西门子自动化解决方案在水泥行业应用

概述
广州水泥厂位于广州市花都区新华镇，珠江支流巴江河北岸。考虑到企业自身发展的需要和周边居民对空气环境改善的期盼，广州水泥厂于2004 年4 月开土动工迁建，并计划于2005 年上半年建成投产。该项目总投资10 亿元，建成后将达到年产230 万吨水泥的规模。集散控制系统以下对新广州水泥厂环保迁建工程项目6000t/d) 集散型控制系统的系统规模、系统功能、操作功能等性能进行介绍。
西门子公司在此项目上使用的是新一代集DCS 和PLC 的优点于一身的集散控制系统PCS7，系统结构如下图所示。

它的主要特点如下：
. 彻底打破了DCS 和PLC 的界限由于PCS7 AS 控制站采用的硬件与SIMATIC S7-400 系列高档控制器相同，这样就可以使得PCS7 的控制器和S7-400 控制器在硬件上是彻底兼容的, 从而彻底解决了硬件平台不一样的问题，系统的安装、维护、管理和备件的问题都得到了解决。在硬件统一的基础上，PCS7 更进一步实现了软件的统一。在PCS7 的工程师站可以对PCS7 的控制器、操作员站进行编程和组态。同时，可以将整个项目有关的组态信息，如I/O 点数、I/O 规范( 量程范围、信号制等)、联网设备的地址、现场设备的设置参数( 如变频器) 等都统一地存储在一个唯一的组态文件中，并且这些组态信息可以下载到PCS7 的控制器中，当需要更换现场设备时，可以直接更换，有关的设备设置信息可以由控制器直接下载到有关的现场设备中，从而避免设备设置错误，减少停机时间。
. 更加方便的组态工具
PCS7 的主要组态工具为CFC( 用于模拟控制的组态) 和SFC( 用于逻辑控制的组态)，同时保留了语句表和梯形图的编程方式。各种不同的编程方式所做的用户程序，经过编译后生成统一的程序块，经过有关的OB 块调用后即可执行。
. 完全融合了现场总线技术
由于采用了目前市场占有率最高的PROFIBUS 总线技术，PCS7 既可以支持I/O 站又可以支持其它高速现场设备如变频器等。所有的现场设备都可以通过工程师站进行组态、参数设置、监控、诊断等。
网络结构
采用三层网络结构：监控终端网( 普通办公室以太网10/100Mbps)、系统总线( 高速工业以太网10/100Mbps)
和现场总线(PROFIBUS 12Mbps)。通过三层网络实现监控终端、监控系统、控制器、工程师站和现场设备的连接。监控系统采用冗余服务器/ 客户机结构。当一台服务器故障时，客户机可以自动登录到另外一台服务器上。当故障的服务器修复后重新投入时，有关的历史数据可以自动更新到新投入的服务器中。这样就可以保证在任意一台服务器中时刻都可以保存着完整的整个系统的数据。在一个系统中最多可以有12 对互相冗余的服务器，每对服务器最多32 台操作员终端。
CEMAT
CEMAT 是西门子公司专门针对水泥厂设计的工艺控制软件，并且在恶劣的环境中经历多年的验证。该系统在水泥行业广受欢迎，使用厂家数量不断攀升。西门子基于对水泥生产过程工艺的深刻理解，联合世界上众多水泥生产厂家一起设计开发了CEMAT 系统。开发和支持CEMAT 的工程师们在水泥行业的从事经历可以追溯到35 前。CEMAT 现在是基于西门子的过程控制系统PCS7，它为现代的、面向未来的、经济型的水泥解决方案提供了独特的、开放的系统架构。
STEP7 程序管理器
STEP7 程序管理器是SIMATIC S7 系列编程语言，用来处理变量连锁控制。STEP7 可以用IEC-1131 标准编程语言(STL，LAD，FBD，CFC，SFC 和SCL) 进行编程。在PCS7 中，CFC、SFC 和SCL 作为主要的组态工具，用于完成传统DCS 中连续过程控制任务的组态。如果在一个项目中，有很多离散过程如联锁控制等，则可采用STEP7 中其它几种编程语言，很方便地进行编程，这是对传统DCS 系统处理离散控制任务能力不强的一个补充。
CFC
CFC 是一种简洁的图形组态工具，它采用了IEC-1131 的标准。使用CFC 有助于节省时间和费用，同时大大地简化了系统的组态和维护。用CFC 进行组态时是以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。功能块在CFC 中的连接直接用鼠标点接。每个CFC 由6 页组成。功能块之间的连接可以在不同的CFC 之间的
不同的页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC 可以完成很复杂的大型控制任务。CFC
主要用于连续过程的自动化控制任务的组态。
SFC
SFC 也是一种图形组态工具，它也采用了IEC-1131 的标准。SFC 主要用于小型的批量操作等顺序控制的自动化任务。这种图形化的组态工具在组态时，首先画出顺控的顺序图。顺序图中，可选择顺序、并行分支、交替分支和回路等局部结构。图中用大小两种方块分别表示步骤(Step)和转移条件(Transition)。顺控的顺序图一旦建立，只需把步骤中要执行的任务和转移条件中的条件写入，顺控的组态任务即得到完成。在组态时，由于很多步骤中的任务和转移条件都与CFC 有关，因此，可把CFC 中的信号引入SFC 中。CFC 与SFC 的交替使用，可以很方便地实现复杂的顺控任务。
  
