SIMATIC PCS7在CFB电站循环硫化床锅炉上的应用

内容简介：现在电站自控系统普遍采用分散控制系统（DCS），SIEMENS公司的SIMATIC PCS7作为一种优秀的过程控制系统，广泛地用在钢铁、化工、电站行业，本文介绍了该系统在河南省某水泥厂自备电厂中的应用情况和心得。
主题词：PCS7 CFB电站 应用
一、工程概述：
河南省某水泥厂自备电厂机组是由2520t/h水泥炉窑尾气余热炉、1545t/h补燃煤CFB锅炉和1512MW的汽轮发电机组组成，主要是供厂内水泥生产线用电及部分生活用热。其中，补燃锅炉是哈尔滨锅炉厂引进美国CPC技术生产的细粉高速循环流化床锅炉，与一般循环流化床锅炉的区别在于：在炉前右侧布置了一台负荷调节装置（床料仓），其工作原理为通过负压系统从炉床抽取床料储在仓内，并根据负荷调节的需要将其中的床料回放入到炉床上来控制床料高度和温度，以达到调节负荷的目的。而一般的CFB主要是通过各种型式的分离器分离烟气中未燃尽颗粒，再以机械或非机械方式送回炉膛，通过调整回料量、给煤量和风量等手段来调节床温和负荷。另一区别是该类炉的燃料粒度较一般CFB炉细，燃料温度和石灰石投入方式不相同。项目设计单位是天津水泥设计院，四川东方电脑工程公司负责提供DCS硬件，并完成DCS的设计组态和现场调试工作。
本项目采用SIEMENS公司SIMATIC PCS7集散控制系统，最终实现对整个自备电站的控制
和安全经济地运行。
二、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。
三、本项目系统构成：
1． 硬件：
采用三个过程控制机柜：1APL、2APL、3APL。在1APL、3APL内各安装1套过程控制器AS4142DP。1APL中的过程控制器，处理循环流化床锅炉部分的测点和调节回路，3APL中的过程控制器，处理汽轮发电机组和两台余热锅炉部分的测点和调节回路。共使用了13个ET200M远程控制机架安装各种I/O模块。所处理信号如下：
信号类型 实际使用点数 模块配置
AI 4~20mA 180 29 X 8AI
RTD 82 24 X 4RTD
T/C 64 9 X8T/C
AO 31 9 X 4AO
DI 71 15 X 8DI
DO 14 3 X8DO
过程状态监控管理设备为2台OS站，1台ES站，出于项目成本考虑，均采用SIEMENS公司推荐的Dell公司高性能商用计算机。配置为：PⅡ400，4.3Ｇ硬盘，１２８Ｍ内存，带８Ｍ显存的集成显卡，１９"高分辨率SVGA彩色显示器。在项目实施过程中，Dell公司的商用计算机表现出了优异的性能。
系统打印机为3台：EPSON MJ-1500K+ 彩色喷墨打印机。选用该种打印机是基于以下因素：
a) 噪音低
b) 使用彩色进行不同级别和种类的报警和信息记录
c) 能使用宽行连续打印纸，这是普通喷墨打印机不具备的功能。
　2. 网络
分为下层控制网、上层管理网。
下层控制网采用同轴屏敝电缆，适合欧洲Profibus标准，通过每个ET200M上的IM153－1通讯卡与AS4142DP控制器互相连接，满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯，为Profibus－DP现场通讯网。
上层管理网分为二类。一类为采用同轴电缆，适合欧洲Profibus标准。通过OS站、ES站和控制器上的CP443－5通讯卡相连接，满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理，实现数据共享。另一类为采用同轴细缆，符合TCP/IP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的D-LINK网卡连接，主要实现工程师和操作员站之间文件管理、拷贝。
３．软件
操作员站OS和工程师站ES均采用微软英文版Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０作为操作系统，附加安装版Package ３和Internet explorer ４.０，汉字处理采用中文之星For Windows NT V2.0，使得除工程师组态以外的所有信息、界面均实现汉化。
操作员站另加载了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NET Profibus-S7、WINCC ADVANCED PROCESS CTRL.、WINCC BASIC PROCESS CTRL．等监控软件。
在操作员站所加载软件的基础上，工程师站还加装了SIMATIC STEP7 BASIS V4.0、　 CFC V4.0、S7-SCL V4.0、SFC V4.X 等组态功能软件。除用于系统软、硬件组态外，ES站具有与OS站完全相同的功能，可以兼做OS站，起到了降低用户成本的作用。四、系统功能
系统是对补燃炉、余热锅炉、汽轮机、发电机进行重要参数的显示，对以下回路进行自动调节。
补燃炉汽包水位调节系统 补燃炉炉膛压力调节系统
1#余热炉汽包水位调节系统 2#余热炉汽包水位调节系统
除氧器压力调节系统 除氧器水位调节系统
