摘要：簡要介紹華新水泥股份有限公司在行業(yè)中的背景和歷年來自動化控制的發(fā)展規(guī)模，通過華新（武穴）水泥6000T/D熟料生產(chǎn)線建設(shè)情況，重點介紹PROFIBUA-PA儀表在西門子PCS7控制系統(tǒng)平臺的具體應(yīng)用，文章中充分體現(xiàn)了西門子的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢和PCS7組態(tài)的靈活性。現(xiàn)場總線技術(shù)是一項有著廣闊前景的技術(shù)，它是未來自動化技術(shù)發(fā)展主流，基于現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢，在分布式控制系統(tǒng)市場中將逐步替代PLC產(chǎn)品和DCS系統(tǒng)。運用該技術(shù)研究和開發(fā)的現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)和PROFIBUS-PA智能儀表，必將大大推動水泥生產(chǎn)過程自動化控制技術(shù)的實用發(fā)展。 關(guān)鍵詞：SIEMENS PCS7控制控制系統(tǒng)、PROFIBUS-PA智能儀表、PDM組態(tài)和診斷 1. 項目簡介 1.1項目所在地，項目所在公司企業(yè)見解，公司企業(yè)的行業(yè)簡要背景 華新水泥股份有限公司是一個有著百年歷史、享譽(yù)國內(nèi)外的國家大型水泥骨干企業(yè)，前身為1946年9月28日創(chuàng)建于湖北黃石的華新水泥股份有限公司大冶水泥廠。當(dāng)年向美國愛立斯公司洽談訂購了兩條3.5＊145M大型水泥濕法旋窯和配套設(shè)備，建設(shè)成了當(dāng)時“遠(yuǎn)東第一”，后來一直享譽(yù)中外的華新水泥廠，即今天的華新水泥股份有限公司。 1994年12月31日，公司新建的2000t/d水泥熟料生產(chǎn)線一次點火成功投產(chǎn)，由此公司實現(xiàn)了濕法工藝向先進(jìn)的干法工藝的歷史性轉(zhuǎn)變。 進(jìn)入“十五”以來，華新進(jìn)入了飛速發(fā)展期，到目前為止，華新水泥股份有限公司建設(shè)新型干法窯共１０條，粉磨站共8個。 華新水泥股份有限公司武穴分公司地處“鄂東門戶”武穴市，是中國著名水泥企業(yè)集團(tuán)華新水泥股份有限公司，旗下最大的分（子）公司，規(guī)劃年產(chǎn)水泥1000萬噸，一期工程為一條日產(chǎn)6000噸的新型干法水泥生產(chǎn)線，具備年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料200萬噸，優(yōu)質(zhì)水泥250萬噸的能力。一期工程于2004年4月29日開工興建，2005年4月26日點火投產(chǎn)，現(xiàn)運行正常。 1.2項目的簡要工藝 新型干法水泥生產(chǎn)已成為當(dāng)代水泥工業(yè)發(fā)展的主流和最先進(jìn)的工藝。 整條生產(chǎn)線分為三個階段：（1）生料制備 （2）熟料煅燒 （3）水泥的制成 以上三個階段可以簡稱為“兩磨一燒”。 1.3華新武穴工程工藝流程 華新武穴熟料生產(chǎn)線在水泥生產(chǎn)過程中,大致經(jīng)過了原料開采、原料破碎、生料配料、生料粉磨、熟料煅燒、水泥粉磨、水泥包裝及輸送等過程。 2. 為什么選擇智能儀表取代II型儀表 2.1 國內(nèi)現(xiàn)場儀表的發(fā)展 過程控制儀表是水泥生產(chǎn)自動化中不可缺少的一部分, 而在50 年代, 過程儀表基于 3～15psi 氣動標(biāo)準(zhǔn)信號, 60 年代后發(fā)展了 4～20mA（DC） 信號標(biāo)準(zhǔn)，80年代后—4～20mA（DC）標(biāo)準(zhǔn)信號和智能儀表并存。 然而，II型儀表存在參數(shù)不易調(diào)整, 現(xiàn)場人員不易控制；還有互換性差等缺點， 隨著計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了較大變化, 現(xiàn)場總線技術(shù)的智能儀表等產(chǎn)品應(yīng)運而生。 2．2 西門子PA儀表的特點 2.2.1 溫度變送器 SITRANS T3K PA 將來自熱電阻和熱電偶的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。測量值通過微處理器，轉(zhuǎn)化為PROFIBUS PA上的溫度輸出和其它狀態(tài)參數(shù)。傳感器、量程、故障信息都可以編程設(shè)定，因此，SITRANS T3K PA能夠提供您各種各樣可能的診斷和模擬的功能。 高度的安全性————工作電流小于11mA。出于安全考慮，在故障事件中，總線電流減少到小于14mA?？