西門子CEMAT軟件在某水泥廠的應(yīng)用

一、 簡(jiǎn)介  

     位于四川廣安市的利萬(wàn)布森水泥廠為2500t/d新型干法水泥廠。該工廠于2003年底開工，2005年為5月投入生產(chǎn)?；A(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制范圍包括原料破碎、生料磨、窯頭系統(tǒng)、窯尾系統(tǒng)、水泥磨系統(tǒng)到包裝系統(tǒng)整條生產(chǎn)線?？刂葡到y(tǒng)采用了西門子PCS7系統(tǒng)，并應(yīng)用了西門子水泥行業(yè)專用軟件CEMAT軟件.

 

二、系統(tǒng)介紹

     西門子PCS7過程控制系統(tǒng)是集DCS、總線I/O 以及PLC為一體的新型全集成控制系統(tǒng)。具有分散控制、集中管理、 安裝方便、成本低和維護(hù)管理智能化等特點(diǎn)。

CEMAT軟件包是西門子公司專門為水泥行業(yè)開發(fā)的水泥控制系統(tǒng)。是一個(gè)集成化的標(biāo)準(zhǔn)軟件，具有多個(gè)專門用于水泥工廠過程控制優(yōu)化的功能塊，具有簡(jiǎn)潔的顯示方式，不需附加另外的專家系統(tǒng)就可完成組態(tài)和參數(shù)設(shè)置。該軟件包集成于PCS7系統(tǒng)，在PCS7集成的功能上增加了針對(duì)水泥工程的工程操作、故障診斷及聯(lián)鎖等功能塊，是具有獨(dú)特的、開放式的接口及經(jīng)濟(jì)的解決方案。1971年至今，CEMAT軟件包已在世界范圍已經(jīng)成功使用了438套。具有如下特點(diǎn)：

 方便的水泥廠故障診斷功能

 方便的軟件聯(lián)鎖功能

 靈活便利的操作方式

 減少故障時(shí)間

 針對(duì)水泥行業(yè)的特殊指令

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成     

   本自動(dòng)控制系統(tǒng)采用控制網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖：

 

    控制網(wǎng)采用工業(yè)級(jí)交換機(jī)由光纖構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)，通信速率100Mbit/s。根據(jù)控制站的分布共配置5臺(tái)交換機(jī)，設(shè)備包括：

－1臺(tái)工程師站（配A3噴墨打印機(jī)一臺(tái)）；

－2臺(tái)互為冗余的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；

－2臺(tái)A3激光網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，

－5個(gè)控制站

    其中冗余服務(wù)器用于歷史數(shù)據(jù)記錄、性能計(jì)算、報(bào)表、SOE、事故追憶，可向操作員站、上位計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。兩臺(tái)服務(wù)器互為冗余配置了兩個(gè)網(wǎng)卡：西門子的專用通訊網(wǎng)卡1613和通用網(wǎng)卡，分別用于與控制站及操作員站的通訊。

5個(gè)控制站采用了AS416-2做主控制站，分別為生料磨PLC、窯頭PLC、窯尾PLC、水泥磨PLC、包裝PLC。AS416-2控制站集成了CPU416-2模件，CP443-1以太網(wǎng)通訊模件，PS407電源模件及9槽機(jī)架，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理、自動(dòng)閉環(huán)回路控制、電氣設(shè)備開關(guān)控制等系統(tǒng)控制功能。

    冗余服務(wù)器、5臺(tái)操作員站（HMI）采用2臺(tái)交換機(jī)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)。其中中控室四臺(tái)操作員站，包裝車間操作室1臺(tái)操作員站。所有操作員站配置相同，采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式。HMI可實(shí)現(xiàn)設(shè)備成組及單機(jī)操作、動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件記錄、歷史趨勢(shì)觀察等功能。對(duì)于所有控制對(duì)象提供面板，使用戶可以操作和診斷回路?？梢燥@示所操作的測(cè)量位置的所有信息，也可防止意外操作。

