西门子授权|驱动器总代理|2023

控制系统总体方案介绍
该集散控制系统采用Siemens S7-400系列PLC，Siemens公司的S7-400系列PLC是90年代推出的S7系列中的大型机型，具有完善的功能和强大的通讯能力，特别是总线之一的Profibus，得到很多厂家的支持，非常有利于分布式控制系统的使用，Profibus-DP总线的通讯速率可达12Mbps。S7-417H双机热备系统和ET200M分布式I/O组成的Profibus-DP总线网构成切换结构，实现故障时的无扰动自动切换，可用在安全性能要求极高的控制系统中。但是S7-417H双机热备系统造价相对昂贵，为了减少硬件投资，可以选用软件双冗余(用416CPU进行双机热备)，采用分布式I/O的Profibus-DP现场控制总线，上位机与PLC之间采用OSM/ESM环形100兆工业以太网光网进行通讯, 上位机采用Intouch7.1组态软件进行系统组态。该厂的垃圾焚烧工艺引进美国Basic公司的专利技术，采用四级脉冲炉排，各项指标均达到国际环保要求, 一期日焚烧处理垃圾200t。该工艺技术在我国具有实际推广的应用价值。

(1) 工作原理
垃圾经自动给料单元送入焚烧炉的干燥床干燥，然后送入炉排，炉排在脉冲空气动力装置的推动下抛动垃圾，垃圾与炉排片上的均匀气孔喷出的助燃空气混合燃烧，燃烧产生的热量由余热锅炉回收。余热锅炉产生的高温高压水蒸汽推动汽机发电，燃尽后进入灰渣坑，由自动除渣装置排出。由主燃烧室挥发和裂解出来的烟气进入第二、三级燃烧室，进行进一步燃烧，使烟气的温度高达1000℃，烟气在此停留时间不少于2s, 使有毒的烟气迅速分解，后经烟气处理设备及除尘设备(电除尘、布袋除尘)处理合格后排入大气。
(2) 环保发电厂主要设备
·焚化炉锅炉2台，每台主要的技术参数如下:
垃圾处理量: 8.33t/h
产生蒸汽量: 22.5t/h
过热蒸汽压力: 4.0MPa
过热蒸汽温度: 400℃
炉膛温度: 980℃
给水温度: 145℃
·汽轮机发电机组一套，主要的技术参数如下:
主蒸汽压力: 3.9MPa
主蒸汽温度: 390℃
·发电机主要的技术参数如下:
功率: 12000kW
出线电压: 10.5kV
频率: 50Hz
额定转速: 3000r/min
功率因数: 0.8
励磁方式: 无刷励磁系统
·烟气处理系统两套
·配套电气供配电系统
该PLC集散控制系统I/O点数有3000余点，其中模拟量300余个。全厂的PLC集散控制系统图如附图所示。

3 上位机监控系统配置
系统共设4台操作员站，1台工程师站。其中2台操作员站用于炉侧设备的监控，包括焚烧炉、锅炉两套系统，烟气脱硫系统，除灰系统;另2台操作员站用于机侧设备的监控，包括汽机系统、制给水系统、废水处理系统、电气及其它部分。炉侧的两台操作员站和机侧的2台操作员站均为双机热备。炉侧和机侧的操作员站之间功能独立，不能互换操作。工程师工作站，进行系统软件开发组态和警报顺序事件记录，工程师站将能够作为任一操作员站完成相关控制监测功能。工程师站、操作员站及PLC之间采用OSM/ESM环形100兆工业以太网光网进行互连通讯。操作系统采用中文bbbbbbs NT 窗口操作系统。