焖伲瑹o故障參數(shù)化————SITRANS T3K PA結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在帶蓋的B型接線盒中。此外，在參數(shù)設(shè)定方面，它還可以利用方便的SIMATIC PDM軟件進(jìn)行編程。 SITRANS T3K PA帶有的保護(hù)功能： 電流限值：在出現(xiàn)故障時，避免總線過載，維護(hù)其它正確運行節(jié)點的數(shù)據(jù)流通； 極性顛倒保護(hù)：使總線線路按要求連接； EMC濾波：在有電磁干擾時防止誤動作； 2.2.2 壓力變送器 SITRANS P DSIII PA系列壓力變送器適用于非腐蝕性和腐蝕性氣體、蒸汽和液體的壓力測量。標(biāo)準(zhǔn)量程寬，從0.1至40MPa 該變送器即可使用三個輸入鍵在現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并可在數(shù)字表頭上觀察測量結(jié)果、出錯信息和操作模式。又可通過一個SIMATIC PDM工具軟件在線測試狀態(tài)值和診斷值。SITRANS P DSIII 系列變送器特點： 可靠性 穩(wěn)定性 超強(qiáng)的診斷功能 超限監(jiān)測。當(dāng)壓力值超限，或錯誤信號產(chǎn)生時，其發(fā)生的頻繁度、時間、幅度、都將作為異常事件被記錄。及時掌握生產(chǎn)過程中發(fā)生的異常情況。 可以通過軟件輸入一個值，修正正常范圍內(nèi)的漂移情況。 內(nèi)置維護(hù)計數(shù)器，可以記錄變送器調(diào)校次數(shù)。根據(jù)連續(xù)性理論，此功能可用于保證變送器的最大使用精度。 變送器內(nèi)的仿真功能，可基于已定義的數(shù)值檢查變送器電子部分和整個回路，以獲得以下重要信息：變送器電子部分是否正常工作。多少壓力時產(chǎn)生超限響應(yīng)?調(diào)節(jié)回路是否正常？所有顯示功能是否起作用。及時檢測變送器顯示電子單元或測量元件的出錯信號，及時更換，無需重新調(diào)校。 2.2.3 雷達(dá)物位計 STRANS LR400是一款24GHz連續(xù)波調(diào)頻工作方式的微波雷達(dá)物位計，最大量程可達(dá)45米，改進(jìn)型的量程升級至50米；喇叭口可以根據(jù)客戶的實際需要加長，可以完全滿足水泥廠中各種不同高度的倉的要求。 可以通過紅外手持編程器直接對儀表進(jìn)行編程，也可以使用SIMATIC PDM 軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程編程。 除此之外，它還有以下特點： 1）高頻、耐高溫特性，使其很好地用于諸如生料、熟料、成品水泥、粉煤灰等介質(zhì)的測量應(yīng)用中，測量結(jié)果可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。 2）先進(jìn)的回波處理算法——聲智能技術(shù)，能夠?qū)⒄婕倩夭ㄐ盘枀^(qū)分開來，從而保證測量的可靠性。 3）采用PTFE長喇叭防塵封頭設(shè)計，外加吹掃裝置，既克服粉塵吸附，又消除干擾信號的影響。 堅固的鋁制外殼設(shè)計，能夠滿足各種惡劣的工況。 2．3 華新現(xiàn)場儀表的選擇 對于華新而言，如何選擇可靠高效的自動化控制系統(tǒng)、電控設(shè)備及儀表設(shè)備是提高產(chǎn)品的競爭力的成本控制策略的重要內(nèi)容。在水泥廠中，利用溫度、壓力、物位等儀器對不同的爐膛、管道、物料倉的準(zhǔn)確測量，是提高整個生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和安全環(huán)保起著至關(guān)重要的作用。 2.3.1 項目當(dāng)中使用的西門子自動化產(chǎn)品的型號、數(shù)量、類型、何種控制對象 變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)等。 2.3.2 智能設(shè)備照片 　 　 3．武穴項目過程控制系統(tǒng)組成 3.1系統(tǒng)共設(shè)3個控制室：石灰石破碎控制室1個，中央控制室1個，包裝控制室1個。 3.2 全廠過程控制系統(tǒng)需控制的點：DI 2624點、 DO1280點、AI 200點、AO 8點、PT100 320點、 共4432點、DP 256個、 PA 105個。 根據(jù)華新武穴6000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線項目的工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可分為3層，即 3.3 工廠級（企業(yè)管理層）、車間級（監(jiān)控層）和現(xiàn)場級（現(xiàn)場控制層）?