胡 健，杜廣朝

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

山西魯能晉北鋁業(yè)煤電鋁基地是國家規(guī)劃建設(shè)的八大氧化鋁基地之一，規(guī)劃建設(shè)“3211”工程，即年產(chǎn)300 萬t 鋁土礦、200 萬t 氧化鋁、100 萬t 電解鋁和10 萬t 鋁型材，同時配套建設(shè)4×30 萬kW電廠、30 萬t 預(yù)焙陽極生產(chǎn)線和大型煤礦的現(xiàn)代化鋁工業(yè)基地。 其中，一期工程為年產(chǎn)100 萬t 氧化鋁項目，投資57.4 億元，是目前國內(nèi)一次性建設(shè)規(guī)模最大的鋁工業(yè)項目。 該項目于2004 年10 月開工，2006 年8 月竣工投產(chǎn)。

PCS7 是德國西門子公司于20 世紀(jì)末推出的新一代過程控制系統(tǒng)，是面向所有過程控制應(yīng)用場合而開發(fā)的、基于Profibus 現(xiàn)場總線的模塊化先進過程控制系統(tǒng)[1]15。 它綜合了可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）的優(yōu)點，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通信、組態(tài)和編程軟件，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點。 筆者試結(jié)合工程實踐，對西門子PCS7在氧化鋁生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行探析。

1 晉北鋁業(yè)氧化鋁生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)

1.1 氧化鋁生產(chǎn)工藝

目前，氧化鋁生產(chǎn)工藝有燒結(jié)法和拜爾法之分，燒結(jié)法工藝技術(shù)相對落后。 晉北鋁業(yè)一期工程采用的是石灰拜爾法氧化鋁生產(chǎn)新工藝。 該工藝的主要技術(shù)特征是，針對礦石中的SiO2，添加石灰，進行壓煮浸出， 使SiO2部分或全部生成含水鋁硅酸鈣，從而減小或避免了堿的化學(xué)損失。

石灰拜爾法氧化鋁生產(chǎn)工藝的基本流程為：開采鋁土礦石→進行粗、細破碎→按比例與石灰混合→送球磨機研磨→與蒸發(fā)母液（濃堿液）混合→脫硅、 產(chǎn)生原礦漿→送入壓煮器生成鋁酸鈉溶液→進入沉降工段→過濾→分解→產(chǎn)生氫氧化鋁→成品過濾→懸浮焙燒→產(chǎn)生氧化鋁晶體。

1.2 氧化鋁生產(chǎn)控制系統(tǒng)

該工程采用的控制系統(tǒng)為德國西門子公司的SIMATIC PCS7（Process Control System，過程控制系統(tǒng)）。 PCS7 消除了DCS 和PLC 系統(tǒng)的界限，真正實現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點，使系統(tǒng)應(yīng)用更廣泛。

全集成自動化解決方案就是用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能。 它可實現(xiàn)從SIMATIC 的驅(qū)動設(shè)備到各種現(xiàn)場設(shè)備、從儀表控制到電氣控制、從控制到管理的高度集成。 采用這種解決方案，可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少大量接口部件；可以克服上位機和各工業(yè)控制器之間、連續(xù)控制和邏輯控制之間、集中與分散之間的界限；可以為所有的自動化應(yīng)用提供統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境(基于這種環(huán)境，技術(shù)人員可以在同一個平臺上對所有應(yīng)用進行組態(tài)和編程)。

PCS7 系統(tǒng)采用上位機軟件WinCC 作為監(jiān)控和操作的人機界面。它利用開放的Profibus 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)通信，采用S7 自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元，實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O 接收現(xiàn)場傳感檢測信號。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件配置

氧化鋁廠具有廠區(qū)地理范圍廣、I/O 點離散量較多、遠程I/O 設(shè)置較多、許多獨立設(shè)備上使用PLC 等特點。 而PCS7 系統(tǒng)的優(yōu)勢恰好是系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚?、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、便于組合和擴展。 因此，氧化鋁廠的DCS 非常適合選用PCS7 系統(tǒng)。

