西门子CEMAT软件在某水泥厂的应用
2006-08-21 00:00
一、 简介
位于四川广安市的利万布森水泥厂为2500t/d新型干法水泥厂。该工厂于2003年底开工，2005年为5月投入生产。基础自动化控制系统控制范围包括原料破碎、生料磨、窑头系统、窑尾系统、水泥磨系统到包装系统整条生产线。控制系统采用了西门子PCS7系统，并应用了西门子水泥行业专用软件CEMAT软件.
二、系统介绍
西门子PCS7过程控制系统是集DCS、总线I/O 以及PLC为一体的新型全集成控制系统。具有分散控制、集中管理、 安装方便、成本低和维护管理智能化等特点。
CEMAT软件包是西门子公司专门为水泥行业开发的水泥控制系统。是一个集成化的标准软件，具有多个专门用于水泥工厂过程控制优化的功能块，具有简洁的显示方式，不需附加另外的专家系统就可完成组态和参数设置。该软件包集成于PCS7系统，在PCS7集成的功能上增加了针对水泥工程的工程操作、故障诊断及联锁等功能块，是具有独特的、开放式的接口及经济的解决方案。1971年至今，CEMAT软件包已在世界范围已经成功使用了438套。具有如下特点：
方便的水泥厂故障诊断功能
方便的软件联锁功能
灵活便利的操作方式
减少故障时间
针对水泥行业的特殊指令
三、控制系统构成
本自动控制系统采用控制网、监控网、现场总线三级控制网络构成系统。系统硬件配置及网络结构见下图：
1.控制网
控制网采用工业级交换机由光纤构成冗余环网，通信速率100Mbit/s。根据控制站的分布共配置5台交换机，设备包括：
－1台工程师站（配A3喷墨打印机一台）；
－2台互为冗余的数据库服务器；
－2台A3激光网络打印机，
－5个控制站
其中冗余服务器用于历史数据记录、性能计算、报表、SOE、事故追忆，可向操作员站、上位计算机提供数据库服务。两台服务器互为冗余配置了两个网卡：西门子的专用通讯网卡1613和通用网卡，分别用于与控制站及操作员站的通讯。
5个控制站采用了AS416-2做主控制站，分别为生料磨PLC、窑头PLC、窑尾PLC、水泥磨PLC、包装PLC。AS416-2控制站集成了CPU416-2模件，CP443-1以太网通讯模件，PS407电源模件及9槽机架，可实现现场设备的运行状态监测、数据采集及处理、自动闭环回路控制、电气设备开关控制等系统控制功能。
2. 监控网
冗余服务器、5台操作员站（HMI）采用2台交换机构成监控网。其中中控室四台操作员站，包装车间操作室1台操作员站。所有操作员站配置相同，采用客户机/服务器（C/S）模式。HMI可实现设备成组及单机操作、动态测量数据、报警、事件记录、历史趋势观察等功能。对于所有控制对象提供面板，使用户可以操作和诊断回路。可以显示所操作的测量位置的所有信息，也可防止意外操作。
3.现场总线
控制站采用AS416-2控制站和ET200M远程I/O构成现场控制网络，采用Profibus-DP通讯协议，通信速率设置: 1.5Mbit/s。由于原料破碎站距离生料磨电气室的电缆长度约500米，为保证通讯速度，破碎站与生料磨主站间采用了一对OLM（光纤琏路模件），采用光纤连接，实现Profibus-DP通讯。
四、控制系统功能
PCS7系统软件采用SIMATIC程序管理器，可对项目进行管理、处理、归档和建立文件。对于一个项目管理，可有工厂视图、组件视图、过程对象视图三个不同的视图，同时进行管理。其中，组件视图主要管理系统的硬件，如控制器、系统总线、I/O系统等；工厂视图主要管理工艺过程，它将整个工厂按工艺过程的要求，分为各个子系统，然后将各子系统映射到控制器上；过程对象视图用于对所有控制对象的参数进行管理。
在SIMATIC程序管理器下，可以使用多种组态工具，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个同一的数据库中。组态工具有：CFC(连续功能图)、SFC(顺序功能图)、STEP7、SCL(结构化的控制语言)和WinCC(SIMATIC视窗控制中心)等。
