西门子PCS7在某电厂锅炉补给水系统中的应用设计

　摘要 西门子公司的SIMATIC PCS7 作为一种优秀的过程控制系统，广泛应用于电厂、钢铁、化工、能源、造纸等行业，而且可以实现控制系统的冗余，本文描述该控制系统在某电厂水网――锅炉补给水系统中的应用。
　　关键字 PCS7 冗余 应用
　　一、工程概述：
　　为了给2×300MW机组的锅炉补给水提供完整的分布式控制系统，另外还要给原来机组1×200MW机组的锅炉补给水，满足整个电厂锅炉的补水要求。
　　本项目采用SIMENS公司SIMATIC PCS7过程控制系统，最终实现对锅炉补给水控制系统的分布式控制和系统正常运行。
　　整个锅炉补给水系统主要包括：清水系统、软化系统、阴阳离子交换系统、二级除盐系统、除盐水箱系统、压缩空气系统、阴阳树脂擦洗系统，废水排放系统、综合水泵房等，涉及绝大部分设备的控制和回路控制，所有点均可在SIMATIC PCS7中显示、报警、数据分析和控制。
　　二、系统要求
　　1．控制系统设计的总体目标
　　?为新老机组的锅炉提供充足的除盐水；
　　?提高锅炉补给水的自动化水平；
　　?实现实现锅炉补给水系统的高品质运行，提高运行经济性；
　　?提高运行人员工作效率，满足整个系统运行全能值班要求；
　　?提高效益，降低能耗。
　　2．系统设计及应用时的设计思想
　　1) 功能设计：体现DCS建成后的自动化程度、处理事故能力（报警、分析、指导、处理等）及先进的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗为设计思想。具体如下：
　　对象控制
　　?按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成，达到能量平衡。
　　?保障系统安全、可靠、高效运行和启停。
　　提高锅炉补给水系统运行的技术经济效益
　　?实现高自动化投入率，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。
　　完善的操作指导和事故分析手段
　　?系统运行工况可由很多监测参数反映出来，当运行工况出现异常时，提供相关参数、趋势、图表等高效方式通知运行人员及时处理。
　　?操作记录打印、报警打印、事故追忆打印、周期性报表等功能，有助于系统日常管理和事故分析。
　　?高效、便捷的系统在线维护。
　　2) 系统设计：体现DCS的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下：
　　可靠性设计：
　　?所有部件标准化、通用化、模块化。
　　?控制系统按分层、分散、自治的原则。
　　?冗余设计：通讯总线、电源、I/O总线、CPU均为冗余配置。
　　?所有I/O模件均为智能化设计，采用隔离措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有软件数字滤波和消除偶发干扰的措施。
　　维护性设计：
　　?可带电插拔。
　　?系统自诊断至通道级。
　　?选用模块化的功能组态软件，提高软件透明度。
　　扩展性设计：
　　?采用工业以太网网络结构，通讯速率100MBPS，主干网采用冗余环网，个子站通过双绞电缆挂接在主干网络上，有极强的通讯扩展能力。
　　?提供与其它系统的通讯接口，如工业以太网、PROFIBUS DP或MODBUS。
　　开放性设计：
　　?支持国际标准数据接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
　　?标准MIS数据接口站，与厂级MIS互联。
　　?支持SIS系统，实现对DCS数据的监控。
　　三、PCS7系统的主要特点
　　 PCS7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。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。系统大量采用了新技术，在网络配置上，使用标准工业以太网和PROFIBUS网络。由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。
　　四、系统配置与功能实现
　　根据锅炉补给水的需求和系统的可维护性、可扩展性的要求，本系统的硬件配置和网络布置如下图所示：
　　