，F(xiàn)場控制層： （1）SIMATIC ET 200M 遠(yuǎn)程I/O站通過ProfibusDP通信標(biāo)準(zhǔn)與S7 416-2進(jìn)行通信； （2）現(xiàn)場低壓智能保護(hù)、中壓智能保護(hù)、交直流傳動、調(diào)速變頻裝置以及電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過ProfibusDP通信標(biāo)準(zhǔn)與 S7 416-2 PLC進(jìn)行通信； （3）現(xiàn)場智能儀表（包括總線式壓力變送器和總線式溫度變送器）通過Profibus-PA通信標(biāo)準(zhǔn)與DP/PA-LINK及COUPLER連接與S7 416-2 PLC進(jìn)行通信； 3.3.2 現(xiàn)場控制層組成：6個現(xiàn)場控制站、5個遠(yuǎn)程I/O站。 3.4 控制系統(tǒng)軟件 3.4.1 武穴項目選用的是西門子的PCS7作為操作平臺； 3.4.2　用戶軟件有華新技術(shù)中心技術(shù)人員自己開發(fā)的應(yīng)用軟件； 4．ProfiBus-PA儀表在PCS7中應(yīng)用 4．1 ProfiBus-PA儀表在PCS7中硬件配置 西門子網(wǎng)絡(luò)以PROFIBUS協(xié)議為主流，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡單快捷，直觀易于操作。 ProfiBus-PA儀表組態(tài)步驟：（以壓力變送器為例，其它儀表類似） 4.1.1 打開PCS7中的硬件配置，將現(xiàn)場儀表圖標(biāo)拖入，西門子的GSD文件自動集成在后臺； 4.1.2 現(xiàn)場儀表硬地址（例如：８）必須與硬件配置中的地址匹配； 4.1.3 編輯下載后，控制器開始通訊; 4.1.4　邏輯分配的地址（例如：５１６）存放的數(shù)據(jù)是有效的； 4.1.5 雙擊現(xiàn)場儀表圖標(biāo)，打開SIMATIC PDM, 即可對現(xiàn)場儀表進(jìn)行參數(shù)配置； 4．2 ProfiBus-PA儀表在PCS7的CFC中的應(yīng)用 4.2.1 在CFC chart圖中拖進(jìn)一個“PA_AI”塊； 4.2.2 “PA_AI” 模塊具有自動轉(zhuǎn)換功能，將邏輯I/O單元內(nèi)容轉(zhuǎn)換成測量值和狀態(tài)值，例如”516” 4.2.3 PA_AI 共5BYTES, 高4ｂｔｙｅｓ是測量值，１ｂｔｙｅ過程狀態(tài)； 4.2.4 通過狀態(tài)值的評估在線診斷現(xiàn)場設(shè)備； 4.2.5 將CFC　chart 塊編輯、然后下載到CPU控制器，現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù) 4．3ProfiBus-PA儀表在PCS7的操作畫面中的應(yīng)用 （2006.11.03，14:23～15:23 一個小時的溫度、壓力曲線記錄） 5．SIMATIC PDM 5.1 SIMATIC PDM—是一個過程設(shè)備管理工具，適用于所有的現(xiàn)場設(shè)備，如溫度變送器、壓力變送器、物位計、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等智能儀表； 5.2 打開PDM工具展示供貨商所有的設(shè)備參數(shù)描述； 5.3 提供統(tǒng)一的人機(jī)界面易于操作； 5.4 SIMATIC PDM 有集成版或單機(jī)版； 5.5 一臺現(xiàn)場設(shè)備的所有參數(shù)可以通過通訊傳輸上來； 5.6 SIMATIC PDM 特殊功能 設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備地址 顯示連續(xù)記錄 參數(shù)設(shè)置比較 6．PROFIBUS-PA儀表使用的經(jīng)驗 6.1壓力儀表調(diào)校 對于西門子壓力儀表參數(shù)設(shè)置方法很多，并且所設(shè)定的參數(shù)有20多個，如何簡單迅速的對儀表進(jìn)行設(shè)定，是儀表工程師關(guān)注的問題。通過現(xiàn)場摸索，總結(jié)出一套簡單的操作步驟： 6.1.1 直接打開現(xiàn)場安裝好的壓力表頂?shù)谋Ｗo(hù)蓋，通過三個現(xiàn)場按鈕進(jìn)行參數(shù)調(diào)整； 6.1.2 SITRANS P DSIII PA系列壓力變送器依按照下列基本參數(shù)設(shè)定 6.1.3 零點誤差的調(diào)整：將變送器放空或抽真空，然后通過零點調(diào)整使實際位差顯示為0Pa，從而達(dá)到校正因安裝位置等原因?qū)е碌牧泓c誤差。 