CFC是一种简洁的图形组态工具, 主要用于连续过程的自动化控制任务的组态，为系统主要编程工具。CFC组态以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。每个CFC由多个分区构成（可以任意插入，由字母A-Z任意排列），每个分区由6页组成。 功能块之间的连接可以在相同或不同的CFC之间的相同或不同的分区的页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC可以完成很复杂的大型控制任务。此外，CFC还具有图中图功能，即将同类的控制功能（或方案）组态成样板CFC图，以后组态时可以多次在其它CFC图中插入样板CFC图，直接对样板图进行连接，这样可以节省大量的组态时间。
水泥行业的基础自动化控制除了常规的电机控制、仪表信号监控外，还具有一些的特殊要求。如设备的成组控制（包括组启动、组暂停、组停止），两路阀的控制等，不同方式对同一控制设备有不同的启停要求。CEMAT软件具有多个水泥工程的专用功能块，可方便的实现各种功能的控制。用户可根据控制要求连接相应的管脚实现控制。对于每个功能块均可使用在线查找帮助。以下介绍了常用的功能块的功能及应用：
1．组（GROUP）功能块的应用
在CEMAT中特有的组（GROUP）功能块，可用于输送系统成组顺序启动。可方便的实现组启动、组单步（本组设备单机启动）、组暂停、组停止以及组间启停联锁。在实现输送系统或磨机顺序控制时，编程简单，动作可靠。
GROUP在HMI上的操作画面及常用管脚：
常用管脚：（未连接的管脚自动置为默认值）
· GEVG: 组启动联锁（用于组间联锁）
· GBVG: 组运行联锁（用于组间联锁）
· GQSP: 组急停（用于组间联锁时成组急停）
· GREZ: 组运行反馈（本组设备全部启动完毕则反馈为1，同时取消组启动信号）
· GRAZ: 组停止反馈（本组设备全部停止则反馈为1，同时取消组停止信号）
· GEBG: 组联锁启动命令（用于组间顺序启动）
· GABG: 组联锁停止命令（用于组间联锁停机）
· HORN_TIM: 报警时间（组启动前预警响铃时间，可在HMI上修改）；
· WAIT_TIME:等待时间，组启动和设备启动之间的等待时间，以便于现场人员离开（可在HMI上修改）；
· RELS_TIME: 释放时间，组启动后若本组设备未完全启动，超过此时间中止组启动命令；
· GBE: 等待时间结束后，发出组启动指令。当组内所有所有设备启动完毕、或监测到组内设备故障、或释放时间到、或组启动被中断则该指令停止；
· GDA: 停机指令，当组内所有所有设备均停止则结束。
· GRE: 组完全启动输出指令（GREZ=1）
· GES: 组单步指令（为1时，本组相连设备转为单步方式）
· GQS: 组急停指令（为1时，本组相连设备转为急停）
· GHA: 报警铃输出
· G_LINK: 连接本组所有设备（如电机，DAMPER等）
该功能块的典型应用如生料磨的顺序控制。生料磨工艺分组为：
· S01 润滑系统
· S02均化库顶收尘器
· S03提升机入均化库组
· S04产品输送系统
· S05废气风机组
· S06电收尘系统
· S07磨风机系统
· S08三道阀
· S09主电机系统
· S10喂料系统
· S11预铺料系统
联锁条件：
l S02至S09启动顺序联锁.S09启动条件增加S01.并且S10组所有设备均备妥
l S11启动条件S01, 选择预铺料
l S10自动启动条件：选择主电机运行,主电机启动1秒后自动启动
l S10选择预铺料,辅传启动
其中：在S10喂料组启动前，需根据情况手动选择“外排”或“入磨”
主电机组选择“预敷料”，S10喂料组手动组启动；主电机组选择“主电机运行”，主电机运行同时，S09组自动启动。主电机组选择“主电机运行”或“预敷料”时，S10组与主电机或辅电机同时停止。主电机组不选择“主电机运行”或“预敷料”，喂料组可手动组启动。
在生料磨的控制程序中通过应用组功能块的组间联锁功能，可顺利实现喂料和主电机运行的配合，保证主电机启动后不会出现空料的现象。
2． DAMPER功能块的应用
可用于切断阀、调节阀、双向电机的控制，有模拟量和数字量控制输出。常用于风机入口阀门、两路阀等的控制。
DAMPER在HMI上的操作画面及常用管脚：
常用管脚：（未连接的管脚自动置为默认值）
· KWE1: 阀在关极限；
· KWE2: 阀在开极限；
· KSB: 备妥信号
· KEV1: 方向一启动联锁；
· KBV1: 方向一操作联锁；
· KEV2: 方向二启动联锁；
· KBV2: 方向二操作联锁；
· KEIZ: 单机模式；
· KEB1: 方向一启动命令；
