西門子PA儀表與PCS7系統(tǒng)結(jié)合在華新水泥(武穴)項目中的應用

 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備，建設成了當時“遠東第一”，后來一直享譽中外的華新水泥廠，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)了濕法工藝向先進的干法工藝的歷史性轉(zhuǎn)變。
進入“十五”以來，華新進入了飛速發(fā)展期，到目前為止，華新水泥股份有限公司建設新型干法窯共１０條，粉磨站共8個。
 

圖1-1：華新（武穴）水泥有限公司

 
     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)已成為當代水泥工業(yè)發(fā)展的主流和最先進的工藝。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。

圖1-2：武穴水泥磨工藝生產(chǎn)線監(jiān)控圖

 
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 氣動標準信號, 60 年代后發(fā)展了  4～20mA(DC) 信號標準, 80年代后---4～20mA(DC) 標準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，
隨著計算機技術、控制技術、網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了較大變化, 現(xiàn)場總線技術的智能儀表等產(chǎn)品應運而生。
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。
     快速，無故障參數(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)設定方面，它還可以利用方便的SIMATIC PDM軟件進行編程。
 SITRANS T3K PA帶有的保護功能：
電流限值：在出現(xiàn)故障時，避免總線過載，維護其它正確運行節(jié)點的數(shù)據(jù)流通；
極性顛倒保護：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。標準量程寬，從0.1至40MPa。該變送器即可使用三個輸入鍵在現(xiàn)場進行參數(shù)設定，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
超強的診斷功能
·  超限監(jiān)測。當壓力值超限，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?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物位計，最大量程可達45米，改進型的量程升級至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行編程，也可以使用SIMATIC PDM 軟件進行遠程編程。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)的測量應用中，測量結(jié)果可靠、穩(wěn)定、準確。
2) 先進的回波處理算法——聲智能技術，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)、電控設備及儀表設備是提高產(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)保起著至關重要的作用。
2.3.1 項目當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

2.3.2 智能設備照片

                  
　　　　　　
            西門子變頻器440           西門子PA 壓力&溫度儀表       

           
DP執(zhí)行器SIPOS5           用現(xiàn)場接線盒取代TAP頭　    
        

   
      LR400 雷達料位計

3．武穴項目過程控制系統(tǒng)組成
3.1系統(tǒng)共設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、 DO 1280點、AI  200點、AO  8點、PT100   320點、 共4432點、DP 256個、 PA  105個。
                          

圖3-­1武穴過程控制系統(tǒng)配置圖

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     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)。
現(xiàn)場控制層：
（1）SIMATIC ET 200M 遠程I/O站通過ProfibusDP通信標準與S7 416-2進行通信；
（2）現(xiàn)場低壓智能保護、中壓智能保護、交直流傳動、調(diào)速變頻裝置以及電動執(zhí)行機構(gòu)通過ProfibusDP通信標準與 S7 416-2 PLC進行通信；
（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通信標準與DP/PA-LINK及COUPLER連接與S7 416-2 PLC進行通信；
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中心技術人員自己開發(fā)的應用軟件；

4．ProfiBus-PA儀表在PCS7中應用

4.1 ProfiBus-PA儀表在PCS7中硬件配置
   西門子網(wǎng)絡以PROFIBUS協(xié)議為主流，網(wǎng)絡組態(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，打開SIMATIC PDM, 即可對現(xiàn)場儀表進行參數(shù)配置；
 

圖4-1  ProfiBus-PA儀表在PCS7中硬件配置

 
4.2  ProfiBus-PA儀表在PCS7的CFC中的應用
4.2.1  在CFC chart圖中拖進一個“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)場設備；
4.2.5  將CFC　chart 塊編輯、然后下載到CPU控制器，現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)
 

   圖4-2  ProfiBus-PA儀表在PCS7的CFC中的應用圖

 
4.3  ProfiBus-PA儀表在PCS7的操作畫面中的應用

                             
圖4-3  461KH1T1窯頭罩溫度曲線     圖4-4  461KH1P1窯頭罩壓力曲線
  （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—是一個過程設備管理工具，適用于所有的現(xiàn)場設備，如溫度變送器、壓力變送器、物位計、電動執(zhí)行機構(gòu)等智能儀表；
5.2   打開PDM工具展示供貨商所有的設備參數(shù)描述；
5.3   提供統(tǒng)一的人機界面易于操作；
5.4   SIMATIC PDM 有集成版或單機版；
5.5   一臺現(xiàn)場設備的所有參數(shù)可以通過通訊傳輸上來；
5.6    SIMATIC PDM 特殊功能
- 設置現(xiàn)場設備地址
- 顯示連續(xù)記錄
- 參數(shù)設置比較
     

圖5-1  SIMATIC PDM 可視平臺
 

6．PROFIBUS-PA儀表使用的經(jīng)驗

 
 
圖6-1  壓力表頂?shù)谋Ｗo蓋            圖6-2  三個現(xiàn)場按鈕

6.1壓力儀表調(diào)校
     對于西門子壓力儀表參數(shù)設置方法很多，并且所設定的參數(shù)有20多個，如何簡單迅速的對儀表進行設定，是儀表工程師關注的問題。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蓋，通過三個現(xiàn)場按鈕進行參數(shù)調(diào)整；

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)進行參數(shù)設定，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所掛接的設備要求具有較高的通訊速率，故而，通過PCS7組態(tài)網(wǎng)絡時利用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：最后設備電壓
Us：耦合器的電壓
Is：耦合器的電流
R'：單位長度導線阻抗
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)實際情況進行配置，充分考慮每個從站的響應時間、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)絡配置中，充分考慮以上因素，優(yōu)化了網(wǎng)絡配置， 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　在軟件上設計集中、設計故障源減少，節(jié)省調(diào)試時間；
8.3　在生產(chǎn)安全上減少停機時間、尋找故障直觀，迅速、具有預維護和診斷功能；
8.4用現(xiàn)場總線與非現(xiàn)場總線成本差別

9.結(jié)束語
 
     隨著計算機技術，控制技術，網(wǎng)絡技術的發(fā)展 ，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化，現(xiàn)場總線技術有著廣闊的發(fā)展前景。運用該技術研究和開發(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、料位計等儀表的應用情況來看，其穩(wěn)定性好。可靠性高，故障診斷方便等優(yōu)點，為我公司的儀表推薦應用產(chǎn)品。

（轉(zhuǎn)載）