西门子PCS7系统在嘉新京阳水泥有限公司水泥磨系统改造工程中的应用

一、项目简介

嘉新京阳水泥有限公司是台湾嘉新水泥股份有限公司在江苏省镇江市投资的企业，投资总额达2.8亿美元，该公司是祖国大陆投资规模最大的建材企业。公司现有年产水泥180万吨的新型窑外分解工艺生产线一条；目前已筹备二期扩建计划，预计形成年产500万吨以上熟料的水泥生产基地。现有生产线的主机设备全部从德国洪堡公司引进，控制系统采用西门子S5系列PLC和洪堡公司具有专利技术的PRODUX监控软件。

在现有生产规模的基础上该公司为了提高水泥生产能力，决定对水泥磨系统进行扩容改造。主机设备增加了一套洪堡公司的辊压机系统，相应的也增加了上料斗提、输送皮带、选粉机、除统、料仓等辅助设备，控制系统采用了西门子PCS7过程控制系统。整个控制系统 的软硬件设编程调试都是由我公司完成的。

图1  嘉新京阳水泥有限公司概貌

二、系统介绍

这次改造是在原有水泥磨系统的基础上增加了一套辊压机系统，并对原工艺流程进行了重新{|使整个水泥磨系统的产能得到提高。通过下面的新旧工艺流程图的对比，我们可以看到：原来仅有立磨系统为两套球磨系统提供原料，是整个水泥磨系统的瓶颈和薄弱点；现增加了一套辊压机系鳎功能与立磨相同，都是对熟料进行粗加工，这样就由立磨系统和辊压机系统同时分别为两套球磨系供原料，既提高了整个水泥磨系统的加工能力又起到了设备冗余，使生产线的生产能力得到充分的发挥。

图2原系统工艺流程图

图3新系统工艺流程图

本工程的工作目标：

1)完成辊压机及其配套设备的控制功能。

2)修改原立磨的工作模式，使其能够按照新的工艺流程进行生产。

3)要保证新老控制系统的完全兼容，使S5、S7两类系统可以互相通讯，成为协同工作的整体。

4)要保持监控画面风格、操作方式与老系统的统一，以方便操作人员的使用。

本工程的硬件配置：基于西门子PCS7过程控制系统，并根据用户的要求做了相应的调配。

1)系统设置一个PLC现场站，PLC主站为Siemens s7-400。

2)现场站使用双以太网卡、双电源、单CPU、加I/O扩展单元的配置。

3) PLC主站通过Profibus-DP网络与辊压机控制盘PLC (CPU：6ES7-315-1AF03、CP3426GK7-342-50A02)通讯。

4)与新系统相联系的Siemens S5系统分别增加双以太网卡。

5)上位机采用冗余Server加Clients结构，除系统服务器外，同时配有Web服务器和MIS服务器，以实现Internet浏览和与上层管理网的连接。

6)系统采用双环网冗余配置，包括服务器与控制站、服务器与客户机之间的连接，各个网络节点配有双OSM或双交换机。

7)系统点数分配：    

①D1:450

②DO：120    

③Al：140    

④A0:20

三、控制系统构成

本项目中，由于原系统采用了单CPU双网卡双冗余环网的设计，为了保证与原系统的兼容性和一致性，新系统的设计也使用了相同的配置。考虑到程序量比较大，对程序处理速度有比较高的要求，主站的CPU选用了417-4H；根据要求，系统控制站的以太网通讯模板应具有冗余切换功能，为此选用了CP443-1（支持ISO协议和TCP/IP协议）通讯模板；相应的系统服务器和Web Server配置了CP1613通讯板卡，在它们的相互配合下，中控室操作站与现场控制站之间实现了冗余连接；为了将原有的S5系统连入新系统，S5框架上分别增加了两块CP1430以太网通讯板卡，使S5系统连入到新建的双环网中，实现了新老系统的数据共享；另外，系统服务器和Web Server中还分别配备了第二块CP1613，加上双冗余环网的支持，既实现了S7系统与操作站的通讯冗余，也实现了S5系统与操作站的通讯冗余；系统中还配备了一台工程师站，通过工程师站维护人员可以修改、监视PLC中的程序，也可以在线更新系统服务器中的监控画面；另外，系统服务器和Web Server中还配置了3COM网卡，用于构成Server-Client网络，其中系统服务器配置了双网卡，保证了客户端与服务器端的冗余连接；为了实现较远距离的报表和报警打印功能，系统中相应添加了打印服务器，使存储在服务器中的相关数据可以在多个终端即时打印出来。图4是系统的硬件及网络配置图。

系统的软件部分是以西门子PCS7过程控制系统为基础，结合项目具体情况，按照既体现新系统优势又保持与原有编程思路、操作习惯相一致的方针，实现了整个系统先进性、功能性和连续性的统一。控制程序的设计完全依据水泥行业的行业特点，采取定制功能块，再用CFC调用组织的方式实现逻辑控制，使抽象的工艺流程更加清晰化，为编程调试提供了极大便利。为了符合用户操作习惯的要求，上位监控软件的制作在保持PCS7基本系统功能的前提下，对自动生成的画面元素

