西门子412-3H冗余控制器在自备电厂控制中的应用
2008/1/21 11:54:00
1、项目背景
吉安生化乾安酒精有限责任公司是以粮食深加工为主的吉林省重点民营企业。公司占地面积13万平方米，资产总额3.5亿元，年产值10亿元，拥有当今世界最先进的优级酒精生产线，年加工转化玉米 155 万吨，年产酒精 18 万吨，DDGS蛋白饲料6万吨，玉米胚芽3万吨，玉米粉6万吨。同时拥有两条无水酒精生产线和两条乙酸乙酯生产线，是目前国内三大酒精生产企业之一。由于玉米深加工需要足够的蒸汽来满足生产要求，其公司现在拥有 4 台老式 40T/H 链条锅炉和一个 75T/H 循环流化床锅炉的自备电厂，但产气量仍不能满足生产继续扩大的要求。出于保证生产的目的，其新建一座 75T/H 循环流化床锅炉的自备电厂。
由于先期电厂采用的国产控制系统存在诸多使用中的问题，其新电厂采用西门子412-3H 冗余控制器作为锅炉系统和汽机系统的控制控制系统，保证整个电厂的顺利生产。
2、系统综述
对于自备电厂来说，控制系统的主要控制对象是锅炉和汽轮机。而汽轮机方面有很多辅助仪表进行相应的监控，包括故障判断。所以控制系统不需要对汽轮机进行很详细的监控，只是向操作人员提供汽轮机当前的运行参数和在故障或出现连锁安全保护的时候采取必要安全措施。控制系统的主要控制对象还是锅炉的控
制。
在此电厂中采用循环流化床锅炉。循环流化床锅炉由于其相对于传统锅炉的突出优点（低污染排放、燃料适应性广、效率高），特别适合我国能源短缺和燃煤带来严重大气污染的实际国情，成为自备电厂的主力炉型。其控制的要点主要就是锅炉送风排风控制和汽包水液位控制。
3、系统构成
电厂控制系统采用412-3HCPU下挂ET200MIO 子站的模式。412-3H是西门子最新款的冗余CPU，是现有低端 CPU 的补充。提高了现有CPU的处理速度、工作存储器，并增加一些新功能。其Work Memory达到了768KB，基本相当于老版414H的性能，完全胜任自备电厂的控制要求。本系统有接近300点的AI 及RTD、热电阻信号，包括其他AO、DI、DO 信号一共配置为6个ET200M机架。系统的结构如下图所示。使用412H控制器保证了控制器的冗余。使用冗余接口的ET200M 接口模块保证了CPU与 IO 模块之间通讯连路的冗余。
ET200M 从站使用了有源底板，通过编写相应程序，可实现在运行期间对IO 模块进行热插拔更换。在AS与ES、OS的通讯上，使用两台Scanlace系列的新型208交换机，构成冗余环网，保证了 AS 与OS之间通讯的冗余。同时在电源部分采用了双路市电进路两个UPS，UPS在输出端进行并机作为单一的 220V交流母线向控制系统供电。每个柜内采用2台西门子SITOP直流电源，在负载端并联，作为冗余的直流电源母线对IO 模块及现场变送器供电，这样保证了控制系统电源部分的可靠性。综上，通过保证CPU、通讯、电源部分的冗余，保
证了整个系统的运行可靠性。再加上西门子H系统高可靠性和可在线修改的特性，在保证IO 余量的前提下，系统可保证完全的在线运行，从而保证了生产。
4、软件部分的处理
由于电厂点数比较多，同时用于辅助控制的中间变量也比较多，所以项目在程序结构上就采用了单个项目包含AS站，PC STATION的模式，在编程上采取模块化的方式，对相似的控制编制相应的FB驱动块，设置其输入输出的S7_m_c属性，从而简化了OS项目中变量的创建，同时也大大节省了花费在重复程序上的时间。下面就逐一介绍在本项目软件编写中采用的一些处理手法。
A．模拟量量化部分的改进
对于电厂控制程序，使用最多的应该就是模拟量的量化报警部分了。单纯使用西门子FC105Scale量化模块功能单一，不适合大点数场合的使用，借鉴PCS7种AI 驱动块的思想，编写了用于常规的PLC程序的驱动块FB108，其输入输出引脚举例如下所示：
CALL "AI_Driver(DB)" , "TE_101_4_DB"
HLimit :=
LLimit :=
HHAlarm :=
HAlarm :=
LAlarm :=
LLAlarm :=
DeadBand :=
Compen :=
Adr :="TE_101_4"
AI_Type :=TRUE
Rack :=2
Slot :=4
HHAlarm_ON :=
HAlarm_ON :=
LAlarm_ON :=
LLAlarm_ON :=
BIP :=
HH :=
H :=
L :=
LL :=
Channel_Err :=
Result :=
