1、項(xiàng)目背景
吉安生化乾安酒精有限責(zé)任公司是以糧食深加工為主的吉林省重點(diǎn)民營企業(yè)。公司占地面積13萬平方米，資產(chǎn)總額3.5 億元，年產(chǎn)值10億元，擁有當(dāng)今世界*********的優(yōu)級(jí)酒精生產(chǎn)線，年加工轉(zhuǎn)化玉米 155 萬噸，年產(chǎn)酒精 18 萬噸，DDGS蛋白飼料6萬噸，玉米胚芽3萬噸，玉米粉6萬噸。同時(shí)擁有兩條無水酒精生產(chǎn)線和兩條乙酸乙酯生產(chǎn)線，是目前國內(nèi)三大酒精生產(chǎn)企業(yè)之一。由于玉米深加工需要足夠的蒸汽來滿足生產(chǎn)要求，其公司現(xiàn)在擁有 4 臺(tái)老式 40T/H 鏈條鍋爐和一個(gè) 75T/H 循環(huán)流化床鍋爐的自備電廠，但產(chǎn)氣量仍不能滿足生產(chǎn)繼續(xù)擴(kuò)大的要求。出于保證生產(chǎn)的目的，其新建一座 75T/H 循環(huán)流化床鍋爐的自備電廠。
由于先期電廠采用的國產(chǎn)控制系統(tǒng)存在諸多使用中的問題，其新電廠采用西門子412-3H 冗余控制器作為鍋爐系統(tǒng)和汽機(jī)系統(tǒng)的控制控制系統(tǒng)，保證整個(gè)電廠的順利生產(chǎn)。

2、系統(tǒng)綜述
對(duì)于自備電廠來說，控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是鍋爐和汽輪機(jī)。而汽輪機(jī)方面有很多輔助儀表進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，包括故障判斷。所以控制系統(tǒng)不需要對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行很詳細(xì)的監(jiān)控，只是向操作人員提供汽輪機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)和在故障或出現(xiàn)連鎖安全保護(hù)的時(shí)候采取必要安全措施?？刂葡到y(tǒng)的主要控制對(duì)象還是鍋爐的控
制。

在此電廠中采用循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐由于其相對(duì)于傳統(tǒng)鍋爐的突出優(yōu)點(diǎn)（低污染排放、燃料適應(yīng)性廣、效率高），特別適合我國能源短缺和燃煤帶來嚴(yán)重大氣污染的實(shí)際國情，成為自備電廠的主力爐型。其控制的要點(diǎn)主要就是鍋爐送風(fēng)排風(fēng)控制和汽包水液位控制。

3、系統(tǒng)構(gòu)成
電廠控制系統(tǒng)采用412-3HCPU下掛ET200MIO 子站的模式。412-3H是西門子最新款的冗余CPU，是現(xiàn)有低端 CPU 的補(bǔ)充。提高了現(xiàn)有CPU的處理速度、工作存儲(chǔ)器，并增加一些新功能。其Work Memory達(dá)到了768KB，基本相當(dāng)于老版414H的性能，完全勝任自備電廠的控制要求。本系統(tǒng)有接近300點(diǎn)的AI 及RTD、熱電阻信號(hào)，包括其他AO、DI、DO 信號(hào)一共配置為6個(gè)ET200M機(jī)架。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。使用412H控制器保證了控制器的冗余。使用冗余接口的ET200M 接口模塊保證了CPU與 IO 模塊之間通訊連路的冗余。
ET200M 從站使用了有源底板，通過編寫相應(yīng)程序，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行期間對(duì)IO 模塊進(jìn)行熱插拔更換。在AS與ES、OS的通訊上，使用兩臺(tái)Scanlace系列的新型208交換機(jī)，構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)，保證了 AS 與OS之間通訊的冗余。同時(shí)在電源部分采用了雙路市電進(jìn)路兩個(gè)UPS，UPS在輸出端進(jìn)行并機(jī)作為單一的 220V交流母線向控制系統(tǒng)供電。每個(gè)柜內(nèi)采用2臺(tái)西門子SITOP直流電源，在負(fù)載端并聯(lián)，作為冗余的直流電源母線對(duì)IO 模塊及現(xiàn)場變送器供電，這樣保證了控制系統(tǒng)電源部分的可靠性。綜上，通過保證CPU、通訊、電源部分的冗余，保
證了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。再加上西門子H系統(tǒng)高可靠性和可在線修改的特性，在保證IO 余量的前提下，系統(tǒng)可保證完全的在線運(yùn)行，從而保證了生產(chǎn)。
 

