西门子PCS7系统在焦炉热交换控制系统中的应用

摘 要：介绍西门子DCS系统在焦化厂焦炉热交换控制系统中的应用，并对其工艺原理、系统构成、网络结构、系统程序和上位监控进行了阐述。

关键词：焦炉 DCS 工艺原理 网络结构 热交换

1、引言

国内某钢铁企业焦化厂采用先进的生产工艺技术，选用西门子先进的DCS系统，即PCS7过程控制系统构建其整个焦炉热交换控制系统。PCS7过程控制系统具有可靠性高、稳定性好等优势，其集成现场控制、信号采集和数据管理等功能为一体。该焦化厂应用焦炉控制系统较好地实现了焦炉生产的正常运行。

2、工艺原理

某焦化厂焦炉既有废气循环又含燃烧空气分段供给的“组合火焰型”焦炉，焦炉炉体为双联火道、分段加热、废气循环，焦炉煤气下喷，蓄热室分格的复热式超大型焦炉。焦炉蓄热室分为煤气蓄热室和空气蓄热室，均为分格蓄热室。每个立火道独立对应2格蓄热室构成1个加热单元。蓄热室底部设有可调节孔口大小的喷嘴，喷嘴的开孔调节方便、准确、并使得加热煤气和空气在蓄热室长向上分布合理、均匀。

燃烧室由双联火道组成，燃烧过程分3段供给空气进行分段燃烧，并在每对火道隔墙间下部设废气循环孔，将下降火道的废气吸入上升火道的可燃气体中，达到高向加热均匀的目的。由于采用分段加热和废气循环，炉体高向加热均匀，废气中的氮氧化物含量低，可以达到先进国家的环保标准。仅在炉体的焦侧设有废气盘，可节省一半的废气盘和交换设施，优化烟道环境。

3、系统构成

焦炉热交换控制系统的CPU卡件、电源卡件和通信卡件等重要硬件均为二重化容错冗余结构，保证了整体系统的高可靠性。系统所有西门子卡件均可在线更换并具有自诊断的功能。系统针对部分工段重要的联锁点需要较高等级的安全控制，而其他普通I/O点又需要一般性控制的特点，设计中分别采用了西门子故障安全型卡件和标准卡件与西门子S7-400H系列控制器连接配合使用，从而实现了整个系统较高的性价比。

西门子CPU卡件：基于事件同步机制的S7-400H系列控制器的可靠性，确保了系统平均无故障时间在较小的范围内，冗余的总线接口卡件支持卡件热插拔而不会导致CPU停机。

焦炉热交换控制系统的硬件配置，包括互为冗余的控制器CPU-417H、电源卡件PS405、以太网通信卡件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。

上位机部分设置1台工程师站、3台操作员站和2台冗余服务器，工程师站与操作员站配置DELL工控机，服务器配置HP工业级服务器，工业以太网以西门子工业级交换机进行环形网络组态等。

4、网络结构

焦炉热交换控制系统通过以太网通信处理卡件CP443将西门子S7-400H系列控制器连接到工业以太网中。整套焦炉控制系统工厂总线配备了ESM系列西门子工业级交换机，以连接各控制站、操作员站、工程师站及服务器。

ESM系列西门子工业级交换机具有冗余环形网络管理功能，且可以实现全双工通信并具有网络自适应功能，使整个工业以太网通信速率达到100Mbit/s。环形网络的设计使得工厂总线的网络结构的安全性更高，网络任意一点断开不会影响其设备的正常工作。

焦炉热交换控制系统无论是上位监控系统还是控制系统的硬件，均实现了冗余容错配置，使得整个系统具有较高的可靠性。另外，控制站与各远程I/O站之间采用冗余现场总线PROFIBUS-DP通信线连接，可保证信号传输的稳定性和可靠性，并具有较好的抗干扰能力，系统所有I/O卡件均支持带电热插拔，加之部分故障安全型I/O卡件的使用，更减小了因系统故障停机而造成的损失。