    控制站采用AS416-2控制站和ET200M遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，采用Profibus-DP通訊協(xié)議，通信速率設(shè)置: 1.5Mbit/s。由于原料破碎站距離生料磨電氣室的電纜長(zhǎng)度約500米，為保證通訊速度，破碎站與生料磨主站間采用了一對(duì)OLM（光纖璉路模件），采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)Profibus-DP通訊。

 

四、控制系統(tǒng)功能

    PCS7系統(tǒng)軟件采用SIMATIC程序管理器，可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理、處理、歸檔和建立文件。對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目管理，可有工廠視圖、組件視圖、過程對(duì)象視圖三個(gè)不同的視圖，同時(shí)進(jìn)行管理。其中，組件視圖主要管理系統(tǒng)的硬件，如控制器、系統(tǒng)總線、I/O系統(tǒng)等；工廠視圖主要管理工藝過程，它將整個(gè)工廠按工藝過程的要求，分為各個(gè)子系統(tǒng)，然后將各子系統(tǒng)映射到控制器上；過程對(duì)象視圖用于對(duì)所有控制對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行管理。

    在SIMATIC程序管理器下，可以使用多種組態(tài)工具，無(wú)論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動(dòng)存到一個(gè)同一的數(shù)據(jù)庫(kù)中。組態(tài)工具有：CFC(連續(xù)功能圖)、SFC(順序功能圖)、STEP7、SCL(結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)言)和WinCC(SIMATIC視窗控制中心)等。

    CFC是一種簡(jiǎn)潔的圖形組態(tài)工具, 主要用于連續(xù)過程的自動(dòng)化控制任務(wù)的組態(tài)，為系統(tǒng)主要編程工具。CFC組態(tài)以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊。這些功能塊以庫(kù)的形式體現(xiàn)。每個(gè)功能塊都有一個(gè)參數(shù)表，可根據(jù)實(shí)際工藝要求選擇不同的參數(shù)。每個(gè)CFC由多個(gè)分區(qū)構(gòu)成（可以任意插入，由字母A-Z任意排列），每個(gè)分區(qū)由6頁(yè)組成。 功能塊之間的連接可以在相同或不同的CFC之間的相同或不同的分區(qū)的頁(yè)面上進(jìn)行，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)出。因此，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)。此外，CFC還具有圖中圖功能，即將同類的控制功能（或方案）組態(tài)成樣板CFC圖，以后組態(tài)時(shí)可以多次在其它CFC圖中插入樣板CFC圖，直接對(duì)樣板圖進(jìn)行連接，這樣可以節(jié)省大量的組態(tài)時(shí)間。

    水泥行業(yè)的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制除了常規(guī)的電機(jī)控制、儀表信號(hào)監(jiān)控外，還具有一些的特殊要求。如設(shè)備的成組控制（包括組啟動(dòng)、組暫停、組停止），兩路閥的控制等，不同方式對(duì)同一控制設(shè)備有不同的啟停要求。CEMAT軟件具有多個(gè)水泥工程的專用功能塊，可方便的實(shí)現(xiàn)各種功能的控制。用戶可根據(jù)控制要求連接相應(yīng)的管腳實(shí)現(xiàn)控制。對(duì)于每個(gè)功能塊均可使用在線查找?guī)椭?。以下介紹了常用的功能塊的功能及應(yīng)用：

1．組（GROUP）功能塊的應(yīng)用

 在CEMAT中特有的組（GROUP）功能塊，可用于輸送系統(tǒng)成組順序啟動(dòng)?？煞奖愕膶?shí)現(xiàn)組啟動(dòng)、組單步（本組設(shè)備單機(jī)啟動(dòng)）、組暫停、組停止以及組間啟停聯(lián)鎖。在實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)或磨機(jī)順序控制時(shí)，編程簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。