根據(jù)氧化鋁廠實際生產(chǎn)工藝的特點和要求，該項目使用了西門子公司的PCS7 V6.1 SP1 過程控制系統(tǒng)，采用3 種（AS416-3DP、AS414-2H 和AS417-2H）共10 對冗余CPU 作為PCS7 系統(tǒng)的控制器，分別用于各個工段，總I/O 點數(shù)達17 000 多點。 控制器的主要設(shè)備為：（1）原料磨工段PCS7-1 機柜間，PCS7 控制器AS414-2H 冗余控制器1 套；（2）壓煮融出工段PCS7-2 機柜間，PCS7 控制器AS417-2H冗余控制器2 套；（3）赤泥沉降工段PCS7-3 機柜間，PCS7 控制器AS417-2H 冗余控制器1 套；（4）分解工段PCS7-4 機柜間，PCS7 控制器AS417-2H 冗余控制器1 套；（5）母液蒸發(fā)工段PCS7-5 機柜間，PCS7控制器AS417-2H 冗余控制器2 套；（6）氧化鋁焙燒工段PCS7-6 機柜間，PCS7 控制器AS417-2H 冗余控制器2 套；（7）原料堆場，AS416-3DP 冗余控制器1 套，S7-300 PLC 6 套；（8）氧化鋁儲運、原材料、空壓站、空壓站循環(huán)水、全廠循環(huán)水、焙燒循環(huán)水、堆場、陽武河水源地、滹沱河水源地系統(tǒng)S7-300 PLC共8 套。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)分為上層管理網(wǎng)絡(luò)和下層控制網(wǎng)絡(luò)兩部分。 上層管理網(wǎng)絡(luò)是100M 光纖冗余環(huán)網(wǎng)構(gòu)成的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)AS、ES、冗余服務(wù)器和操作站之間的通訊，承擔(dān)各站點計算機之間的文件管理、拷貝等管理功能。 環(huán)形網(wǎng)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)冗余。 網(wǎng)上的任意一點斷開，都不會影響網(wǎng)上任何設(shè)備的正常工作[2]125。 下層控制網(wǎng)絡(luò)采用西門子RS-485 屏蔽雙絞線，符合Profibus 標(biāo)準(zhǔn)。 通過每個ET 200M 上的IM 153-2 接口模塊與PCS7 控制器（AS416-3DP、AS414-2H 或AS417-2H）互相連接，實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集、處理和控制器通訊，組成為Profibus DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PCS7 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PCS7 network system structure

整個廠區(qū)配置了1 個中央控制室，各大片區(qū)單獨配置PCS7 控制室。 在中央控制室內(nèi)，為每個片區(qū)配置了1 個操作員站（OS1～OS9）。 主片區(qū)控制室配置1 個工程師站（兼服務(wù)器和操作員站）、1 個服務(wù)器和1 個操作員站。 配套片區(qū)控制室只放1 個操作員站。

控制器安裝在中央控制室內(nèi)，有一部分遠程I/O站 （ET 200M） 距中央控制室500 m 以上， 超過了Profibus DP 在1.5Mbps 速 率 下 的200 m 傳 輸 距離[2]130。 因此，增加了OLM 模塊，通過光纜連接這部分遠程I/O 站。通過光纜進行通訊，還可以有效地避免電磁干擾對信號的影響。

現(xiàn)場有很多MCC 柜、變頻器（AB、ABB、SIEME NS 等品牌）、馬達保護裝置等設(shè)備，這些設(shè)備全部通過Profibus DP 接入系統(tǒng)。 另外，與第三方設(shè)備（主要是一些設(shè)備自帶的PLC）的通訊方式還有MODBUS協(xié)議。

在原料堆場的8 套S7-300 PLC 與就地的操作員站組成了一個小的環(huán)網(wǎng)，并與DCS 的大環(huán)網(wǎng)相連。為了使生產(chǎn)數(shù)據(jù)能傳送到管控網(wǎng)進行處理， 在工業(yè)以太網(wǎng)上配置了1 臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過OPC 方式向管控的服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)。

2.3 軟件系統(tǒng)

