活性石灰是钢铁工业的一种辅助冶炼原料，先进高效的活性石灰生产线控制系统对于缓解国家能源紧张、治理环境污染问题等都具有非常重要的作用。中信重工作为国内活性石灰项目的重要生产厂家，在活性石灰方面拥有先进的技术，从而保证了活性石灰项目更加安全、节能、高效地生产。作为整个生产线的核心部分——分布式控制系统(DisitributedControlSystem，DCS)，其质量及人机交互性的优劣直接影响整个生产系统的稳定和效率，笔者设计的DCS采用PCS7全集成的自动控制系统，下面对运用西门子PCS7系统设计的活性石灰集散性控制体系进行详细阐述。
1控制系统网络结构
活性石灰生产线控制系统网络在功能上可分为三层结构：低层是基础自动化级；中间层是过程控制级；上层是操作控制级。(1)基础自动化级将最基本的工业电器元器件(断路器、接触器、继电器、驱动器、各类传感器及热工仪表)通过硬接线或现场总线的方式，接入PCS7控制系统的PLC现场远程站，完成最基本的数据采集和最基础的控制功能。(2)过程控制级采用冗余的PROFIBUS网络。网络配置选用带有带电热插拔特性的SIMATICET200M分布式输入、输出控制站，允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下带电插拔，而无需停止系统，大大提高了系统的可靠性[1]。过程控制级把各个PCS7控制系统的PLC现场远程站的数据适时传给PCS7控制系统的PLC主站。(2)操作控制级在网络配置上，采用符合TCP/IP协议的10/100M自适应工业以太网，利用4台网络交换机组建成的工业以太网环网，将过程PLC主站、工程师站及操作员站等连接，形成完整控制环形网络系统，以完成集中监视和操作管理的目的[2]。控制系统的网络结构如图1所示。采用带有冗余配置的网络结构，可方便、适时且灵活地实现工程设备的状态监控，保证了控制系统运行的稳定性、可靠性、柔性化及精细化的要求，并且其开放性和兼容性为接入第三方设备提供了良好的接口[3]。
2控制系统硬件的分布及功能
根据活性石灰生产工艺流程划分及现场设备布置，活性石灰生产线控制系统设置3个控制室MCC(MotorControlCenter)。(1)MCC1它位于窑尾废气处理车间，是控制窑尾废气处理系统、预热器喂料推杆系统以及石灰石输送储存系统的电气设备。控制对象包括预热器、液压站、电收尘器、高温风机及石灰石喂料系统等窑尾设备。配置多个西门子ET200M远程站，每个远程站均配置冗余153通信模板，通过冗余的Profibus-DP网络连接到MCC2的PLC主站，完成MCC1车间各电气设备的信号采集与传递。其中窑尾废气处理系统和预热器送料推杆系统的远程站连接到石灰烧成主站的冗余的Profibus-DP网络；石灰石输送储存系统的远程站连接到成品输送及储存系统PLC主站的冗余Profibus-DP网络[4]。(2)MCC2控制室位于窑头配电室，整个系统包括石灰烧成PLC主站和成品输送及储存系统PLC主站2个PLC主站机柜，它们各自包括2台冗余的可控制器CPU417-4H、工业交换机以及烧成和成品输送系统的远程I/O站，完成烧成车间和成品输送车间各设备的信号采集、整条活性石灰回转窑焙烧生产线的过程数据处理及设备控制等功能。(3)MCC3控制室位于煤气加压站，对站内煤气加压机及管道阀门进行控制。配置有3个西门子ET200M远程站，每个远程站均配置冗余153通信模板，通过冗余的Profibus-DP网络连接到MCC2的石灰烧成主站的Profibus-DP网络，完成煤气加压站各电气设备的信号采集与传递。
3控制系统组态及编程
系统选用西门子PCS7软件，它是西门子PLC编程软件STEP7同上位机画面编辑软件WINCC的融合。PCS7的控制系统软件设计主要包括硬件及网络的组态、PLC编程和上位机编程3部分。硬件及网络的组态包括AS站(PLC站)组态，工程师ES站(PC站)和操作员OS(PC站)站组态；PLC编程部分分为线性化编程、模块化编程和结构化编程3种编程方式，而该设计采用以结构化编程为主，三者相辅相承的PLC编程方法；上位机部分包括HMI人机界面的组态及其与通信驱动的组态。