附图 全厂PLC集散控制系统图

上位机采用Intouch7.1组态软件进行系统组态。人机界面主要设计有以下内容:
(1) 系统工艺流程显示
依据设计院提供的系统工艺流程图，按照功能组区域划分;
(2) 顺控系统操作指导显示
有顺控步序显示，即顺控程序步骤的状态显示，以及操作提示等;
(3) 调节系统、调节画面
回路手操站，调节参数与参数趋势的集中显示;
(4) 重要参数趋势显示
有实时趋势与历史趋势两种显示;
(5) 汽轮机状态等参数的棒图显示;
(6) 全局报警显示
系统按照功能区分为若干个报警组，各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方，全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力，或按优先级、报警组过滤查看，并具有全局报警确认;
(7) 报表管理
提供日报、月报打印功能，打印方式有:定时打印、事件驱动打印、运行人员召唤打印，提供历史报表数据查看功能;
(8) PLC系统状态显示
提供系统硬件网络的查错、维护功能;
(9) 多级地图式菜单显示;
(10) 系统安全级别定义
为了保证系统的安全操作，设计有三级权限:工程师级、操作员级、操作员级，操作员级用户可进行系统正常操作，操作员级用户除具有操作员级的功能外，还具有修改调节参数、修改时间、查看历史报表、召唤打印等功能，程师级拥有高权限，具有操作员级所有功能，还可进入开发环境进行组态修改。

4 PLC控制系统配置
整个系统分1#、2#PLC主站。1#PLC主站分别控制1#及2#锅炉焚烧炉;2#PLC主站分别控制汽机系统、制给水系统、废水处理系统、电气及其它部分。每个PLC主站分别由2个CPU416-2DP(订货号:6ES74162XL010AB0)组成双机热备，通过实时冗余软件实现控制系统无扰动换，确保系统安全稳定运行，2个CPU通过MPI接口进行相互监视和数据备份，每个CPU分别通过CP443-1工业以太网通信模块与上位机进行通信。Siemens的416CPU组成双机热备，只能通过软件来实现，因此称之为软冗余，原则上CPU315以上的CPU都可以组成软冗余。用户必需自己编写冗余管理程序，把需要冗余的数据放在特定的DB里，在每个扫描周期里主CPU就把这些特定DB里的数据影像到从CPU中。软冗余与硬冗余具有开发人员可以自定义冗余数据库的优点，这样可以大大缩短在每个扫描周期中冗余数据的影像时间。

控制信号的输入/输出由相关ET200M 分布式I/O模块完成，采用“就近原则”，以大程度减少现场的硬布线。每个ET200M分别有两块IM153-2通信模块，分别挂在DP总线上，组成冗余的DP总线。ET200M采用是Siemens 300系列分布式I/O模块，价格低廉。每个ET200M可扩展8个I/O模块，容量可高达128字输入/128字输出，大传输速率为12Mbps。
本控制系统由西门子400系列的CPU416-2组成双机热备，进行数据冗余，300系列分布式I/O组成双冗余的DP总线，是性价比极高的集散控制系统，在今后的各种环保电厂主机控制及大型发电机组的辅机控制领域中具有极大的推广价值。
CPU416具有非凡的性能，它二进制指令的执行时间为0.08μs(CPU417H为0.12μs)，大的数字量IO或模拟量IO高达65536或4096点。本集散控制系统有8000余条逻辑控制语句，30个PID控制回路，其中:带微分前馈控制的回路2个，条件切换输出的回路10个，三冲量调节回路2个，单冲量调节回路26个。系统实时性可靠性要求较高。

当前转炉炼钢的烟汽除尘系统大都采用OG法，这种方式的除尘系统可分为三大部分，既汽包及余热锅炉部分、汽包供水部分及煤气回收部分。而汽包及余热锅炉和汽包供水两大部分是转炉炼钢的必不可少的，该系统用来清除转炉烟汽中的粉尘、降低烟汽的温度以及吸收蒸汽节约能源等多重作用，因此它的自动化控制也非常重要。本文着重阐述了采用西门子S7-300型PLC对转炉汽化冷却的自动化控制。

2 系统介绍
2.1 控制要求
汽化冷却系统主要控制以下两大控制设备:
(1) 汽包系统
汽包给水阀、汽包主汽阀、汽包放汽阀、汽包加热阀、汽包1#、2#排污阀、汽包紧急放水阀、汽包1#、2#给水泵;1#、2#强制循环泵、1#强制循环泵出口阀、2#强制循环泵出口阀、强制循环泵旁通阀;
(2) 蓄热器系统
蓄热器补水阀、蓄热器充汽阀、蓄热器放散阀、1#、2#软水泵。
根据工艺要求要对汽包水位、汽包蒸汽阀前压力、蓄热器水位、除氧器进汽阀前压力进行自动调节，工艺示意图见图1。