PCS7 系統(tǒng)的控制部分組態(tài)可由多種編程方式來完成，除西門子PLC 常規(guī)使用的LAD（梯形圖）、STL（語句表）、FBD（功能塊圖）外，還配置了許多預(yù)編程的功能塊。 這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)，每個功能塊都有一個參數(shù)表，可根據(jù)實際工藝要求選擇不同的參數(shù)[3]。 功能塊可以在不同CFC（續(xù)功能圖，一種簡潔的圖形組態(tài)工具，采用IEC-1131 標(biāo)準(zhǔn)，以功能塊為基礎(chǔ)進行組態(tài)）的不同頁面上進行連接，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動標(biāo)出。 通過利用系統(tǒng)配置的大量功能塊（包括PID、I/O、傳動、電動機和閥門等控制模塊），驅(qū)動現(xiàn)場裝置，將各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至操作員站和自動化控制站，與運行在操作員站和自動化控制站組態(tài)畫面中的標(biāo)準(zhǔn)操作面板連接。 操作員只需在操作員站上進行簡單的參數(shù)設(shè)定，就可完成對現(xiàn)場裝置的操作。 因此，采用CFC 有助于節(jié)省時間和費用，簡化系統(tǒng)的組態(tài)和維護。

晉北氧化鋁項目中的工段（片區(qū)）數(shù)量很多，控制器數(shù)量和I/O 點數(shù)也多，并且項目時間緊迫，需要多個工程師同時工作。 面對這樣一個大型項目，用戶所提的控制要求也在不斷更新，有些改動涉及程序模板的改變，這就需要工程師們對項目不斷地進行更新。 針對該項目的情況和要求，我們選擇使用多項目結(jié)構(gòu)來完成項目的組態(tài)。

3 生產(chǎn)實時控制系統(tǒng)

3.1 功能設(shè)計

生產(chǎn)實時控制系統(tǒng)采用WinCC Multi-Client 方式。主服務(wù)器作為WinCC Client，并用于WEB Server與辦公以太網(wǎng)相連。 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議。 在工程師站上進行工藝操作畫面、報警畫面、歷史趨勢、報表等功能的組態(tài)，然后在Server 和Client上運行組態(tài)的項目。 由于實時系統(tǒng)的工位號容量為2 000 個，所以選用64K 點的WinCC 運行系統(tǒng)。

WinCC Server 完成與PCS7 之間的數(shù)據(jù)交換。服務(wù)器位于各PCS7 控制室，由局域網(wǎng)相連，通過Windows 共享機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。 為了與WinCC Client 通信，WinCC Server 端運行于Windows NT4.0 Server 或Windows 2000 Server 操作系統(tǒng),并安裝Win CC 和WinCC Server 選件軟件包。 WinCC Server 向WinCC Client 提供數(shù)據(jù)，每臺Server 最多可以帶16臺Client 站。 在本系統(tǒng)中，各片區(qū)服務(wù)器連接2 臺WinCC Client。

3.2 安全設(shè)計

WinCC 可選軟件包Web Navigator，使用戶可以通過Internet、LAN 或公司局域網(wǎng)瀏覽或操作WinCC 過程畫面。根據(jù)系統(tǒng)需要，設(shè)置可以通過WEB瀏覽生產(chǎn)過程畫面的用戶，并分配不同的權(quán)限，以進一步提高安全性。

4 結(jié)語

西門子PCS7 的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及程序設(shè)計方便靈活，CPU、DP 冗余，無需另外單獨編程處理，只要根據(jù)實際情況組態(tài)即可[4]。 其面向?qū)ο蟮木幊谭椒O大地方便了系統(tǒng)投運后用戶的維護和修改。 由于AS 使用了CPU414-2H 硬件冗余系統(tǒng)，使在線修改硬件、在線修改程序、部分編譯、部分下載均能在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下進行[5]，體現(xiàn)了靈活使用的原則，也反應(yīng)了西門子PCS7 系統(tǒng)較為明顯的優(yōu)勢。

本項目整個PCS7 控制系統(tǒng)共17000 多個點。各片區(qū)所有低壓電器控制系統(tǒng)、MCC 機柜備、AB、ABB、VAS、SHINADE、SIEMENS 馬達保護裝置和變頻器以及PLC 系統(tǒng)、MODEBUS、ANYBUS 通過各種總線及網(wǎng)關(guān)和PCS7 的通信， 需要進行各種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

[1] Siemens. Process Control System PCS 7 Engineering System V6.0[M]. 德國:西門子公司.2006.

[2] 胡健. 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試[M]. 天津：天津大學(xué)出版社,2010.

[3] 顏濤. PCS7 控制系統(tǒng)在中鋁廣西公司煤氣廠的應(yīng)用[J].冶金自動化,2004(28):263-265.

[4] 黃勇霞， 黃振利. SIEMENS SIMATIC PCS7 在原料輸送工序自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電氣控制，2006(3)：26-28.

[5] 胡健. 西門子S7-300/400PLC 工程應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:218.