3.1网络组态
3.1.1AS站的组态AS站的组态是PLC的硬件组态，即在PLC软件窗口中，将机架、模块、分布式DP机架、各种接口模块、功能模块及通信模块等，按照PLC柜的实际设计机架种类、数量和顺序进行排列，插入同样的模块组态。排列过程中STEP7软件自动给每个模块分配地址[5]。同时为本地组态中和网络中的可编程模块设置属性，为主站系统(PROFIBUS)的总线参数、主站与从站参数等进行设置，或对组件之间的数据交换进行设置。其硬件组态如图2所示。Kiln1为烧成系统主站的硬件结构，LimeandStone为原料及成品系统主站的硬件结构，分别控制活性石灰回转窑烧成系统和原料及成品系统的各个设备，两者通过以太网同上位机数据交换的同时，也进行相互之间的数据交换。3.1.2ES站、OS站的组态操作员站OS和工程师站ES的系统结构有单站结构和客户机、服务器结构2种结构形式。根据具体情况，该项目采用单站结构。单站常用于小型系统，该系统规模不大，由1台或数台单站组成，单站之间是对等结构，各个单站平行运行，每台单站都单独地从PLC站采集数据，完成对整个生产线各设备的监控，对生产线的重要数据变量归档，并对出现的错误和故障提供报警。其中有1台单站用作工程师站，另外2台单站用作操作员站。(1)ES单站的组态在系统中创建一个PC站做为工程师站，选择SIMATICManager管理器中刚创建的单站，保持PCStation名称与实际计算机名一致，把通信接口设置为PCInternal。在对应的ST1站的硬件组态HWConfig界面的2号槽位添加WinCCApplication；在硬件组态HWConfig界面的3号槽位插入CP1613网卡；给网卡设置地址等必要的属性，新建一个以太网，将网卡连接到该以太网上，编译下载网络组态。上述配置结束后，把ST1站的硬件组态下载到PCStation中。(2)OS单站的组态该项目3个单站功能和操作员界面完全相同。以ST1站为模板创建一个副本，其它单站只需要组态硬件配置和网络配置，无需对每个单站的PCS7上位机画面都进行组态。3.1.3网络连接的组态在PCS7的SIMATICManager中，打开aglg_pro项目，点击网络组态图标，进入网络组态界面NetPro。已经组态的3个ST1、ST2、ST3PC单站和Kiln1主站、LimeandStone主站已经连接入以太网(1)。选中Kiln1主站组态中的CPU，分别建立Kiln1主站到3个ST1、ST2、ST3的PC单站的连接，连接对象为WinCCApplication和WinCCApplicationRef，连接类型为S7connection。同样建立LimeandStone主站到ST1、ST2、ST3这3个PC单站的连接。然后分别选中Kiln1和LimeandStone2个AS主站以及3个ST1、ST2、ST3的OS站，对Kiln1和LimeandStone2个AS站进行STEP-7程序编程和程序下载，并对ST1站进行HMI监控画面组态。ST1站的HMI监控画面组态在本地运行无误后，只要把它下载到ST2和ST3单站运行即可，而不用再对ST2和ST3单站进行HMI监控画面组态。下载成功后，HMI监控画面同样也可以在ST2和ST3单站的计算机上运行。
3.2基于PCS7的PLC软件编程
