西門子DCS系統(tǒng)在焦爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李亞科 王志偉

摘 要：介紹西門子DCS系統(tǒng)在某鋼鐵企業(yè)焦化廠焦爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對其工藝原理、系統(tǒng)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控進行了闡述。

關(guān)鍵詞：焦爐；DCS；工藝原理；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一、概述

國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)焦化廠引進國外先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)，建造大型焦爐及其配套工藝設(shè)施，采用西門子先進的DCS系統(tǒng)，即PCS7過程控制系統(tǒng)構(gòu)建其整個焦爐的過程控制系統(tǒng)（簡稱焦爐控制系統(tǒng)）。PCS7過程控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，保證了焦爐生產(chǎn)的延續(xù)性及整套設(shè)備運行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的精確、集中監(jiān)控。

二、工藝原理

某鋼鐵企業(yè)焦化廠焦爐結(jié)構(gòu)為炭化室雙聯(lián)式立火道、燃燒室循環(huán)三段高向加熱、焦爐煤氣地下室下噴、混合煤氣開閉器側(cè)入、四裝煤孔式的大型智能焦爐。整個焦爐采用焦側(cè)廢氣煙道結(jié)構(gòu)，僅在爐體地下室平臺處設(shè)有廢氣開閉器，負責(zé)廢氣、空氣、煤氣的交換。當(dāng)采用焦爐煤氣加熱時，在地下室用設(shè)有孔板的噴嘴調(diào)節(jié)煤氣流量，進燃燒室的空氣流量通過廢氣開閉器頂部的金屬調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)；當(dāng)采用低熱值混合煤氣加熱時，空氣通過廢氣開閉器頂部的金屬擋板調(diào)節(jié)單孔燃燒室進空氣量，混合煤氣通過廢氣開閉器的煤氣入口進入燃燒室內(nèi)。該焦化廠應(yīng)用焦爐控制系統(tǒng)主要包括液壓交換系統(tǒng)、上升管調(diào)節(jié)系統(tǒng)、放散系統(tǒng)和焦爐外圍系統(tǒng)等。

三、系統(tǒng)構(gòu)成

焦爐控制系統(tǒng)的部分硬件選用西門子公司的自動化硬件，包括PLC控制器卡件、PS電源卡件和CP443通信卡件等，主要控制卡件均為容錯冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)所有西門子卡件均具有在線帶電更換的特性，并具有卡件狀態(tài)內(nèi)部自診斷功能，診斷狀態(tài)通過卡件的狀態(tài)指示燈進行顯示。系統(tǒng)針對液壓交換系統(tǒng)和放散系統(tǒng)中，一部分重要的儀表監(jiān)測及聯(lián)鎖控制點需要較高級別的安全控制，而現(xiàn)場其他普通I/O點又需要一般邏輯控制的特點，設(shè)計人員在硬件選用時分別采用了西門子故障安全型卡件和標準卡件與西門子S7-400H系列DCS配合使用，從而實現(xiàn)了整個系統(tǒng)較高的系統(tǒng)配制，提高了工廠生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

西門子CPU卡件：雙CPU基于事件同步機制，控制器主從關(guān)系一熱一備，主從控制器進行切換期間為無擾動切換，不影響生產(chǎn)的穩(wěn)定，確保了系統(tǒng)平均無故障時間在較小的范圍內(nèi)，冗余的總線通信接口卡件支持卡件熱插拔而不會導(dǎo)致CPU停機。

該焦化廠應(yīng)用焦爐控制系統(tǒng)的硬件配置，包括互為冗余的控制器CPU-414H、電源卡件PS407、以太網(wǎng)通信卡件CP443、冗余Profibus-DP通信接口卡件IM153-2、故障安全型I/O卡件以及普通型I/O卡件， I/O卡件配備了安全柵、隔離器進行模擬量信號的過濾與放大；配備繼電器進行電氣信號的隔離，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾性。

終端總線的設(shè)備設(shè)置了1臺工程師站、2臺冗余服務(wù)器和6臺操作員站，工程師站與操作員站配置高可靠的研華工控機，服務(wù)器配置西門子工業(yè)級服務(wù)器，工業(yè)以太網(wǎng)以西門子工業(yè)級交換機進行環(huán)形網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。

