西门子DCS系统在水泥粉磨中的应用
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【摘要】DCS自动化控制系统在水泥企业已被广泛应用，不仅使得水泥企业自动化程度提高，也促进了水泥企业的发展，符合新水泥厂构建新型管理体系的规划。水泥公司的窑系统与水泥粉磨站系统自动化有的分开控制，将多个水泥粉磨站成为一整体项目，由DCS系统统一配置、组态、维护水泥粉磨的生产。
1.系统介绍
水泥企业一般都是从工艺上分原（生）料系统、煤粉系统、窑系统到熟料输送的自动化控制系统，简称烧成系统。对于有的企业水泥粉磨较多的情况下，与窑烧成系统的控制分开，将多个水泥粉磨站的DCS系统完全整合在同一软件平台控制，操作站整合在一个项目下，任意一台操作员站可以控制几个水泥粉磨站的任意一台设备。系统采用德国西门子（SIEMENS）公司Wincc + Step7自动化平台为主的集散型控制系统。
1.1 硬件配置
整个DCS 控制系统的通讯采用二层网络进行数据交换。一层网络为控制层，包含CPU、通讯设备，通讯网络为工业以太网和Profibus DP，4-20mA信号工业标准。二层网络为操作层，包含工程师站及操作员站，通讯网络为标准以太网;符合IEEE802.X标准，采用TCP/IP通讯协议，通讯速率为100Mbps。
1.2 软件配置
1.2.1 上位机系统SIEMENS的WINCC V6.2软件
WINCC，即WINDOWS_CONTROL_CERTER（视窗控制中心）。WinCC是一个全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。生成便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程，而且软件组态平台是中文版，易学易用。
1.2.2 下位机系统SIEMENS的Step 7软件
Step 7是可编程控制器的标准软件，对硬件的配置和参数设置，网络通讯组态，控制程序的编写、测试、启动和维护，生成程序文档，系统故障诊断等。V5.5版以上软件平台支持中文版，维护起来更方便，同时支持梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、语句表（STL）三种语言编程，且在编辑程序时，可以相互编写调用，灵活运用。
2.系统组态
2.1 系统简介
水泥粉磨的DCS系统，每个水泥粉磨站作为1个磨现场控制站;中央控制室设操作员站，并由 1台兼做工程师站构成，通过光缆与现场站通讯。每个现场站具体控制范围：从水泥配料、辊压机、水泥磨机、水泥入库、直到水泥包装。
2.2 PLC控制站组态
为了保证系统的一致性和稳定性，方便维护和管理，每个粉磨站的硬件配置型号统一，以S7-412主CPU模块为核心，通过工业以太网与上位机操作站进行数据交换，通过Profibus工业总线可独立完成对其所属的小系统和设备的控制与监视任务。它带有集成的PROFIBUS-DP主站接口。
2.2.1 下位机硬件的组态
（1）首先是现场硬件的配置
名称 模块型号 备注
电源模块 PS 407 10A
CPU模块 S7-412
通讯接口模块 IM151-1 IM 151-1连接CPU到PROFIBUS-DP
通 讯 模 块 CP 443-1 工业以太网TCP/IP通讯协议
分布式 I/O ET200S
ET 200S是PROFIBUS-DP现场总线的一个从站，最大数据传输率是12 Mbit/s。
ET 200S分布式I/O站主要由以下几部分组成：安装导轨，总线模板，IM151通讯接口模块，可靠的I/O信号接口模块。
由于ET 200S分布式I/O站的IM151通讯接口模块或SM系列I/O信号接口模块都安装在一个配有有源总线模板的机架上，ET200S的端子模块保证了其可以热插拔，使得ET200S分布式I/O站的每个模块能够在系统运行过程中带电热插拔更换。
（2）下位机硬件的软件组态
在项目管理器SIMATIC Manager里，建立项目，先对现场硬件进行软件配置，按照现场的硬件配置：电源、CPU、网卡、I/O模块等信息选择。配置完编译没有错误后，选择下载到CPU。然后，对I/O控制点编写符号列表，配备好每个点的地址。由OB1主程序块调用各FC、DB等功能块。程序各功能块编写、使用方法参阅西门子STEP7手册。
工程人员可以利用编辑语言LAD梯形图或STL语句表进行FC功能块等模块程序的编写，而且可以两者相接合，实现功能的需求，对设备开停机、设备间的保护联锁、温度、压力等模拟信号进行编写。