GROUP在HMI上的操作畫面及常用管腳：

常用管腳：（未連接的管腳自動(dòng)置為默認(rèn)值）

·          GEVG: 組啟動(dòng)聯(lián)鎖（用于組間聯(lián)鎖）

·          GBVG: 組運(yùn)行聯(lián)鎖（用于組間聯(lián)鎖）

·          GQSP: 組急停（用于組間聯(lián)鎖時(shí)成組急停）

·          GREZ: 組運(yùn)行反饋（本組設(shè)備全部啟動(dòng)完畢則反饋為1，同時(shí)取消組啟動(dòng)信號(hào)）

·          GRAZ: 組停止反饋（本組設(shè)備全部停止則反饋為1，同時(shí)取消組停止信號(hào)）

·          GEBG: 組聯(lián)鎖啟動(dòng)命令（用于組間順序啟動(dòng)）

·          GABG: 組聯(lián)鎖停止命令（用于組間聯(lián)鎖停機(jī)）

·     HORN_TIM: 報(bào)警時(shí)間（組啟動(dòng)前預(yù)警響鈴時(shí)間，可在HMI上修改）；

·     WAIT_TIME:等待時(shí)間，組啟動(dòng)和設(shè)備啟動(dòng)之間的等待時(shí)間，以便于現(xiàn)場(chǎng)人員離開（可在HMI上修改）；

·     RELS_TIME: 釋放時(shí)間，組啟動(dòng)后若本組設(shè)備未完全啟動(dòng)，超過此時(shí)間中止組啟動(dòng)命令；

·     GBE: 等待時(shí)間結(jié)束后，發(fā)出組啟動(dòng)指令。當(dāng)組內(nèi)所有所有設(shè)備啟動(dòng)完畢、或監(jiān)測(cè)到組內(nèi)設(shè)備故障、或釋放時(shí)間到、或組啟動(dòng)被中斷則該指令停止；

·     GDA: 停機(jī)指令，當(dāng)組內(nèi)所有所有設(shè)備均停止則結(jié)束。

·     GRE: 組完全啟動(dòng)輸出指令（GREZ=1）

·     GES: 組單步指令（為1時(shí)，本組相連設(shè)備轉(zhuǎn)為單步方式）

·     GQS: 組急停指令（為1時(shí)，本組相連設(shè)備轉(zhuǎn)為急停）

·     GHA: 報(bào)警鈴輸出

·     G_LINK: 連接本組所有設(shè)備（如電機(jī)，DAMPER等）

 該功能塊的典型應(yīng)用如生料磨的順序控制。生料磨工藝分組為：

·     S01  潤(rùn)滑系統(tǒng)

·     S02均化庫(kù)頂收塵器

·     S03提升機(jī)入均化庫(kù)組

·     S04產(chǎn)品輸送系統(tǒng)

·     S05廢氣風(fēng)機(jī)組

·     S06電收塵系統(tǒng)

·     S07磨風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

·     S08三道閥

·     S09主電機(jī)系統(tǒng)

·     S10喂料系統(tǒng)

·     S11預(yù)鋪料系統(tǒng)

 聯(lián)鎖條件：

l   S02至S09啟動(dòng)順序聯(lián)鎖.S09啟動(dòng)條件增加S01.并且S10組所有設(shè)備均備妥

l   S11啟動(dòng)條件S01, 選擇預(yù)鋪料

l   S10自動(dòng)啟動(dòng)條件：選擇主電機(jī)運(yùn)行,主電機(jī)啟動(dòng)1秒后自動(dòng)啟動(dòng)

l   S10選擇預(yù)鋪料,輔傳啟動(dòng)

其中：在S10喂料組啟動(dòng)前，需根據(jù)情況手動(dòng)選擇“外排”或“入磨”