图1 工艺示意图

2.2 系统的配置与构成
系统采用两套西门子S7-300 PLC，其中一套置于31m，另一套置于地面，31m处的PLC控制汽包系统，地面的PLC控制蓄热器系统。两套PLC除了信号模板不同，其它模板选型都相同。
在监控系统的选择上，为了和西门子PLC通讯的方便性以及本身功能的强大性，使用WINCC监控软件实现重要的设备操作记录和重要数据的历史存档，并提供重要数据的声光报警，为整个生产中出现的故障进行及时预警，并提出相应的处理方法。

图2 系统配置功能图

系统配置功能图如图2所示。

3 控制功能
3.1阀位控制
汽化冷却系统中基本上是电动阀，为了设备的安全，要进行联锁，包括按钮互锁、正反转输出互锁、正反转反馈运行互锁以及限位开关，必要时可通过画面解除限位联锁。

3.2 泵控制
给水泵、软水泵、循环泵:一运一备，互为备用，当工作泵(运行泵)出现故障时，马上启动备用泵。一旦备用泵启动，则另一个泵就作为备用泵备用。

3.3 仪表回路调节
除汽包水位调节外,其他3个调节都采用PID自动调节。
对于汽包水位给水调节，由于引起汽包水位变化的因素较多，如储水量、水位下汽包容积、锅炉负荷、燃烧工况、给水压力等，加上锅炉特有的虚假水位现象，简单的单回路控制难以满足对控制的要求，尤其是对于炼钢厂这样的工况变化频繁，变化幅度大，对于水位的控制来说仅仅使用传统的仪表控制是非常困难的，即使是使用了专用的进口多回路可编程调节仪表对水位进行控制，也仅能够在工况稳定的情况下满足控制的需要，而当工况产生突变时，仪表则根本无法对水位进行控制。为此，我们采用了先进的三冲量控制技术对水位进行动态调节。虽然影响因素较多，但其中主要是蒸汽流量和给水流量，其原理如图3所示。

图3 蒸汽流量和给水流量调节原理图

我们采用前馈-串级控制系统，方框图见图4。其前馈为蒸汽流量，图4中:GC—调节器; GV—调节阀; GO—控制对象; FW—给水流量干扰; FD—蒸汽流量干扰; 加上汽包水位和给水流量的串级控制，当负荷稳定时，蒸汽流量和给水流量基本不变，由液位主控回路反馈闭环控制。当负荷变化较大时，蒸汽流量突然变化，其测量值不经调节器直接加到加法器，控制加水阀，所以滞后小，超前作用强，避免了虚假液位带来的误动作。

图4 前馈-串级控制系统的方框图

控制方式:当水位低于-100mm时，主调节阀开度在100，当水位上升到-50mm时，开度在60，以后每当水位上升20mm，开度就依次关闭10，当水位上升至-10mm时，开度保持在40，一旦水位上升到50mm，则开度保持在20，当水位升至100，则开度为0，若判断水位还在上升，则停止给水泵。

3.4 监控画面
系统监控操作画面包括:方便工人操作的监控画面和为软件工程师提供接口的整定画面。
操作员画面向操作人员提供了各种数据、曲线，显示内容丰富鲜明、操作简捷可靠，即可以用光电鼠标操作，也可用键盘操作。

画面中主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，操作非常方便，同时也方便维修工处理故障。

工程师画面为软件工程师提供了进行系统整定的良好界面，是工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的核心。

4 结束语
该系统自投运以来，运行十分稳定可靠，故障率极低，所有信号处理及联锁控制均在PLC内自动完成，并可通过MMI进行在线监控及历史记录分析，使得电气线路变得十分简捷、可靠，减少了不安全因素，有效地提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员的劳动强度，取得了十分显著的经济效益。由于该控制系统取得了极好的经济效益，具有很强的实用性、可移植性，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。