3.2.1PLC软件编程采用梯形图和功能图2种语言编写程序，既具有直观可读性，又兼具逻辑严密性；编程方法包括线性化编程、模块化编程及结构化编程。由于设备数量和种类较多，各部分的工艺复杂性各不相同，工艺系统符合线性顺序控制的要求，同时大量设备的控制又有雷同性，如电动机和阀门。采用模块化及结构化编程可让程序变得标准、简洁，节省了大量编程工作量，使程序易于修改和调试。因此，该项目采取线性化、模块化及结构化相结合的编程方法[6]。3.2.2建立符号表对较大的项目而言，建立系统完整的样式符号表是必不可少的，符号编程可以大大地提高程序的可读性。编程时首先要在符号表中定义PLC的变量符号，符号表中的符号名必须确保是唯一的。3.2.3建立数据块项目程序运行需要大量数据和变量，需建立相应的数据块：①起始地址存储在DI寄存器中的背景数据块；②起始地址存储在DB寄存器中的共享数据块。共享数据块DB是可由任何FB、FC或OB读写数据的数据块[7]；背景数据块的结构是由与它相关联的功能块的变量声明来定义的。要建立背景数据块要先打开相关的功能块(FB)，然后编辑功能块的变量声明，最后再次创建背景数据块；一个功能块(FB)都对应有只少一个背景数据块；一个功能块(FB)也可有多个背景数据块；背景数据块的数据结构形式有基本数据类型和复式数据类型两种类型。该项目构建了许多背景数据块和共享数据块来支持项目数据的贮存和调用。3.2.4建立功能块功能块(FB)和功能(FC)都属于个人编程块，每个功能块(FB)由变量声明表及程序两个主要部分组成。变量声明表和声明功能块的局部数据，程序使用变量声明表中的局部数据。调用功能块时，把此功能块需要的外部数据或变量赋值给功能块(FB)。功能块的变量表类型包括输入参数In、输出参数Out、I/O参数In_Out、静态变量Stat、状态变量Temp5种类型。在变量声明表中，需要明确局部数据的类型，按照活性石灰回转窑焙烧生产线的要求，对设备控制特点进行详细分析，并对整个生产线控制程序结构进行全面的规划设计，建立以下用户功能块：(1)FB11(TAGACC)煤气、一次风及二次风流量累加计算功能块；(2)FB13(码盘测速)斗式提升机、带式输送机断轴及打滑失速监测功能块；(3)FB41(CONT_C)PID调节控制功能块；(4)FB100(StandardMotorControl)标准电动机控制功能块；(5)FB101(GRP_SRT_STP)带软启动器电动机控制功能块；(6)FB102(MOTORZS)设备成组顺序启动控制功能块；(7)FC105(SCALE)模拟量输入整数转换为工程值功能；(8)FC106(UNSCALE)实数工程值转换为输出模拟量功能；(9)FC33(S5TI_TIM)S5时间格式到IEC时间格式转换功能。以系统应用最多的标准电动机控制功能块FB100为例进行设计，电气控制原理如图3所示。普通电动机的控制方式分为现场单动、中控单动及中控自动3种方式。现场单动主要为现场检修和调试设备时使用；中控单动操作方式实现操作室对设备的远程中央单动控制，中控单动操作时除了满足设备本身安全联锁外，还要考虑工艺联锁；中控自动操作方式实现系统设备成组按工艺编程顺序启动，中控自动联动运行时，自动执行编程时加上的设备本身安全联锁和必须的工艺联锁。设计标准电动机控制功能块FB100时，只考虑中控操作的方式，逻辑编写功能块FB100子程序流程如图4所示。编程调用FB100时，同时调用电动机的共享数据块DB207，并把来自MCC柜的电动机的允许中控启动信号(I1.4)、故障信号(I1.5)、运行信号(I1.6)和到MCC柜的驱动信号(Q0.3)以及工艺联锁信号(M101.0)及外部逻辑停机信号(M90.0和M90.1)与功能块连接。程序运行时，功能块FB100即可按流程算法控制电动机的工作。3.2.5程序设计活性石灰回转窑焙烧生产线PLC程序的主体由Kiln1和LimeandStone2个主站程序组成，2个主站分别编制许多子程序，来完成整条生产线各分系统的控制。(1)Kiln1主站的子程序及其控制功能“PREHEATER”FC1预热器下料推杆控制子程序“KILNEND”FC2窑尾废气处理控制子程序“KILNMAIN”FC3回转窑主体控制子程序“BUNER”FC4燃烧系统控制子程序“MAINMOTORANDFN304”FC6窑主电机和二次风机变频器控制子程序这些子程序统一由Kiln1主站OB1组织块调用。(2)LimeandStone主站的子程序及其控制功能“LIME_STORAGE”FC1活性石灰筛分与贮存控制子程序“Feed_End_LIMESTONE”FC2窑尾石灰石上料控制子程序“DISCHARGE”FC3活性石灰出料控制子程序“GAS_STATION”FC4煤气加压站系统控制子程序“MAIN_FAN_MOTOR”FC6煤气加压鼓风机变频器控制子程序“PID”FC9煤气恒压和恒热值PID调节控制子程序这些程序统一由LimeandStone主站OB1组织块调用。
