西门子S7-400及PCS7
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，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、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：燃美光隐形眼镜
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网络标准和工业以太网。半有源电子标签
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、高效率建立通讯加密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PASC
AL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；D
CS系统的网络体系结构如下图所示：
仓栅车
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，其中每波特率发生器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冯代存台炉的模件。
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。
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。
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