找?guī)椭?。以下介紹了常用的功能塊的功能及應(yīng)用：
1．組（GROUP）功能塊的應(yīng)用
在CEMAT中特有的組（GROUP）功能塊，可用于輸送系統(tǒng)成組順序啟動?？煞奖愕膶崿F(xiàn)組啟動、組單步（本組設(shè)備單機(jī)啟動）、組暫停、組停止以及組間啟停聯(lián)鎖。在實現(xiàn)輸送系統(tǒng)或磨機(jī)順序控制時，編程簡單，動作可靠。
GROUP在HMI上的操作畫面及常用管腳：
常用管腳：（未連接的管腳自動置為默認(rèn)值）
· GEVG: 組啟動聯(lián)鎖（用于組間聯(lián)鎖）
· GBVG: 組運(yùn)行聯(lián)鎖（用于組間聯(lián)鎖）
· GQSP: 組急停（用于組間聯(lián)鎖時成組急停）
· GREZ: 組運(yùn)行反饋（本組設(shè)備全部啟動完畢則反饋為1，同時取消組啟動信號）
· GRAZ: 組停止反饋（本組設(shè)備全部停止則反饋為1，同時取消組停止信號）
· GEBG: 組聯(lián)鎖啟動命令（用于組間順序啟動）
· GABG: 組聯(lián)鎖停止命令（用于組間聯(lián)鎖停機(jī)）
· HORN_TIM: 報警時間（組啟動前預(yù)警響鈴時間，可在HMI上修改）；
· WAIT_TIME:等待時間，組啟動和設(shè)備啟動之間的等待時間，以便于現(xiàn)場人員離開（可在HMI上修改）；
· RELS_TIME: 釋放時間，組啟動后若本組設(shè)備未完全啟動，超過此時間中止組啟動命令；
· GBE: 等待時間結(jié)束后，發(fā)出組啟動指令。當(dāng)組內(nèi)所有所有設(shè)備啟動完畢、或監(jiān)測到組內(nèi)設(shè)備故障、或釋放時間到、或組啟動被中斷則該指令停止；
· GDA: 停機(jī)指令，當(dāng)組內(nèi)所有所有設(shè)備均停止則結(jié)束。
· GRE: 組完全啟動輸出指令（GREZ=1）
· GES: 組單步指令（為1時，本組相連設(shè)備轉(zhuǎn)為單步方式）
· GQS: 組急停指令（為1時，本組相連設(shè)備轉(zhuǎn)為急停）
· GHA: 報警鈴輸出
· G_LINK: 連接本組所有設(shè)備（如電機(jī)，DAMPER等）
該功能塊的典型應(yīng)用如生料磨的順序控制。生料磨工藝分組為：
· S01 潤滑系統(tǒng)
· S02均化庫頂收塵器
· S03提升機(jī)入均化庫組
· S04產(chǎn)品輸送系統(tǒng)
· S05廢氣風(fēng)機(jī)組
· S06電收塵系統(tǒng)
· S07磨風(fēng)機(jī)系統(tǒng)
· S08三道閥
· S09主電機(jī)系統(tǒng)
· S10喂料系統(tǒng)
· S11預(yù)鋪料系統(tǒng)
聯(lián)鎖條件：
l S02至S09啟動順序聯(lián)鎖.S09啟動條件增加S01.并且S10組所有設(shè)備均備妥
l S11啟動條件S01, 選擇預(yù)鋪料
l S10自動啟動條件：選擇主電機(jī)運(yùn)行,主電機(jī)啟動1秒后自動啟動
l S10選擇預(yù)鋪料,輔傳啟動
其中：在S10喂料組啟動前，需根據(jù)情況手動選擇“外排”或“入磨”
主電機(jī)組選擇“預(yù)敷料”，S10喂料組手動組啟動；主電機(jī)組選擇“主電機(jī)運(yùn)行”，主電機(jī)運(yùn)行同時，S09組自動啟動。主電機(jī)組選擇“主電機(jī)運(yùn)行”或“預(yù)敷料”時，S10組與主電機(jī)或輔電機(jī)同時停止。主電機(jī)組不選擇“主電機(jī)運(yùn)行”或“預(yù)敷料”，喂料組可手動組啟動。
在生料磨的控制程序中通過應(yīng)用組功能塊的組間聯(lián)鎖功能，可順利實現(xiàn)喂料和主電機(jī)運(yùn)行的配合，保證主電機(jī)啟動后不會出現(xiàn)空料的現(xiàn)象。
2． DAMPER功能塊的應(yīng)用
可用于切斷閥、調(diào)節(jié)閥、雙向電機(jī)的控制，有模擬量和數(shù)字量控制輸出。常用于風(fēng)機(jī)入口閥門、兩路閥等的控制。
DAMPER在HMI上的操作畫面及常用管腳：
常用管腳：（未連接的管腳自動置為默認(rèn)值）
· KWE1: 閥在關(guān)極限；
· KWE2: 閥在開極限；
· KSB: 備妥信號
· KEV1: 方向一啟動聯(lián)鎖；
· KBV1: 方向一操作聯(lián)鎖；
· KEV2: 方向二啟動聯(lián)鎖；
· KBV2: 方向二操作聯(lián)鎖；
· KEIZ: 單機(jī)模式；
· KEB1: 方向一啟動命令；
· KAB1: 方向一停止命令
· KEB2: 方向二啟動命令；
· KAB2:方向二停止命令；
· KVS1:閥在關(guān)位置；
· KVS2:閥在開位置；
· KB1: 關(guān)閥命令；
· KB2: 開閥命令；
3．ROUTE功能塊的應(yīng)用
主要用于順控路徑的選擇，如生料入窯/倒庫選擇、熟料入庫選擇等。
ROUTE在HMI上的操作畫面及常用管腳：