冷凝器热井水位调节系统 补燃炉二次风量调节系统
二级过热器入口温度调节系统 主蒸汽温度调节系统
以班报的形式对所有重要参数进行一小时报表自动打印。
以趋势图的形式对DCSI/O清单中所有要求的记录参数进行８小时趋势显示，并可按操作员
要求随时打印。
工艺流程画面主要有下面几幅，并可随意切换：
锅炉烟风系统图 锅炉汽水系统图 汽机热力系统图
余热炉热力系统图 除氧给水系统图 发电机油系统图
应用色彩和闪烁变化表示各种报警信息。报警信息可按报警产生顺序在Alarm log中查阅、打印。另外，根据锅炉制造商对控制的要求，并参考美国NFPA8504常压循环流化床锅炉运行规范，还设计了必要的保护功能。
五、PCS7系统的应用心得
我们在这次工程的程序设计中，由于没有太多的顺控功能，基本上只用到CFC程序组态，这样也方便用户有限的技术人员尽快掌握。CFC程序组态是一种图形式的组态，方便、直观，操作简便。PCS7将许多逻辑、运算功能形成了功能块，在进行程序组态时，如需用到某种逻辑、运算功能，就可在PCS7的功能块库中找到与之相应的功能块，将其直接拖放至CFC组态画面即可。用户还可利用PCS7提供的一种类似PASICAL语言的SCL程序结构化控制语言自定义特殊功能块，并存在功能块库中，随意调用。
DCS中使用的所有模块（包括PID块、数据块、I/O模块等）都只是在PCS7的组态画面中出现，并不能在WINCC人机界面上出现。此时，若需要某个模块在WINCC人机界面上出现，则只需要给该模块添加WINCC属性。
在工程师站上完成所有程序组态，编译无误后，将程序下载至过程控制器，这样，过程控制器中就有了经过编译后的用户程序；再将有用户程序的用户项目传送到操作站，用户程序就传给了WINCC人机界面，在程序组态时，已被定义具有了WINCC属性的各模块的标签值就能在WINCC中被找到，再通过WINCC画面组态，就可完成人机对话、参数的画面显示等，从而完成PCS7和WINCC（内核与显示）的结合。WINCC功能十分强大，而使用起来又非常方便，在编制各种画面、报警归档等功能时，都可应用其标准的功能来完成。
硬件组态也是一种图形化的组态方式，十分方便。对某一过程站而言，实际带有若干ET200远程I/O，组态画面中，就在该过程站后的PROFIBUS-DP网络线上拖放几个IM153模块形成几个ET200远程I/O接点。硬件组态中的所有模块，都可以从PCS7提供的元件库中找到相应型号、定货号的模块，将其拖放至与实际安装相对应的位置即可。硬件组态配置完成后，下载到相应的过程控制站。这样，就使得实际硬件安装模件和硬件组态相一致，从而，I/O模块上的每一点的点号地址就得以确定。
由于我们是首次使用PCS7系统，在使用中也遇到一些问题。如，在硬件组态中对8AI模块通道组态时，才发现系统要求相邻的两个通道（如0,1，23），必须接相同类型的信号，而不得不重新布点；程序组态时，经过换算得到的流量信号不能直接传往WINCC人机界面，而必须将其加载到数据块上，把数据块传至WINCC才能实现流量信号在WINCC画面上的显示。类似的限制，都使得系统显得不够灵活。
系统现场信号接线有板前与板后两种方式，该工程中使用的是板前接线方式，由于现场信号线多，使得柜内接线杂乱。对于点数多的系统，建议使用板后接线方式。
PCS7系统中模块抗干扰能力较强，我们将通讯电缆沿机柜左侧进入和布置，而将现场信号线从机柜右侧进入和布置。模拟信号按规定完成屏蔽接地，在该工程现场调试过程中，我们很少遇到系统干扰问题。
我们发现在软件和网卡的安装上有个顺序问题：应先装Windows ＮＴ Workstation Ｖ４.０操作系统，然后装D-LINK网卡，再装WINDOWS NT PACKEAGE 3，装入IE 4.0，装入中文之星V2.0，再装WINCC，最后装入CP5412卡，否则易发生冲突。
当系统需要重装系统时，应先收回OS站和ES站中所有授权。由于本项目使用的是V4.0版软件，采用软盘收授授权，比较麻烦。据SIEMENS介绍，新版本软件较好地接解决了这一问题。
六、结束语
本项目从合同生效至完成调试，总共不到3个月时间，其中给予组态设计的时间非常短，而PCS7对我们来说又是一个较新的系统，但由于有SIEMENS工程师的有力支持，工作进展非常顺利。
在此项目过程控制系统中，CFB的控制应是难点。CPC的细粉高效流化床项目是国家高效工业锅炉引进项目的主要内容之一，同我们以前熟悉的东方锅炉股份公司研制和引进美国FW公司的CFB炉不同。但遗憾的是，该项目的规划设计单位未设计燃烧、负荷调节和二氧化硫控制等关键的自动调节系统，而均采用了手动调节。另外，现场部分被控对象，如国产调节阀调节性能太差等原因，一些调节系统尚不能投入自动运行。
我们计划还要进行的工作是：在机组稳定负荷运行和被控对象调节性能达到要求后，尽可能将各调节系统投入自动。尤其对其中2台余热炉向补燃炉提供预热给水（通过调整尾气量和给水量来调整出水温度）、补燃炉再进行最终负荷调节这样一个较复杂的复合调节系统，值得仔细探索、研究。
第一作者简介：范维剑，1991年毕业于哈尔滨船舶工程学院，东方锅炉股份有限公司所属四川东方电脑工程公司技术部，工程师。联系地址：四川省自贡市四川东方电脑工程公司。