SCL
SCL 是一种类PASCAL 的高级语言，它采用IEC-1131 的标准。利用SCL 可以很方便地编制用户功能块。用SCL视窗控制中心( 简称WinCC)操作员站用于对整个PCS7 进行监控。服务器与控制站之间通过西门子工业以太网通讯，服务器与客户机之间通过普通办公室以太网通讯。操作员站是通过WinCC 人机界面软件对系统进行监控。WinCC 是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术、与微软公司共同开发的、居于世界领先地位的工控软件。系统带有标准用户界面( 概貌区，画面区，按钮区，趋势，报警行，面板)，具有分层结构和简单导航以及固定区域的多窗口设计，方便用户操作，还可以防止概貌区与按钮区重叠。具有丰富的标准面板，用以控制各种设备和控制策略，如电机，阀门，PID 控制，步进控制等等。报警管理具有屏幕层次及组显示、回路显示功能。可以通过一次鼠标点击，直接从概貌区跳到报警画面，由操作员决定哪个报警最重要。
强大的趋势显示功能，每一趋势最多显示10 个标签，可以缩放，有标尺( 同时在表格显示数值)、时间刻度可调整，趋势显示可暂停。显示画面可滚动( 前/ 后)，单一Y 轴可显示所有标签值(%)，也可选择使用几个Y 轴分别显示各自标签值，趋势图能显示和合并在线过程值和归档( 历史)数值。灵活的用户管理。每一操作员/ 组可被分配自定义授权，报警过滤/ 访问控制由过程区域划分，共享自定义功能，可锁定/ 共享工厂分区，授权访问使用口令或者智能卡，安全功能可应用至每个操作或者对象。其它一些特殊功能，如智能卡阅读器用于简单和安全的用户识别；在过程画面中加入视频输入；每个操作员/ 组能被分配给单独的功能、区域等的操作授权；带有DCF 77或者GPS 接收器的中央时钟同步；信号模块报警声光提示；在线语言切换。
本工程采用了西门子公司专门为水泥行业开发的CEMAT软件，使用了融合DCS 和PLC 技术的PCS7 过程控制系统，在全厂安装了分布式现场总线，系统总线采用高速光纤以太环网。这些先进的产品和技术保证了工程的先进性，并大大缩短了工程实施中编程和调试的时间，使工厂得以顺利投产并取得了良好的效果。生成的功能块可在CFC 中被多次调用。用户可以把过程的数学模型和优化控制策略用SCL 编成功能块，直接下载到控制器中运行。这样，可以把过程的优化控制放在控制器中，实现对工艺过程的优化控制。
工程师站
工程师站用于对整个PCS7 系统进行组态，采用了集成的全局数据管理和统一的组态工具。这个组态工具就是
SIMATIC 程序管理器，它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件。在软件开发方面，采用了面向对象的技术。与传统DCS 系统相比，西门子PCS7 的组态直接面向工艺过程。在SIMATIC 程序管理器下，有多种组态工具可以使用，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个同一的数据库中。这些组态工具是：水泥行业专用工艺控制软件CEMAT、CFC( 连续功能图)、SFC( 顺序功能图) 和WinCC 视窗控制中心等。
操作员站( 简称OS)
所有OS 专用的组态是用在SIMATIC 程序管理器中的相应工具完成的。流程图是用图形编辑程序建立的，动作、文档、记录和曲线是用组态方式完成的。报警功能是通过组态实现的，不必多重输入，同时CFC/SFC 功能块中已隐含了报警功能。将AS 的组态链接到OS 中时，AS 中的图象块之间的连接、功能块的报警和文档变量都可隐含产生，不需任何附加的配置工作。
功能块库
采用现成的功能块库，可以大大减少工程费用。为了适合各种不同工业领域的要求，PCS7 预先编制了大量实用的功能块，以供用户选择。这些功能块包括：I/O 卡件、PID回路、驱动、传动、电机和阀门等。功能块包括了在ES中的CFC 图形和OS 中显示的面板。
数据库
SIEMENS PCS7 系统采用具有标准化、开放性、性能优秀、功能强大的关系型分布式数据库平台作为数据采集、数据处理、数据分析和制造执行系统的数据库支撑系统。关系型、分布式数据库平台不同于一般的数据库支撑系统，它能保证系统数据的完整性、一致性和系统各个部分数据的同步性，具备多种形式的数据查询、数据关联和数据索引方式。
SIEMENS PCS7 系统采用了微软的SQL SERVER 关系型数据库管理系统，该系统能实现完整的数据管理功能，包括能支持在异种网上提供透明的数据管理，而且应用软件开发包所集成的SQL_Anywhere 与SQL_SERVER 有着非常好的整合性，确保了数据库的数据完整性。