西门子CEMAT及多项目合并在水泥方面的应用

一、引言 闽西永定县坎市镇2×5000t/d熟料带余热发电水泥生产线项目，由台湾上市公司国产实业建设股份有限公司独资兴建，总投资12.8亿元人民币，是福建省当前规模最大的旋窑水泥熟料的生产线。第一期工程5000t/d新型干法水泥项目进展顺利并于今年9月点火投入生产。此水泥生产控制系统采用的是基于西门子PCS7，专门应用于水泥行业的CEMAT软件包进行编程开发。工程项目采用按工艺段不同工程师编程，最后在中心工程师站合并多工程并配置上位机系统的多项目合并法。 CEMAT是西门子专门为水泥行业设计的控制系统。其应用成熟久经考验，是西门子主流的过程控制系统PCS7基础上设计并能够为水泥行业提供先进的、便捷的解决方案。 多重项目意味着多个工程师在一个项目中工作开发。通过分配多重项目，可以每个操作员创建一个项目，将站点分配给各个开发人员，这样可以分布式的执行项目开发。在各个分配的工程编程完成后再进行合并为一个整体。采用多项目合并方法，可以大大的提高工程开发速度，把任务按工艺等要求分配给几个工程开发人员然后合并，极大的有利于工程开发和调试进度。多项目的结构在工程组态初期对工程组态的进度有很大影响，所以在开始时确定好结构方式很重要。在工程合并时，各子项目中自动化站网络合并、通讯连接等对于合并的成功与否起着关键作用。 图1： 闽西永定县坎市镇2×5000t/d其中一条生产线全景图 二、水泥工艺简介 此生产线采用新型干法水泥工艺。采用计算机集散控制为自动化过程控制手段，实现高效、优质、低耗水泥生产。与传统的湿法、干法、半干法旋窑水泥生产相比较，其工艺过程比较复杂，系统环节多，连续性较强，许多工序联合操作，相互影响，相互制约。生产阶段主要包括原料处理（石灰石破碎及料场预均化、原料粉末处理、辅助原料料场）；配料计量及原料磨立磨处理；预热塔预热并进回转窑窑尾；回转窑煅烧；窑头冷却、煤磨处理及电收尘；孰料库入库；辊压机处理；石膏破碎；水泥磨处理；水泥入库等阶段。 三、系统组成介绍 由于工程开发工期紧，所以项目的生产段的程序开发由三名工程师按工艺段分别编程。具体分工如下：一名工程师负责原料处理各站控制程序的开发，其中包括原料粉磨站、石灰石破碎站和辅助原料站。一名负责生产工艺段程序的开发包括回转窑窑头、窑尾两部分。一名负责熟料生产出后工艺段的程序包括水泥粉磨处理、石膏破碎、熟料储存等。各工程师在编写程序过程中分别负责自己的工艺段，这样不仅能并行工作也能非常有针对性的工作，既节省时间又能保证高效完成任务。 图一所示的是一条5000t/d生产线中整体的结构配置： 图2：5000t/d生产线中系统结构配置 本控制系统在生产工控网层采用西门子AS416-3CPU和ET200M远程I/O分为原料粉末41LCS站、窑尾51LCS站、窑头57LCS站和水泥粉磨84LCS站。现场总线采用PROFIBUS-DP，速率设为1.5Mbit/s。原料粉末有两个远程站由于距离较远环境较为恶劣故采用通过OLM转为光纤传输方式来连接子站，这样转为光传输后即可增加子站与主站间的距离也可以增加通讯总线的抗干扰性。同样如图所示窑头子站煤磨站，水泥磨子站石膏破碎及熟料储存站都采用OLM转为光纤传输方式连接。 工厂管理网层采用2台服务器连接现场控制层各PLC，2台服务器配制成互为热备冗余功能完成从PLC读取过程数据、过程历史数据归档、把过程画面及数据通过以太网传给操作员站等等。其中若有一台服务器停机或是出现故障另一台能继续工作不影响生产及操作员在客户机操作。同时在工作正常时备用服务器随时与主服务器时间同步，现场控制层各PLC及各客户机也与运行的主服务器进行时间同步。操作员站按生产工艺段分使用5台客户机进行生产操作，客户机与服务器通讯从服务器读取过程数据实现对现场监控，并通过组态实现过程操作、报警和历史趋势观察等功能。 