常用管腳：（未連接的管腳自動置為默認(rèn)值）
· WEVG: 啟動聯(lián)鎖；
· WBVG: 操作聯(lián)鎖；
· WREZ: 該路徑選擇下的所有設(shè)備已運(yùn)行；
· WRAZ: 該路徑選擇下的所有設(shè)備已停止；
· WEBW: 路徑選擇命令；
· WGWA: 取消路徑選擇命令
· G_LINK: 組連接
· WBE: 選擇路徑的所有設(shè)備啟動命令
· WBA: 選擇路徑的所有設(shè)備停止命令
· WRE: 選擇路徑的所有設(shè)備已啟動信號
· WRA: 選擇路徑的所有設(shè)備已停止信號
4．單向電機(jī)（Unidirectional Drive）功能塊應(yīng)用
用于單向電機(jī)的手/自動控制，有外部速度信號及電流信號監(jiān)控，適用多種電機(jī)設(shè)備的控制。、如皮帶電機(jī)（有速度開關(guān)信號監(jiān)控聯(lián)鎖）、破碎電機(jī)（可設(shè)定電機(jī)電流監(jiān)控聯(lián)鎖）。
單向電機(jī)功能塊在HMI上的操作畫面：
常用管腳：（未連接的管腳自動置為默認(rèn)值）
· ERM: 電機(jī)應(yīng)答信號
· ESB: 電機(jī)備妥
· EVO: EVO=1電機(jī)為自動方式；EVO=0電機(jī)為就地方式
· EEVG:啟動聯(lián)鎖，EEVG=0則電機(jī)不能啟動；
· EBVG:操作聯(lián)鎖，EBVG=0則電機(jī)在運(yùn)行時停止；
· ESVG:安全聯(lián)鎖，ESVG=0則電機(jī)不能啟動、運(yùn)行；
· ELOC:ELOC=1電機(jī)為就地方式；
· EEIZ:EEIZ=1電機(jī)為單機(jī)模式，可電機(jī)啟動/停止；
· EBFE:組啟動命令，單機(jī)模式下不受該指令控制；
· EBFA:組停止命令，單機(jī)模式下不受該指令控制；
· QSTP:緊停方式
· FEEDBTIM:應(yīng)答監(jiān)控時間，若超過該時間無應(yīng)答則取消啟動命令
· STARTDEL:啟動延時時間
· SPEEDTIM:速度監(jiān)控時間
· HORN_TIM:報警響鈴時間
· STOPDEL: 停機(jī)延時時間
· EVS: 電機(jī)已運(yùn)行信號
· EBE:電機(jī)啟動命令
5．測量（Measuring Value）功能塊的應(yīng)用
模擬量信號監(jiān)控，該功能塊多與CH_AI塊聯(lián)合使用，可在線更改輸入的模擬量信號的量程。
測量功能塊在HMI上的操作畫面：
常用管腳：（未連接的管腳自動置為默認(rèn)值）
· MV_PHYS: 當(dāng)TYPE=10時，連接從CH_AI的輸出值；
· QUALITY: 顯示錯誤代碼；
· MV_CARD: 當(dāng)TYPE=77時，連接PLC的輸入值；
· UMFR: 報警釋放，連接CH_AI的輸出QBAD;
· SCB: 輸入值零點(diǎn)
· SCE: 輸入值量程
· UNIT: 輸入值單位
· TYPE: 輸入10，為實數(shù)輸入；輸入77，為PLC硬件直接輸入；
· VAL_HH: 輸入值高高限；
· VAL_H: 輸入值高限；
· VAL_LL: 輸入值低低限；
· VAL_L: 輸入值低限
· VAL_SHH: 開關(guān)值輸出高高限；
· VAL_SH: 開關(guān)值輸出高限；
· VAL_SLL: 開關(guān)值輸出低限；
· VAL_SL: 開關(guān)值輸出低低限；
· SPIK_TIM:峰值抑制時間
· SMOO_TIM:平滑時間
· MV: 模擬量輸出值
6．功能塊的應(yīng)用舉例
在以下一個原料入配料倉組的程序中，應(yīng)用了組（GROUP）、路徑選擇（ROUTE）、三通閥（DAMPER），單相電機(jī)（收塵風(fēng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)）功能塊。整個程序結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便。
五、結(jié)束語
筆者之前并未作過水泥行業(yè)的項目，只是對西門子的硬件及系統(tǒng)應(yīng)用比較了解。整個項目于2005年1月開始編程，為保證調(diào)試進(jìn)度，采用了邊編程邊調(diào)試的方式。由于采用了CEMAT 軟件，節(jié)約了大量的編程及HMI畫面編程時間；采用了冗余服務(wù)器結(jié)構(gòu)，部分程序及畫面的修改不會影響整個系統(tǒng)運(yùn)行。HMI上畫面及操作面板、程序內(nèi)符號表均可改為中文，操作人員可很快熟悉操作界面。生料磨系統(tǒng)于3月初投入運(yùn)行，5月初整個系統(tǒng)全線投產(chǎn)。該系統(tǒng)自投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，確保用戶在短期內(nèi)達(dá)產(chǎn)，得到用戶的肯定。
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