西門子PCS7在余熱發(fā)電DCS中的應(yīng)用

1、西門子PCS7在余熱發(fā)電DCS中的應(yīng)用摘要:利用水泥生產(chǎn)工藝中的中、低溫廢氣進(jìn)行余熱發(fā)電，不對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是當(dāng)前國家緩解能源緊張、環(huán)境污染等問題的一項重大舉措。本文從DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析和系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計入手綜合分析西門子PCS7在余熱發(fā)電DCS中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:PCS7系統(tǒng)冗余DCS系統(tǒng)隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊張的問題日漸突出，利用水泥生產(chǎn)工藝中的中、低溫廢氣進(jìn)行余熱發(fā)電，不對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是當(dāng)前國家緩解能源緊張、環(huán)境污染等問題的一項重大舉措。我公司日產(chǎn)5000噸熟料生產(chǎn)線所配套的9000kW純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，其中DCS采用西門子的PCS7是基于全集成自動化的思想與Pr

2、ofibus現(xiàn)場總線技術(shù)熔為一體、功能強(qiáng)大、面向工藝的新一代過程控制系統(tǒng)。1系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.1冗余的中央控制器在系統(tǒng)中，中央控制器是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的冗余功能也是由中央控制器來完成的。在PCS7系統(tǒng)的中央控制器中支持冗余技術(shù)的有CPU414-4H和CPU417-4H兩款控制器，綜合考慮系統(tǒng)的點數(shù)及程序量大小，選用CPU414-4H作為本系統(tǒng)的中央控制器。冗余中央控制器是一對互為備用的控制器，在正常工作狀態(tài)，其中一個控制器作為主控制器，另一個控制器作為從控制器。兩者通過CPU上的同步模塊和同步光纖完成同步數(shù)據(jù)交換。為了減少主從控制器之間的通訊量，節(jié)約通訊時間，主從控制器之間的數(shù)據(jù)交換采用事件驅(qū)

3、動，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有事件發(fā)生，將此事件作為數(shù)據(jù)交換的標(biāo)記，保證了數(shù)據(jù)交換完整的同時也減少了通訊量。一旦主控制器出現(xiàn)故障，從控制器將變?yōu)橹骺刂破?，冗余系統(tǒng)將工作在單機(jī)模式，待故障排除后，系統(tǒng)恢復(fù)為冗余模式，此時原來兩CPU的關(guān)系從主從關(guān)系改變?yōu)閺闹麝P(guān)系。1.2工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)是中央控制器與操作站之間傳遞數(shù)據(jù)的媒介，其結(jié)構(gòu)組成為：(1)工業(yè)站中的工業(yè)以太網(wǎng)卡。(2)工業(yè)以太網(wǎng)控制器(CP443-1)。(3)兩個工業(yè)交換機(jī)，一條作為物理媒介的工業(yè)網(wǎng)線，當(dāng)通訊鏈路中的一點或某一段出現(xiàn)問題時，環(huán)網(wǎng)鏈路打開，但保證以太網(wǎng)通訊的正常工作。出錯后的快速網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是工業(yè)應(yīng)用不可缺少的特性。否則，連接終

4、端會關(guān)閉邏輯通訊連接，導(dǎo)致控制過程停止或系統(tǒng)的緊急停機(jī)。為了達(dá)到所需要的快速響應(yīng)時間，SIMATICNET使用特殊開發(fā)的冗余控制過程。用這種過程，可以在幾分之一秒的時間內(nèi)重構(gòu)一個可用網(wǎng)絡(luò)。1.3PROFIBUS-DP網(wǎng)的冗余由于鍋爐控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)綜合保護(hù)、供水系統(tǒng)等在余熱發(fā)電工藝中有著較高的可靠性、穩(wěn)定性、快速性的要求，在DCS系統(tǒng)引入控制器冗余的同時也引入了PROFIBUS-DP網(wǎng)的冗余，當(dāng)系統(tǒng)中任意一個DP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)問題時均能快速切換至另一個網(wǎng)絡(luò)通道保證系統(tǒng)正常運行,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。2系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計2.1根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場設(shè)備布置，將DCS系統(tǒng)分成了四個部分汽輪機(jī)房部分，冗余

5、的控制器CPU414-4H、上位機(jī)、工業(yè)交換機(jī)以及汽機(jī)房的遠(yuǎn)程I/O站分布在這里，完成汽機(jī)房內(nèi)各設(shè)備的信號采集、運算處理及設(shè)備控制等功能。窯頭鍋爐部分，設(shè)有冗余的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接口，是控制窯頭鍋爐主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程I/O站，完成窯頭各設(shè)備的信號采集與傳遞。窯尾鍋爐部分，設(shè)有冗余的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接口，是控制窯尾鍋爐主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程I/O站，完成窯尾各設(shè)備的信號采集與傳遞。循環(huán)水泵房，同樣設(shè)有冗余的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接口，主要負(fù)責(zé)循環(huán)水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O數(shù)據(jù)采集及傳遞。2.2I/O控制點數(shù)統(tǒng)計模擬量輸入：300個,信號類型有兩線制和四線制420mA及PT10

6、0三種類型。模擬量輸出:32個,信號類型均為420mA電流信號。數(shù)字量輸入:350個,信號類型為無源數(shù)字量輸入信號。數(shù)字量輸出:250個,信號類型為無源數(shù)字量輸出信號。2.3系統(tǒng)硬件選配機(jī)架:冗余機(jī)架UR2-H,18個插槽。電源模塊:標(biāo)準(zhǔn)電源模塊PS40710A,交流電源供電,120V/230V,10A,一路來自UPS輸出,另一路來自廠用電。CPU模塊;CPU414-4H,工作內(nèi)存1.4MB(代碼),1.4MB(數(shù)據(jù));0.1ms/1000條指令,8kBDI/DO尋址，集成MPI、PROFIBUS-DP接口可以作為MPI網(wǎng)或PROFIBUS-DP網(wǎng)主站。以太網(wǎng)通訊處理模塊:CP443-1為S7

7、系統(tǒng)用于工業(yè)以太網(wǎng)的通訊處理模塊，支持TCP/IP協(xié)議(使用S7庫中SEND/RECEIVE和FETCH/WRITE塊,支持長數(shù)據(jù)傳送,UDP、TCP、ISO、S7等通訊協(xié)議,模塊重置無需編程器，速率10/100Mbps,固定MAC地址。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊及接口，用于構(gòu)成PROFIBUS-DP網(wǎng),從現(xiàn)場I/O讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。分布式智能I/O模塊:ET200M是基于SIMATICS7-300的模塊系列，將所有的S7-300I/O模塊通過接口模塊IM153與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線相連。因此能夠提供一系列I/O模塊;從簡單的I/O模塊到用于計數(shù),控制和定位的功能模塊,將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過I/O模塊及PROFIBUS-DP傳送給CPU。參考文獻(xiàn)潘淑琴，王中偉.DCS系統(tǒng)在水泥廠的應(yīng)用及維護(hù)J.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2004(增刊):113-114.孫星壽，周賀國內(nèi)外水泥行業(yè)對比研究及政策思考J中國水泥,2002(7):6467.國家統(tǒng)計局中國統(tǒng)計年鑒M.北京：中國統(tǒng)計出版社,2006:24.張忠倫，隋同波,丁洪濤，等.水泥工業(yè)的應(yīng)用研究