各自动化站的OSM通过100Mbit/s光纤环网连接起来并与管理层通讯。总工程师站负责编程和合并项目，组态HMI，对各AS416-3自动化站、服务器、客户机进行配制并下载。 四、CEMAT软件包应用介绍 CEMAT软件包应用于PCS7系统，是西门子专门为水泥行业设计的控制系统。其在PCS7集成的功能上增加了针对水泥工程特点的设备控制功能程序、工艺设备联锁及故障诊断等功能块，提供更加针对水泥应用的画面组态模板，具有更加科学的应用于水泥方面的控制算法及经济解决方案等优点。 在水泥生产设备中用得最多的就是电机和阀门等设备，并且设备间的群组启动、动作连锁也很多。而CEMAT软件包中的有相应的控制块，用户可以根据控制要求选用对应功能的控制块进行编程，大大简化编程过程，编程人员只需把更多的精力放在工艺连锁要求上就行了。 下图为CEAMT库中提供的设备元素图，用户几乎可以不用自己单制作设备图。并且利用系统中提供的图素，当编译组态连接好变量后，点击画面上的这些设备图（如点击电机）则此电机的操作界面将会调出。 图3：@C_PCS7Typicals_V61.pdl中的设备模板图 五、多项目组态方法及合并步骤 西门子PCS7建立工程项目时分为单项目、库和多项目工程。在此项目开发过程中，一名工程师在中心ES站建立可加载多项目的工程，另两名工程师各自建立单项目工程。在程序开发完后合并到中心ES站中的多项目工程当中去，并在多项目工程中设置通讯连接并配置服务器及冗余服务器和操作员站。西门子PCS7主要的两个组态工具是下位机编程组态软件STEP7和上位机HMI软件WinCC。合并过程在STEP7中进行，合并步骤如下： 1、 在建立的多项目工程中加载单项目 2、合并网络并建立工程师站、自动化站、服务器站、客户机之间的通讯连接 3、对PlantView下的层级文件夹作CPU及OS的配置 4、配置服务器站并做好上位机操作系统的组态设置 5、配置各操作员站的组态设置 6、对CFC程序及服务器的OS进行编译，检查配置问题 7、向自动化站CPU下载控制程序，向服务器及操作站下载组态好的WinCC 图4：合并网络后的网络配制局部截图 全部下载完后，要激活各操作站的WinCC，测试两台服务器是否能够冗余切换，操作员站是否能通过服务器与PLC进行通讯。并要再次测试在WinCC中所作的设置是否满足要求。全部测试通过后多工程建立完毕。 六、应用体会 本工程结合多项目工程方法与CEMAT实施工程设计，运用CEMAT这一专门应用于水泥行业的软件包和极其方便的HMI功能，同时采用多工程合并方法大大节省了工程开发时间提高工作进程。CEMAT在应用的过程中虽然其相似于PCS7的程序编写，但在编程及组态过程中还要做相当的配置设置，这在应用CEMAT程序块时要特别的注意。在合并工程时各子工程项目中组态的网络在ES站合并成一个整体这十分关键，并且在网络合并好后要做好网络通讯连接的组态设置这两点是合并项目的关键。编程及组态过程中要仔细阅读CEMAT包中提供的文档，充分挖掘其功能块的功能并按步骤要求进行相应的组态设置。 据了解目前日产1万吨水泥熟料生产线全球仅十多家，此2×5000t/d熟料带余热发电水泥生产线作为福建当前规模最大的旋窑水泥熟料的生产线运用西门子CEMAT及按工艺段并行编程最后合并的建立工程方法大大降低了工程开发难度，加快了开发进度节省了工期。相信运用良好的工程软件及工控产品并结合合理的开发方法可以更加有力的促进我国水泥行业的发展。 参考资料： [1] 西门子CEMAT应用文档 [2] 西门子专家论文集 航星国际自动控制工程有限公司 工程部：何安 邮件：hean_automation@yahoo.com.cn