四、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

焦爐控制系統(tǒng)通過西門子高速以太網(wǎng)通信處理卡件，將各個控制系統(tǒng)的S7-400H系列DCS連接到整個工業(yè)以太網(wǎng)中。整套焦爐控制系統(tǒng)工廠總線配備了西門子網(wǎng)絡(luò)SCALANCEX-200系列工業(yè)級交換機，以連接各控制站、操作員站、工程師站及服務(wù)器。

SCALANCEX-200系列西門子工業(yè)級交換機具有冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)管理功能，且可以實現(xiàn)全雙工通信并具有網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功能，使整個工業(yè)以太網(wǎng)通信速率達到100Mbit/s。網(wǎng)管功能使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸更有序、更可靠，能有效的防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計使得工廠總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的安全性更高，網(wǎng)絡(luò)任意一點斷開不會影響其設(shè)備的正常工作，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很好的可擴展性。服務(wù)器預(yù)留了二級網(wǎng)絡(luò)的接口，方便向二級管理網(wǎng)絡(luò)傳輸生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

焦爐的四大機車協(xié)調(diào)PLC系統(tǒng)同樣連接到焦爐控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)中，通過焦爐工業(yè)以太網(wǎng)和焦爐控制系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，建立各種聯(lián)鎖關(guān)系，保證機車的推焦和裝煤動作在安全的情況下進行，從而實現(xiàn)四大機車從裝煤、導(dǎo)焦、推焦、熄焦整個工藝流程的全自動聯(lián)鎖監(jiān)控。

五、系統(tǒng)程序

焦爐控制系統(tǒng)通過西門子PCS7過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動控制，其中液壓交換系統(tǒng)主程序采用SFC順序控制語言編寫，用于實現(xiàn)煤氣交換主流程的步序控制。程序中大量使用CFC連續(xù)控制語言完成其他輔助控制功能的邏輯編寫，并實現(xiàn)與其他DCS或二級系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互的功能。對于現(xiàn)場特殊工藝控制的機泵，在程序設(shè)計時，編程人員通過自行編寫的FC、FB塊進行封裝、調(diào)用處理。程序中采用了系統(tǒng)安全標準檢測驅(qū)動塊，用于進行工程量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并檢測現(xiàn)場儀器及設(shè)備線路斷路、短路等故障，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的安全控制。

焦爐控制系統(tǒng)運行聯(lián)鎖條件多，工藝控制要求高，對現(xiàn)場儀表信號檢測的準確性和有效性依賴較強，當(dāng)卡件檢測到故障安全型通道發(fā)生故障時，DCS系統(tǒng)會將受影響的通道或所有卡件上的通道切換至自鎖狀態(tài)；對于具有輸出功能的I/O卡件，DCS控制系統(tǒng)則會將系統(tǒng)預(yù)設(shè)的故障安全值傳送給相應(yīng)的卡件的通道，作為其工藝設(shè)備的安全輸出值，確保了I/O卡件采集各工藝過程值的準確及卡件的各通道都在安全狀態(tài)下運行。

焦爐控制系統(tǒng)采用西門子WinCC作為上位監(jiān)控軟件。操作人員通過操作員站的WINCC監(jiān)控軟件可監(jiān)視焦爐生產(chǎn)過程中各相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)和各個工段工藝的相關(guān)參數(shù)，對整個焦爐生產(chǎn)有著很重要指導(dǎo)價值。

六、結(jié)語

西門子DCS過程控制系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，較好地解決了大型焦爐生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的采集及管理、復(fù)雜的順序控制及安全聯(lián)鎖等控制難點，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，有很高的推廣價值。

參考文獻：

[1] 張少忠.7m焦爐DCS集散控制系統(tǒng)介紹[J].機械管理開發(fā)，2016，10：115-116.

[2] 李俊.DCS在焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2012，03：32-33.

[3] 張華平.西門子DCS在沙鋼7.63m焦爐中的應(yīng)用[J].冶金動力，2012，04：90-91.

作者簡介：李亞科（1983-），男，漢族，河北邢臺人，專科，助理工程師，從事電氣、儀表自動化設(shè)備維護工作。