4、軟件部分的處理
由于電廠點(diǎn)數(shù)比較多，同時(shí)用于輔助控制的中間變量也比較多，所以項(xiàng)目在程序結(jié)構(gòu)上就采用了單個(gè)項(xiàng)目包含AS站，PC STATION的模式，在編程上采取模塊化的方式，對(duì)相似的控制編制相應(yīng)的FB驅(qū)動(dòng)塊，設(shè)置其輸入輸出的S7_m_c屬性，從而簡化了OS項(xiàng)目中變量的創(chuàng)建，同時(shí)也大大節(jié)省了花費(fèi)在重復(fù)程序上的時(shí)間。下面就逐一介紹在本項(xiàng)目軟件編寫中采用的一些處理手法。
A．模擬量量化部分的改進(jìn)
對(duì)于電廠控制程序，使用最多的應(yīng)該就是模擬量的量化報(bào)警部分了。單純使用西門子FC105Scale量化模塊功能單一，不適合大點(diǎn)數(shù)場合的使用，借鑒PCS7種AI 驅(qū)動(dòng)塊的思想，編寫了用于常規(guī)的PLC程序的驅(qū)動(dòng)塊FB108，其輸入輸出引腳舉例如下所示：
CALL "AI_Driver(DB)" , "TE_101_4_DB"
HLimit :=
LLimit :=
HHAlarm :=
HAlarm :=
LAlarm :=
LLAlarm :=
DeadBand :=
Compen :=
Adr :="TE_101_4"
AI_Type :=TRUE
Rack :=2
Slot :=4
HHAlarm_ON :=
HAlarm_ON :=
LAlarm_ON :=
LLAlarm_ON :=
BIP :=
HH :=
H :=
L :=
LL :=
Channel_Err :=
Result :=
FB 的輸入包括：HLimit 和LLimit 是變送器量程的上下限，HHAlarm,HAlarm,LAlarm,LLAlarm 分別是報(bào)警的高高限，高限，低限和低低限，DeadBand 是報(bào)警死區(qū)，Compen 是量化熟知的補(bǔ)償端。Adr 是AI 通道的地址，而AI_Type表明了這個(gè)通道所采用的量化手法，如果為0表明AI 通道內(nèi)的數(shù)據(jù)是常規(guī)的電流或電壓信號(hào)，F(xiàn)B內(nèi)部調(diào)用 FC105 進(jìn)行量化處理。如果為 True則通道數(shù)據(jù)為熱電阻或熱電偶信號(hào)，F(xiàn)B內(nèi)部就自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)做除 10的處理。
HHAlarm_ON，HAlarm_ON，LAlarm_ON，LLAlarm_ON 分別是報(bào)警的使能信號(hào)，當(dāng)其為True時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警才作處理。輸出信號(hào)包含四個(gè)報(bào)警的輸出端，一個(gè)通道故障信號(hào)Channel_Err 和通道的最終量化結(jié)果信號(hào)Result。當(dāng)報(bào)警使能且量化值在報(bào)警范圍內(nèi)的時(shí)候，相應(yīng)的報(bào)警輸出端輸出1信號(hào)，以供程序和操作員端使用。在使用中會(huì)出現(xiàn)變送器開路、短路或模塊被拔出的情況，如果不加處理，程序會(huì)送出錯(cuò)誤的量化值，可能會(huì)造成控制程序的誤動(dòng)作，鑒于此，在程序中編寫OB83和 OB86 的中斷程序以及FB125Profibus 總線的診斷程序，將當(dāng)前的系統(tǒng)IO 模塊狀況按照特定格式放入一個(gè)指定的DB10，F(xiàn)B108根據(jù)輸入端模塊的位置（Slot，Rack）數(shù)據(jù)從DB10 中讀取相應(yīng)的模塊信息。如果模塊故障或被拔出，程序?qū)⒉晦D(zhuǎn)換通道數(shù)值，保持最后一次的正常值并將通道故障位置位，提示操作員相應(yīng)的變量質(zhì)量，這樣保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并保證了因模塊故障而更換模塊時(shí)的數(shù)據(jù)處理。同時(shí)所有可能在 OS中WinCC項(xiàng)目中使用的輸入輸出接口全部添加了S7_m_c 的屬性，這樣調(diào)用FB時(shí)所產(chǎn)生的背景數(shù)據(jù)塊可以通過編譯在WinCC中直接調(diào)用，簡化了使用，值得在大點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)中推廣這種方法。