· KAB1: 方向一停止命令
· KEB2: 方向二启动命令；
· KAB2:方向二停止命令；
· KVS1:阀在关位置；
· KVS2:阀在开位置；
· KB1: 关阀命令；
· KB2: 开阀命令；
3．ROUTE功能块的应用
主要用于顺控路径的选择，如生料入窑/倒库选择、熟料入库选择等。
ROUTE在HMI上的操作画面及常用管脚：
常用管脚：（未连接的管脚自动置为默认值）
· WEVG: 启动联锁；
· WBVG: 操作联锁；
· WREZ: 该路径选择下的所有设备已运行；
· WRAZ: 该路径选择下的所有设备已停止；
· WEBW: 路径选择命令；
· WGWA: 取消路径选择命令
· G_LINK: 组连接
· WBE: 选择路径的所有设备启动命令
· WBA: 选择路径的所有设备停止命令
· WRE: 选择路径的所有设备已启动信号
· WRA: 选择路径的所有设备已停止信号
4．单向电机（Unidirectional Drive）功能块应用
用于单向电机的手/自动控制，有外部速度信号及电流信号监控，适用多种电机设备的控制。、如皮带电机（有速度开关信号监控联锁）、破碎电机（可设定电机电流监控联锁）。
单向电机功能块在HMI上的操作画面：
常用管脚：（未连接的管脚自动置为默认值）
· ERM: 电机应答信号
· ESB: 电机备妥
· EVO: EVO=1电机为自动方式；EVO=0电机为就地方式
· EEVG:启动联锁，EEVG=0则电机不能启动；
· EBVG:操作联锁，EBVG=0则电机在运行时停止；
· ESVG:安全联锁，ESVG=0则电机不能启动、运行；
· ELOC:ELOC=1电机为就地方式；
· EEIZ:EEIZ=1电机为单机模式，可电机启动/停止；
· EBFE:组启动命令，单机模式下不受该指令控制；
· EBFA:组停止命令，单机模式下不受该指令控制；
· QSTP:紧停方式
· FEEDBTIM:应答监控时间，若超过该时间无应答则取消启动命令
· STARTDEL:启动延时时间
· SPEEDTIM:速度监控时间
· HORN_TIM:报警响铃时间
· STOPDEL: 停机延时时间
· EVS: 电机已运行信号
· EBE:电机启动命令
5．测量（Measuring Value）功能块的应用
模拟量信号监控，该功能块多与CH_AI块联合使用，可在线更改输入的模拟量信号的量程。
测量功能块在HMI上的操作画面：
常用管脚：（未连接的管脚自动置为默认值）
· MV_PHYS: 当TYPE=10时，连接从CH_AI的输出值；
· QUALITY: 显示错误代码；
· MV_CARD: 当TYPE=77时，连接PLC的输入值；
· UMFR: 报警释放，连接CH_AI的输出QBAD;
· SCB: 输入值零点
· SCE: 输入值量程
· UNIT: 输入值单位
· TYPE: 输入10，为实数输入；输入77，为PLC硬件直接输入；
· VAL_HH: 输入值高高限；
· VAL_H: 输入值高限；
· VAL_LL: 输入值低低限；
· VAL_L: 输入值低限
· VAL_SHH: 开关值输出高高限；
· VAL_SH: 开关值输出高限；
· VAL_SLL: 开关值输出低限；
· VAL_SL: 开关值输出低低限；
· SPIK_TIM:峰值抑制时间
· SMOO_TIM:平滑时间
· MV: 模拟量输出值
6．功能块的应用举例
在以下一个原料入配料仓组的程序中，应用了组（GROUP）、路径选择（ROUTE）、三通阀（DAMPER），单相电机（收尘风机、皮带输送机）功能块。整个程序结构清晰，调试方便。
五、结束语
笔者之前并未作过水泥行业的项目，只是对西门子的硬件及系统应用比较了解。整个项目于2005年1月开始编程，为保证调试进度，采用了边编程边调试的方式。由于采用了CEMAT 软件，节约了大量的编程及HMI画面编程时间；采用了冗余服务器结构，部分程序及画面的修改不会影响整个系统运行。HMI上画面及操作面板、程序内符号表均可改为中文，操作人员可很快熟悉操作界面。生料磨系统于3月初投入运行，5月初整个系统全线投产。该系统自投入使用以来，运行稳定，控制可靠，确保用户在短期内达产，得到用户的肯定。
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