（3）通用设备控制方案
①普通电动设备控制方案
系统从设备检测备妥（DI）、运行（DI）信号，发出驱动（DO）信号;当备妥1时，系统允许操作人员从控制画面上开启该设备，否则，系统将提示信息，禁止操作人员从控制画面上开启该设备。
当设备运行信号为1时，系统认为该设备已经启动，将在控制画面上作相应反映（如停机红色变为运行状态绿色）。
若该设备与其它设备有连锁设定，当其它设备运行信号下沿到达时，系统将按照连锁设定关闭其设备。
②电动调节阀门控制方案
系统检测设备开限位（DI）、关限位（DI）、开度（AI）信号，发出开命令（DO）、关命令（DO）信号;当系统收到改变阀门开度命令时，系统比较开度值和设定值决定给设备发出开信号还是发关信号，当阀门开度达到设定值时，系统将撤除开或关命令;当开限位或关限位信号上沿到达时，系统也将撤除开或关命令;
③电磁阀控制方案
系统向设备发出驱动（DO）信号，设备返回运行（DI）信号;
2.2.2 上位机Wincc的软件组态
WINCC组态软件主要由控制中心、系统控制器、数据管理器和功能编辑器等构成。
首先，组态WinCC与Step 7之间的通讯，组态逻辑连接。在设置完逻辑连接节点名、网络地址（网络地址必须与PLC中的设置相同）等参数后，便建立了WinCC与PLC之间的通讯连接。其次，在已建立的通讯连接中定义变量或变量组。每个变量有三个设置项：变量名、数据类型、地址。其中最重要的是变量地址，它定义了此变量与PLC中某一确定地址如某输入位、输出位或标志位等一一对应的信号关系。完成变量定义后用基本元件或图形库中的图形制作生产工艺流程监控画面，将变量与每个对象连接，即相当于画面中各对象与现场设备相连，从而实现在画面上监视和控制现场设备。另外，还可以建立历史数据、报警存档、报表等功能的应用。
3.故障处理
3.1 工艺故障
由中控工艺操作人员通过对生产流程、设备的调节进行控制，或通知现场巡检工进行及时处理。
3.2 设备故障
必须由专业维护人员处理，操作员绝不能随意拆卸或乱敲乱打，造成设备的恶性损伤。发生故障时，操作员须及时反应故障的时间、现象、原因和现场操作状态，以便维护人员及时查找原因和恢复故障。
3.2.1 中央控制操作站上显示的参数值与现场实际值不相符
①检查设备输出端的电流是否正确。若不在4-20mA的范围内，则检查传感器和变送器是否已损坏，或检查传感器量程范围是否与变送器一致。
②PLC输入端电流信号与设备输出电流信号不一致的话，先确定工程师站参数、量程与现场设置是否一致;然后，有可能是传输过程中受到电磁场的干扰衰减或增强，应排除干扰流及检查线路的屏蔽和计算机系统的接地情况。
③有信号通过隔离器的，要对隔离器的输入输出端进行测量，判断是否隔离器问题。
④PLC的I/O模块通道是否因强电或感应电造成输入通道损坏，则需更换通道解决。
3.2.2 设备状态与监控画面的开关量不一致
查看此设备相关的PLC相应输出模块灯的状态是否有变化。如果无变化，则有可能是输出模块的通道损坏;或是控制程序、输出地址出错;或是条件不满足等都有可能造成。如果有变化，则要查看抽屉柜中控制回路、驱动用的中间继电器线圈、触点的好坏，端子接线是否松动等进行一一排查。
3.2.3 系统网络故障
若中控操作画面全部数据变暗变虚，表明上位机与现场控制站的网络通信中断，检查现场控制站的PLC电源是否正常;检查模块上是否有故障灯，是何故障引起;PLC站上的CPU和CP443-1通信模块是否处于正常工作状态，有无故障灯;光纤收发器是否正常通讯。如果故障依然，则检查光纤、网线是否断开，接口是否松动，发送和接收是否接反。
4.结束语
组态软件STEP7，对设备开停、双向驱动、称累计等具体功能进行程序执行，即使在上位机WINCC监控时短时间内出现故障，下位机PLC系统程序正常执行，信号的保持功能也能保证现场设备的正常运行;而WinCC采用面向对象的软件编程技术，对象的属性可以进行设定或编程以实现对该对象的动画及事件的触发，内嵌的ANSI-C语言减少了开发者的学习时间，并增加了其灵活性。在监控系统中，组态软件WinCC成功实现了开关量、模拟量等关键信号的监控，整套系统投入运行状态良好。
参考文献
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作者简介：张芸（1980―），女，江苏南京人，中级职称，现供职于南京中联水泥有限公司，研究方向：电气。