6.2壓力儀表安裝需要注意的問題 6.2.1 測量氣體時，變送器安裝在高于取壓點的位置，保證冷疑液流回主管線而不至于產(chǎn)生假指示； 6.2.2 測量液體時，變送器安裝在低于取壓點的位置，確保主管線的含雜的氣體被放掉； 6.2.3 安裝便于操作，盡量靠近取樣點； 6.2.4 建議向下垂直安裝； 6.2.5 避免變送器曝曬，避免強(qiáng)振動，避免高溫； 6.3溫度儀表調(diào)試和安裝需要注意的問題 由于西門子溫度儀表體積小巧，安裝方便，我們直接用PDM在室內(nèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，調(diào)試。安裝便于操作，盡量靠近取樣點，同時，避免變送器曝曬，避免強(qiáng)振動，避免高溫。 7．PROFIBUS-PA儀表配置需要考慮的四個問題 7.1 PROFIBUS-PA配置方式 PROFIBUS-PA配置方式兩種：一種是通過Coupler直接接PA-儀表，但這種方式通訊速率較低，使得PROFIBUS-DP總線回路速率只有45.45KBit/S；另一種采用Link+Coupler的方式配置系統(tǒng)，適合于系統(tǒng)規(guī)模較大，每個站的儀表超過20臺以上，而ProfiBus DP所掛接的設(shè)備要求具有較高的通訊速率，故而，通過PCS7組態(tài)網(wǎng)絡(luò)時利用Link作為DP從站占據(jù)一個DP 地址，所有溫度變送器、壓力變送器等智能儀表作為Like的從屬獨立于ProfiBus DP單獨進(jìn)行編址。 7.2通過電流消耗決定一條PA總線連接的儀表數(shù)量 Coupler 型號6ES7 157-0AC81-0XA0為非防爆型，最大輸出電流為400mA，輸出電壓19VDC Iseg：回路總電流 Ibn：總線設(shè)備基本電流消耗 Ifde：總線故障電流 Is：耦合器供電電流 M：總線設(shè)備數(shù)量 N：起始數(shù) 舉例： （1）SIRANS TF PA型溫度變送器，消耗基本電流Ibn =11mA，最大故障電流Ifde <=3mA時，則在6ES7 157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多鏈接溫變臺數(shù)：（400mA-3mA）/11mA=36臺 （2）若SITRANS P壓力變送器其消耗基本電流Ibn=12.5Ma,最大故障電流Ifde =15.5mA,則在6ES7 157-0AC81-0XA0耦合器后面，最多鏈接壓變臺數(shù)：（400Ma-15.5Ma）/12.5mA=30臺 但是，大家知道ProfiBus行規(guī)協(xié)議規(guī)定，每段僅鏈接31臺智能儀表 7.3 PA電纜長度 確保最后一臺儀表的工作電壓大于9V 其中： Ubn：最后設(shè)備電壓 Us：耦合器的電壓 Is：耦合器的電流 R：單位長度導(dǎo)線阻抗 Lges：總長度 Iseg：回路總電流 例如：選用Coupler 型號6ES7 157-0AC81-0XA0為非防爆型，最大輸出電流為400mA，輸出電壓19VDC，則（16V-9V）/400＊44 /km=0.4km 7.4在實際工作中根據(jù)實際情況進(jìn)行配置，充分考慮每個從站的響應(yīng)時間、通訊周期、通訊速率等要求。 所以我們在武穴項目PA儀表網(wǎng)絡(luò)配置中，充分考慮以上因素，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)配置， 使得生產(chǎn)處于良好的運行狀態(tài)。 8．PROFIBUS-PA給用戶帶來的好處 8.1 在硬件上節(jié)省電纜、節(jié)省I/O模板、減少盤柜量，節(jié)約電源隔離器 ； 8.2　在軟件上設(shè)計集中、設(shè)計故障源減少，節(jié)省調(diào)試時間； 8.3　在生產(chǎn)安全上減少停機(jī)時間、尋找故障直觀，迅速、具有預(yù)維護(hù)和診斷功能； 8.4用現(xiàn)場總線與非現(xiàn)場總線成本差別 9.結(jié)束語 隨著計算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 ，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，現(xiàn)場總線技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。運用該技術(shù)研究和開發(fā)的現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)及智能儀表 , 必將大大推動水泥生產(chǎn)過程中自動化控制技術(shù)的實用化。通過我公司多年來西門子溫度、壓力、料位計等儀表的應(yīng)用情況來看，其穩(wěn)定性好?？煽啃愿?，故障診斷方便等優(yōu)點，為我公司的儀表推薦應(yīng)用產(chǎn)品。