B.控制功能的模塊化抽象
由于電廠控制的傳統(tǒng)習(xí)慣，很多部分的控制都是由固定模式，并且具有相似性，將其相似的部分抽出來變相類似于模擬量轉(zhuǎn)換FB之類的控制 FB可以簡化編程時(shí)的調(diào)用且方便調(diào)試。在本電廠控制程序中，將電機(jī)控制、電動(dòng)門控制、執(zhí)行器控制全部編寫相應(yīng)的FB來調(diào)用控制，并且通過直接編譯背景數(shù)據(jù)塊向OS項(xiàng)目中傳遞變量，大大簡化了工作。
C.安全連鎖及SOE的實(shí)現(xiàn)
電廠控制中的安全連鎖主要就是當(dāng)出現(xiàn)故障情況時(shí)的執(zhí)行器的一種安全保護(hù)動(dòng)作，防止出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍然運(yùn)行造成事故。通過對(duì)電廠控制設(shè)備編寫相應(yīng)的控制 FB，在編寫時(shí)便預(yù)留了連鎖保護(hù)接口和連鎖模式接口，當(dāng)保護(hù)接口為False時(shí)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行正常操作，當(dāng)保護(hù)接口為True時(shí)設(shè)備處于連鎖保護(hù)狀態(tài)，控制程序?qū)⒔犹娌僮鲉T控制，將設(shè)備調(diào)整至安全運(yùn)行狀態(tài)。而連鎖模式結(jié)構(gòu)根據(jù)操作員的設(shè)置決定連鎖保護(hù)是否啟用，這樣就簡化了常規(guī)的連鎖程序，方便了程序編寫和調(diào)試。
對(duì)于電廠控制來說SOE是必須的記錄手段，常規(guī)的大型電廠控制系統(tǒng)在硬件中都包含相應(yīng)的SOE模塊來檢測記錄連續(xù)產(chǎn)生的故障連鎖信號(hào)，以方便時(shí)候查找故障原因。西門子的S7-300 系列IO 模塊并不包含SOE模塊。對(duì)于此電廠工程采用的硬件模式，可以通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫中的FB62來讀取保存在 IM153中的消息來建立SOE列表的方式，但對(duì)于自備電廠來說，故障的判斷并不需要太精確，一般來說都采用標(biāo)志首發(fā)故障的形式來指示故障原因。因?yàn)殡姀S的連鎖保護(hù)一旦開始，可能就是一個(gè)連鎖反應(yīng)，會(huì)相繼產(chǎn)生很多連鎖信號(hào)，但只有一個(gè)信號(hào)是所有連鎖信號(hào)的根源，只須指出這個(gè)信號(hào)就能大體確定故障原因。在程序上，編寫相應(yīng)得首發(fā)故障檢測程序，放在一個(gè)運(yùn)行周期更短的循環(huán)中斷中運(yùn)行，他不斷檢測每個(gè)控制設(shè)備的安全連鎖信號(hào)是否被置位，一旦有相應(yīng)的連鎖標(biāo)志位被置位，表明它是第一個(gè)產(chǎn)生的故障，將其記錄并顯示，同時(shí)在操作員復(fù)位故障前阻斷其他故障連鎖信號(hào)的進(jìn)入，從而時(shí)間對(duì)設(shè)備故障原因的指示。當(dāng)然精度無法和專用的 SOE模塊相比，但對(duì)于自備電廠的故障判斷來說足以滿足它的運(yùn)行要求。
D.汽包水液位控制程序汽包水位高度是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。水位過高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，沖擊汽輪機(jī)葉片，引起軸封破損，葉片斷損等故障；水位過低則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中的某些薄弱環(huán)節(jié)，以至局部水冷壁管燒壞，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸。汽包水位的優(yōu)良控制有重大意義。具體控制中，使用標(biāo)準(zhǔn)的三沖量控制，使用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制作為串級(jí)控制系統(tǒng)，將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，與系數(shù)相乘后同反饋值相加作為串級(jí)控制器的輸入送入控制器。通過使用三沖量控制程序，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)的快速補(bǔ)償，減輕“假水位”對(duì)擾動(dòng)的不良影響。據(jù)經(jīng)驗(yàn)內(nèi)環(huán)即給水環(huán)操作頻繁，給水需經(jīng)常跟蹤主汽流