主電機(jī)組選擇“預(yù)敷料”，S10喂料組手動(dòng)組啟動(dòng)；主電機(jī)組選擇“主電機(jī)運(yùn)行”，主電機(jī)運(yùn)行同時(shí)，S09組自動(dòng)啟動(dòng)。主電機(jī)組選擇“主電機(jī)運(yùn)行”或“預(yù)敷料”時(shí)，S10組與主電機(jī)或輔電機(jī)同時(shí)停止。主電機(jī)組不選擇“主電機(jī)運(yùn)行”或“預(yù)敷料”，喂料組可手動(dòng)組啟動(dòng)。

在生料磨的控制程序中通過應(yīng)用組功能塊的組間聯(lián)鎖功能，可順利實(shí)現(xiàn)喂料和主電機(jī)運(yùn)行的配合，保證主電機(jī)啟動(dòng)后不會(huì)出現(xiàn)空料的現(xiàn)象。

2．      DAMPER功能塊的應(yīng)用

可用于切斷閥、調(diào)節(jié)閥、雙向電機(jī)的控制，有模擬量和數(shù)字量控制輸出。常用于風(fēng)機(jī)入口閥門、兩路閥等的控制。

DAMPER在HMI上的操作畫面及常用管腳：

常用管腳：（未連接的管腳自動(dòng)置為默認(rèn)值）

·     KWE1: 閥在關(guān)極限；

·     KWE2: 閥在開極限；

·     KSB:  備妥信號(hào)

·     KEV1:  方向一啟動(dòng)聯(lián)鎖；

·     KBV1:  方向一操作聯(lián)鎖；

·     KEV2:  方向二啟動(dòng)聯(lián)鎖；

·     KBV2:  方向二操作聯(lián)鎖；

·     KEIZ:  單機(jī)模式；

·     KEB1:  方向一啟動(dòng)命令；

·     KAB1:  方向一停止命令

·     KEB2:  方向二啟動(dòng)命令；

·     KAB2:方向二停止命令；

·     KVS1:閥在關(guān)位置；

·     KVS2:閥在開位置；

·     KB1: 關(guān)閥命令；

·     KB2: 開閥命令；

3．ROUTE功能塊的應(yīng)用

主要用于順控路徑的選擇，如生料入窯/倒庫(kù)選擇、熟料入庫(kù)選擇等。

ROUTE在HMI上的操作畫面及常用管腳：

 

 

常用管腳：（未連接的管腳自動(dòng)置為默認(rèn)值）

·         WEVG: 啟動(dòng)聯(lián)鎖；

·         WBVG: 操作聯(lián)鎖；

·         WREZ: 該路徑選擇下的所有設(shè)備已運(yùn)行；

·         WRAZ: 該路徑選擇下的所有設(shè)備已停止；

·         WEBW: 路徑選擇命令；

·         WGWA: 取消路徑選擇命令

·         G_LINK: 組連接

·         WBE:  選擇路徑的所有設(shè)備啟動(dòng)命令

·         WBA:  選擇路徑的所有設(shè)備停止命令

·         WRE:  選擇路徑的所有設(shè)備已啟動(dòng)信號(hào)

·         WRA:  選擇路徑的所有設(shè)備已停止信號(hào)

4．單向電機(jī)（Unidirectional Drive）功能塊應(yīng)用

用于單向電機(jī)的手/自動(dòng)控制，有外部速度信號(hào)及電流信號(hào)監(jiān)控，適用多種電機(jī)設(shè)備的控制。、如皮帶電機(jī)（有速度開關(guān)信號(hào)監(jiān)控聯(lián)鎖）、破碎電機(jī)（可設(shè)定電機(jī)電流監(jiān)控聯(lián)鎖）。

單向電機(jī)功能塊在HMI上的操作畫面：

 

 

常用管腳：（未連接的管腳自動(dòng)置為默認(rèn)值）

·             ERM: 電機(jī)應(yīng)答信號(hào)