　　
　　从硬件配置上来看：
　　1） 冗余服务器（MS and SS）、操作员站(OS站)、工程师站(ES站)，每个站都采用台湾的研华工控机。
　　锅炉补给水系统分为两台服务器，一台是主服务器、一台从服务器
　　服务器完成数据采集、数据备份等功能，服务器也是采用研华工控机。
　　 OS站为操作员提供图形、列表、操作、历史数据再现等，可在打印机上输出。运行Windows 2000多任务网络操作系统下的PCS7 OS站应用软件。所有OS站均为全能值班配置，图像、操作、数据一致。
　　系统配置1套工程师站（ES站），采用成熟、可靠的研华工控机。
　　ES站主要完成实时数据库、控制块、图形、趋势、报表等系统数据的生成和下装，完成对系统的详细自诊断和系统数据的列表和后备。运行Windows 2000多任务网络操作系统下的PCS7 ES站应用软件。
　　2）冗余的CPU414-4H中央控制单元
　　本自控系统现场控制站的中央控制器采用冗余设计，它由2套AS-400型中央控制器组成。它们预装有冗余软件，并通过一个通讯接口实现相互连接。在系统正常的运行中，当某个中央控制器出现故障时，另一个中央控制器能自动接管所有的工作，保证了系统继续正常运行。因此系统现场控制站的AS-400中央控制器具有很好的冗余性能。
　　AS 的中央处理器采用S7-400 系列工业控制器中S-414 以上的CPU，专为过程控制应用设计，CPU 芯片的底层程序采用类PASCAL语言编写，为CFC,SFC等过程控制语言提供平台。中央控制器中预装有冗余软件，用户在组态时可完全忽略其冗余特性，像对非冗余系统组态一样只需输入用户程序。
　　3）远程I/O站
　　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。
　　4）冗余的通讯网络
　　CP443-1作为标准的工业以太网连接装置，在物理层上采用高防护等级的通讯线缆，工业以太网的卡件上带有CPU可以独立处理通讯信号。高速工业以太网是在工业以太网的通讯协议的基础上，将通讯速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太网采用了全双工并行(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。SIMATIC NET 在高速以太网上还采用了交换技术，利用交换机模块将整个网段分成若干子网，每个子网都可以独立地形成一个数据通讯网段，可以大大地提高通讯效率。普通以太网上由于网段上数据通讯阻塞的存在，使得网络上实际通讯技术只有40%，采用了全双工并行通讯技术和交换技术后，使得网络的通讯能力得以充分地利用
　　5）本项目采用6个过程控制机柜：1CP、2CP、3CP、4CP、5CP、6CP，在1CP内安装1套冗余过程控制器AS414-4H和整个控制系统的供电电源。5CP中安装了网络交换机。共使用了8个ET200M远程控制机架安装各种I/O模块。所处理信号如下：
　　锅炉补给水系统I/O点数配置
　　

　　
　　系统功能的实现：
　　根据锅炉补给水系统的特点以及I/O点的分布情况，进行以下设计：整个锅炉补给水系统分为清水系统、软化系统、阴阳离子交换系统、二级除盐系统、除盐水箱系统、压缩空气系统、阴阳树脂擦洗系统废水排放系统综合水泵房等、
　　1）、清水系统
　　

　　
　　本子系统含有6个过滤器，每个过滤器有7个阀门，这样对于每个过滤器有组操，单操，自动操作。以下其他系统也有同样的操作。
　　2）软化系统
　　

　　
　　本系统含有三个钠床，同样的，每个钠床也有组操，单操，自动操作。
　　3）阴阳离子交换系统
　　

　　
　　阴阳离子交换系统有三个，称为1＃、2＃、3＃阴阳离子交换系统，在阳离子交换器中注入酸交换阳离子，在阴离子交换器中注入碱交换阴离子，生成的除盐水送入二级除盐系统，部分用于阴阳离子交换的酸碱稀释。
　　4）二级除盐系统
　　

　　
　　5）除盐水箱系统
　　

　　
　　6）压缩空气系统
　　

　　
　　7）阴阳树脂擦洗系统
　　

　　
　　8）废水排放系统
　　

　　
　　9）综合水泵房
　　

　　
　　五、结束语
　　 此控制系统运行系统稳定、可靠。极大地提高了劳动生产率，该系统有效地解决了生产中的很多问题，如减少了生产过程中的突发故障，缩短了生产准备时间和抢修时间，减少了工人的劳动强度，为电厂锅炉补给水处理创造了可观的经济效益和社会效益，达到了节能、降耗的目的。