量變化而水位環(huán)操作次數(shù)少一點(diǎn)，但水位信號(hào)經(jīng)常波動(dòng)，要加以濾波。另外由于生產(chǎn)過程中生產(chǎn)用汽負(fù)荷的變化有時(shí)很劇烈，有時(shí)表現(xiàn)出相應(yīng)不太及時(shí)，這是需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行細(xì)微的修正保證快速跟蹤，從而安全的控制液位。

5、操作員界面
項(xiàng)目使用WinCC6.0 SP3 英文版作為組態(tài)軟件，通過集成在項(xiàng)目文件中實(shí)現(xiàn)程序變量向WinCC 項(xiàng)目的自動(dòng)傳遞。WinCC部分實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的圖形化接口，使操作人員能夠直觀的操作和了解當(dāng)前的系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了報(bào)警、歷史趨勢記錄等多種功能，滿足了電廠的使用要求。另外有一臺(tái)操作員站還安裝了Web Navigator 組件，將整個(gè)HMI 操作畫面發(fā)布到廠區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)，可以方便的通過IE瀏覽器讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)這臺(tái)電腦還作為OPC Server向調(diào)度室內(nèi)的MIS系統(tǒng)提供主要運(yùn)行參數(shù)以供廠區(qū)整體調(diào)度管理。
項(xiàng)目所使用的交換機(jī)內(nèi)置SNMP功能，通過項(xiàng)目組態(tài)將其數(shù)據(jù)讀至SIMATIC NET的OPC Server 中，WinCC通過OPC通道讀取交換機(jī)的通訊狀態(tài)給操作和維護(hù)人員一個(gè)狀態(tài)參考，方便了網(wǎng)絡(luò)故障的診斷。

6、總結(jié)
通過項(xiàng)目的實(shí)施，西門子412-3H 控制器及其整體系統(tǒng)在現(xiàn)場的優(yōu)異表現(xiàn)，表明了西門子產(chǎn)品的良好的性能。412H雖然作為低端冗余產(chǎn)品推向市場，但其表現(xiàn)證明如果恰當(dāng)?shù)氖褂冒l(fā)揮其能力，也是有很大的潛力可挖的。同時(shí)西門子軟件系統(tǒng)的整體集成性實(shí)現(xiàn)了在PLC+HMI 軟件平臺(tái)上近似DCS系統(tǒng)的集成性和易用性。但通過項(xiàng)目也看到西門子在軟件優(yōu)化和行業(yè)應(yīng)用上也有所欠缺，希望能推出經(jīng)過優(yōu)化后的行業(yè)專用控制模塊，方便在行業(yè)中的應(yīng)用。