3.3基于PCS7的人机界面组态编程
3.3.1变量编译PCS7中WinCC的变量由外部变量、内部变量、系统变量及脚本变量组成。人机界面监控功能通过外部变量的连接实现，在组态WinCC项目时，外部变量是由通信驱动程序创立过程连接的变量，也叫过程变量。安装WinCC时已经安装了AS-OSEngineering的组件，并且已经进行了Kiln1和LimeandStone2个AS主站以及ST1、ST2、ST3这3个OS站的硬件及通信组态工作，在STEP7的PC站组态中，可以使用“WinCCApplication”，实现WinCC项目与STEP7项目集成；通过数据编译，把在STEP7项目中建立的过程变量直接编译到WinCC项目中，省去了在WinCC变量编辑器中去一一输入变量的繁重的工作。3.3.2基于PCS7的WinCC监控界面组态根据工艺要求和控制系统的设计规化，在WinCC画面编辑器下组态监控界面。编辑监控界面时，外部的图形、照片及WinCC系统自带的图库均可调入WinCC画面编辑器，进行监控界面编制。回转窑本体监控界面如图5所示，控制系统主要对预热器到出料输送带之间的各种工艺设备和工艺参数进行监控，同时还包括以下监控画面：(1)预热器推杆界面监控从预热器推杆及其液压站的各种参数，完成原料预热和控制喂料量的操作；(2)尾废气处理界面监控从废气排风烟囱到预热器之间的各种设备和参数，完成控制环保指标、抑制污染的操作；(3)燃烧系统界面监控煤气管道及烧嘴之间的各种设备和参数，完成控制燃气用量和燃烧工艺的操作；(4)原料上料界面监控原料输送和筛分贮存工艺状态的操作；(5)成品储存系统界面监控成品筛分贮存和输送工艺状态的操作；(6)煤气加压站界面监控煤气加压站的各种设备和参数，达到控制燃气压力达到恒压，并用模糊PID算法控制燃烧热值的操作。3.3.3WinCC画面的图形元素进行变量连接首先根据需要对各监控界面的图形元素进行属性设置，然后把属性、显示值、控制值与WinCC变量进行连接，此时WinCC即可运行，进行基本的监控工作了。3.3.4过程值的归档、报警及趋势组态[8]WinCC利用MicrosoftSQLServer2003数据库管理平台创建过程值档案数据库，对重要的过程值进行储存和统计分析，并对重要变量和过程值建立报警记录，以便于操作员查找故障。根据工艺和控制系统的需要，有选择地给已经归档的过程值建立在线趋势图，以便于观察设备运行情况，分析产品的稳定性和查找故障；打开变量记录，对过程值进行TagLoggingFast和TagLoggingSlow长周期或短周期归档设计；同样打开报警记录，对报警记录消息进行组态；打开WinCC界面编辑器，添加WinCCOnlineTrendControl控件，组态在线趋势界面。对于活性石灰回转窑焙烧生产线的HMI人机界面来说，以上工作都是必要环节。
4结语
笔者以中信重工鞍凌钢铁集团活性石灰生产线项目为基础，全面阐述了西门子PCS7自动化系统的控制思想和软硬件设计原理；并针对活性石灰回转窑焙烧生产线系统的工艺控制要求，设计了活性石灰回转窑焙烧生产线的PCS7自动化系统。通过实际应用证明，该自动化控制系统达到了降低成本、保证质量公路机电论文、控制精确，便于维护的设计要求，安全性和可靠性高且故障率低，取得了很好的效果。
作者：张红军 冯京晓 单位：洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司