焦炉机车协调PLC系统通过以太网通信处理CP443，将其S7-400H系列控制器连接到焦炉工业以太网中，通过焦炉工业以太网和焦炉控制系统建立网络连接，进行数据传输，建立各种联锁关系，保证焦炉机车的推焦和装煤动作在安全的情况下进行，从而实现焦炉从装煤、炼焦到出焦的整个生产过程的全自动联锁控制。

5、系统程序和上位监控

5.1系统程序

焦炉热交换控制系统通过西门子PCS7过程控制系统实现全自动控制，整套系统的主程序采用SFC顺序控制语言编写，用于实现主流程的步序控制。SFC对繁杂工艺工序进行描述和编程。用SFC进行编程，不需对时刻变化的工序步进动作进行设计，工序之间的联锁或双重输出的处理SFC均能自动进行，只要对各个工序进行简单的运行步骤和运行条件设计，就能保证设备的正确动作；操作者也可容易理解全部动作过程，能自动执行对各个工序的监视，试运行调整以及故障检查非常方便。SFC不只是可以用于对顺序的机械动作进行编程，也可以用于一般的逻辑编程，尤其是在分支判断比较复杂的情况下，采用SFC编程可大大缩短编程周期。

程序中使用CFC连续控制语言完成其他辅助控制功能的逻辑编写，并实现与其他DCS系统或二级管理系统进行数据交换的功能。编程人员在编程过程中，大量使用了驱动程序块，这些驱动程序块可以在PC站编译时，自动在WINCC画面上生成块图标，这样便简化了编程人员建立程序与画面的变量表的操作。程序中采用了大量的安全标准的功能块，用以检测线路断路、短路和CPU停电等故障，实现了对现场设备的安全控制。

焦炉热交换控制系统运行联锁条件多，工艺控制要求高，对现场仪表信号检测的准确性和有效性依赖较强，当卡件检测到F-I/O通道故障时，系统会将受影响的通道或所有通道切换至安全状态；对于具有输出功能的I/O卡件，焦炉控制系统则将故障安全值传送给卡件作为其通道的安全输出值，确保了I/O卡件采集各工艺过程值的准确及卡件的各通道都在安全状态下运行。

5.2上位监控

焦炉热交换控制系统采用西门子PCS7过程控制系统的WinCC作为上位监控软件。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATIC S7的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与PCS7编程软件的紧密结合缩短了工厂自动化项目开发的周期。

WinCC具有以下性能特点： WinCC是基于最新的软件技术，使用高可靠性的SQL Server 2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库。 WinCC系统能够提供生成复杂可视化任务的组件和函数； WinCC是一个模块化的自动化组件，有选件和附加件扩展了基本功能。

焦炉热交换控制系统能连续监视焦炉生产过程中各相关附机设备的运行状态和相关参数，并进行逻辑运算和判断，使附机设备按照即定的合理程序完成必要的操作或处理未遂性事故，在保证整个焦炉加热交换系统的安全，防止操作人员误操作及设备故障引起焦炉爆炸方面起着重要作用。

6、结束语

西门子DCS过程控制系统成熟稳定，保证了焦炉热交换控制系统设备运行的稳定性，实现了现场设备的精确、集中监控，提高了焦炉生产效率。

参考文献

[1]郑宇. 西门子DCS系统在大型焦炉中的应用[J]. 科技情报开发与经济，2009，07：102-103.

[2]王志伟，王秀娟.西门子PCS7过程控制系统在7.63m焦炉控制系统中的应用[J].首钢科技，2016，04：47-50.

[3]李庆民. 西门子DCS系统在某焦炉中应用技术的改进分析[J]. 工业技术创新，2016，03：532-535.

作者简介：

林新茼（1987-），男，汉族，吉林省通化市，本科，助理工程师，从事自动化设备维护工作。