·             ESB: 電機(jī)備妥

·             EVO: EVO=1電機(jī)為自動(dòng)方式；EVO=0電機(jī)為就地方式

·             EEVG:啟動(dòng)聯(lián)鎖，EEVG=0則電機(jī)不能啟動(dòng)；

·             EBVG:操作聯(lián)鎖，EBVG=0則電機(jī)在運(yùn)行時(shí)停止；

·             ESVG:安全聯(lián)鎖，ESVG=0則電機(jī)不能啟動(dòng)、運(yùn)行；

·             ELOC:ELOC=1電機(jī)為就地方式；

·             EEIZ:EEIZ=1電機(jī)為單機(jī)模式，可電機(jī)啟動(dòng)/停止；

·             EBFE:組啟動(dòng)命令，單機(jī)模式下不受該指令控制；

·             EBFA:組停止命令，單機(jī)模式下不受該指令控制；

·             QSTP:緊停方式

·             FEEDBTIM:應(yīng)答監(jiān)控時(shí)間，若超過該時(shí)間無(wú)應(yīng)答則取消啟動(dòng)命令

·             STARTDEL:啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間

·             SPEEDTIM:速度監(jiān)控時(shí)間

·             HORN_TIM:報(bào)警響鈴時(shí)間

·             STOPDEL: 停機(jī)延時(shí)時(shí)間

·             EVS: 電機(jī)已運(yùn)行信號(hào)

·             EBE:電機(jī)啟動(dòng)命令

5．測(cè)量（Measuring Value）功能塊的應(yīng)用

 模擬量信號(hào)監(jiān)控，該功能塊多與CH_AI塊聯(lián)合使用，可在線更改輸入的模擬量信號(hào)的量程。

測(cè)量功能塊在HMI上的操作畫面：

 

常用管腳：（未連接的管腳自動(dòng)置為默認(rèn)值）

·   MV_PHYS:  當(dāng)TYPE=10時(shí)，連接從CH_AI的輸出值；

·   QUALITY:  顯示錯(cuò)誤代碼；

·   MV_CARD:  當(dāng)TYPE=77時(shí)，連接PLC的輸入值；

·   UMFR:   報(bào)警釋放，連接CH_AI的輸出QBAD;

·   SCB: 輸入值零點(diǎn)

·   SCE: 輸入值量程

·   UNIT: 輸入值單位

·   TYPE: 輸入10，為實(shí)數(shù)輸入；輸入77，為PLC硬件直接輸入；

·   VAL_HH: 輸入值高高限；

·   VAL_H:  輸入值高限；

·   VAL_LL: 輸入值低低限；

·   VAL_L:  輸入值低限

·   VAL_SHH: 開關(guān)值輸出高高限；

·   VAL_SH:  開關(guān)值輸出高限；

·   VAL_SLL: 開關(guān)值輸出低限；

·   VAL_SL:  開關(guān)值輸出低低限；

·   SPIK_TIM:峰值抑制時(shí)間

·   SMOO_TIM:平滑時(shí)間

·   MV: 模擬量輸出值

6．功能塊的應(yīng)用舉例

 

 

五、結(jié)束語(yǔ)

    筆者之前并未作過水泥行業(yè)的項(xiàng)目，只是對(duì)西門子的硬件及系統(tǒng)應(yīng)用比較了解。整個(gè)項(xiàng)目于2005年1月開始編程，為保證調(diào)試進(jìn)度，采用了邊編程邊調(diào)試的方式。由于采用了CEMAT 軟件，節(jié)約了大量的編程及HMI畫面編程時(shí)間；采用了冗余服務(wù)器結(jié)構(gòu)，部分程序及畫面的修改不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。HMI上畫面及操作面板、程序內(nèi)符號(hào)表均可改為中文，操作人員可很快熟悉操作界面。生料磨系統(tǒng)于3月初投入運(yùn)行，5月初整個(gè)系統(tǒng)全線投產(chǎn)。該系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，確保用戶在短期內(nèi)達(dá)產(chǎn)，得到用戶的肯定。