图4系统的硬件及网络配置图

按照统一的标准做出适当调整，并在此基础上开发了若干与原系统相同或相近的功能，使监控画面的外观风格和操作方式都与原有系统保持一致。实践证明，这样的软件设计使维护人员和操作人员都能够轻松上手，明显地减少了学习和熟悉的时间，为设备的正常投产和系统的稳定运行提供了有利条件。图5是使用Siemens WinCC制作的一幅监控画面，从中我们可以看到该画面在具有PCS7系统基本特点的前提下，已经实现了水泥行业所特有的功能要求，也充分体现了PCS7系统的广泛适用性。

硬件系统和软件系统的相互配合构成了一个完整的过程控制系统。项目实施的过程和实际应用的结果表明，这种方式的系统构成既体现了PCS7所具有的全集成性和实用性，也体现了PCS7系统灵活的设计模式和行业通用性。

四、控制系统完成的功能

本项目所控制的对象和所要实现的功能包括：电机顺序联锁控制；气路压力闭环控制；对生产流程设备实施逻辑联锁、顺序控制、分组启动，停止；与辊压机控制系统的通讯，实现新老系统的数据共享；通过冗余的数据高速通道与中央控制室操作站进行过程数据和信息传输，接受来自操作人员的各种控制命令，完成报警检测控制要求：数据采集、数据处理、数据储存、生成报表等功能；另外，还具有在线，离线组态功能，自诊断等功能。

图5监控画面

下面结合具体的工艺要求，全面阐述上述功能的具体软件实施方案以及技术关键点。电机是数I量最多的一类现场执行机构，作为系统的主要控制对象，根据工艺要求需要对电机按属性和位置进i行分组控制，相同属性的电机会有相同的属性窗口，不同流程上的电机会被分成组，然后按特定的顺序分组启动。因为每台电机的控制要求相同或相近，所以我们为电机编写了相关的一类功能块和i图块，大大减少了重复性劳动和错误的发生。其他的受控对象和电机相似，我们为具有相同或相似{性质的对象建立了相应的组件，使整个编程过程实现了标准化和模块化，显著提高了工作效率，也！降低了维护强度。气路压力闭环控制是利用PCS7中的PID功能块控制影响气路挡板开度的正反脉{冲的占空比实现的，不同占空比的脉冲会影响驱动电机转动的幅度大小，通过这种方式可以达到精i确控制的目的。辊压机是项目中新增加的一套主机设备，其控制系统（由生产厂家配套提供）为Siemens s7-300，其中配有一块CP342-5的通讯模板，用于与主系统通过Profibus-DP进行数据交换，主系统将必需的联锁信号传递给辊压机满足其控制要求，同时接收辊压机的信息用于显示。 图6为辊压机的原理示意图。

图6辊压机的原理示意图

新老系统的通讯问题也是本项目的工作重点，工作内容包括两部分：一部分是S5系统与S7系统的通讯；另一部分是S5系统与WinCC系统的通讯。首先，我们应用COM1430软件对CP1430模板进行参数配置，使其建立与S7和WinCC的通道连接；然后，分别用STEP5和STEP7为各自系统编写发送、接收程序，并定义相应的发送、接收数据区，同时在WinCC中建立与S5的通讯通道，这样S5系统就可以实现与S7系统和WinCC系统的数据通讯。但在项目实施过程中我们也遇到了一个难题，就是当数据量增大以后，S5系统与WinCC的通讯速度明显变慢，切换画面后大约要10秒钟变量数据才更新。经过认真分析和多次试验，我们发现如果减少S5与WinCC间通讯的数据块的数量，也就是尽量将不同数据块中的数据集中放到尽量少的数据块中，这样可以减少通讯请求的数量，降低通讯负担，提高通讯速度。当然最根本的解决办法还是从通讯协议入手，设法简化通讯过程，提高通讯效率。还有一个问题就是CP1430模板的通讯冗余，因为需要有特殊软件的支持才能实现CP1430的冗余切换，所以我们只能选择双网卡同时工作的方式，也起到了冗余保护的作用。

为企业MIS系统提供数据也是本项目所要求实现的功能。通过在WinCC中编写全局脚本，通过定时触发以生成数据文件，MIS服务器会定期到指定位置获取数据，从而运用比较简单的方法丰富了系统功能。

在这个项目中，用户对控制系统的自诊断功能也提出了比较高的要求，要求系统能够实现对电源、CPU、I/O模板、网络的实时监视和故障诊断。我们利用PLC和WinCC中具有的系统监视和诊断功能，实现了上述要求，为问题的预测和快速查找提供了有力支持。

这套系统至今已经运行一年有余，一直保持稳定的运行状态，整体工作情况受到用户（包括操作人员、维护人员）的高度肯定。今年应用户要求我们又为这套系统增加了一套ET200M的DP从站，使整套系统工作更趋于完善。

五、应用体会

在这次项目的实施过程中，我们充分感受到了西门子PCS7系统所体现的全集成自动化的概j与传统的项目相比，使用PCS7更需要注意的是对全局的把握，因为PCS7的优势就是对整个工过程的控制，编程人员可以有一个清晰的思路，避免了接口的混乱，提高了协同工作能力，使原分散的工作都集中到同一个环境中进行。现在西门子已经推出了专门应用于水泥行业的控制系 CEMAT，它是在PCS7的基础上开发的，这套系统包含了PCS7的所有功能和特点，并按照琳行业的要求提供了大量定制功能和标准模块，使系统的开发过程更快捷更专业。我们有理由相信着应用技术的发展和成熟，西门子产品在水泥行业的成功会和在其他行业所取得的成就一样受蛰人的瞩目。