FB的输入包括：HLimit 和LLimit 是变送器量程的上下限，HHAlarm,HAlarm,LAlarm,LLAlarm 分别是报警的高高限，高限，低限和低低限，DeadBand 是报警死区，Compen 是量化熟知的补偿端。Adr 是AI 通道的地址，而AI_Type表明了这个通道所采用的量化手法，如果为0表明AI 通道内的数据是常规的电流或电压信号，FB内部调用 FC105 进行量化处理。如果为 True则通道数据为热电阻或热电偶信号，FB内部就自动对数据做除 10的处理。
HHAlarm_ON，HAlarm_ON，LAlarm_ON，LLAlarm_ON 分别是报警的使能信号，当其为True时，相应的报警才作处理。输出信号包含四个报警的输出端，一个通道故障信号Channel_Err 和通道的最终量化结果信号Result。当报警使能且量化值在报警范围内的时候，相应的报警输出端输出1信号，以供程序和操作员端使用。在使用中会出现变送器开路、短路或模块被拔出的情况，如果不加处理，程序会送出错误的量化值，可能会造成控制程序的误动作，鉴于此，在程序中编写OB83和 OB86 的中断程序以及FB125Profibus 总线的诊断程序，将当前的系统IO 模块状况按照特定格式放入一个指定的DB10，FB108根据输入端模块的位置（Slot，Rack）数据从DB10 中读取相应的模块信息。如果模块故障或被拔出，程序将不转换通道数值，保持最后一次的正常值并将通道故障位置位，提示操作员相应的变量质量，这样保证了数据的准确性并保证了因模块故障而更换模块时的数据处理。同时所有可能在 OS中WinCC项目中使用的输入输出接口全部添加了S7_m_c 的属性，这样调用FB时所产生的背景数据块可以通过编译在WinCC中直接调用，简化了使用，值得在大点数系统中推广这种方法。
B.控制功能的模块化抽象
由于电厂控制的传统习惯，很多部分的控制都是由固定模式，并且具有相似性，将其相似的部分抽出来变相类似于模拟量转换FB之类的控制 FB可以简化编程时的调用且方便调试。在本电厂控制程序中，将电机控制、电动门控制、执行器控制全部编写相应的FB来调用控制，并且通过直接编译背景数据块向OS项目中传递变量，大大简化了工作。
C.安全连锁及SOE的实现
电厂控制中的安全连锁主要就是当出现故障情况时的执行器的一种安全保护动作，防止出现故障时系统仍然运行造成事故。通过对电厂控制设备编写相应的控制FB，在编写时便预留了连锁保护接口和连锁模式接口，当保护接口为False时可以对设备进行正常操作，当保护接口为True时设备处于连锁保护状态，控制程序将接替操作员控制，将设备调整至安全运行状态。而连锁模式结构根据操作员的设置决定连锁保护是否启用，这样就简化了常规的连锁程序，方便了程序编写和调试。
对于电厂控制来说SOE是必须的记录手段，常规的大型电厂控制系统在硬件中都包含相应的SOE模块来检测记录连续产生的故障连锁信号，以方便时候查找故障原因。西门子的S7-300 系列IO 模块并不包含SOE模块。对于此电厂工程采用的硬件模式，可以通过调用标准库中的FB62来读取保存在 IM153中的消息来建立SOE列表的方式，但对于自备电厂来说，故障的判断并不需要太精确，一般来说都采用标志首发故障的形式来指示故障原因。因为电厂的连锁保护一旦开始，可能就是一个连锁反应，会相继产生很多连锁信号，但只有一个信号是所有连锁信号的根源，只须指出这个信号就能大体确定故障原因。在程序上，编写相应得首发故障检测程序，放在一个运行周期更短的循环中断中运行，他不断检测每个控制设备的安全连锁信号是否被置位，一旦有相应的连锁标志位被置位，表明它是第一个产生的故障，将其记录并显示，同时在操作员复位故障前阻断其他故障连锁信号的进入，从而时间对设备故障原因的指示。当然精度无法和专用的 SOE模块相比，但对于自备电厂的故障判断来说足以满足它的运行要求。
D.汽包水液位控制程序 汽包水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，冲击汽轮机叶片，引起轴封破损，叶片断损等故障；水位过低则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中的某些薄弱环节，以至局部水冷壁管烧坏，严重时造成爆炸。汽包水位的优良控制有重大意义。 具体控制中，使用标准的三冲量控制，使用2个标准的PID控制作为串级控制系统，将蒸汽流量作为前馈信号，与系数相乘后同反馈值相加作为串级控制器的输入送入控制器。通过使用三冲量控制程序，实现扰动的快速补偿，减轻“假水位”对扰动的不良影响。据经验内环即给水环操作频繁，给水需经常跟踪主汽流
量变化而水位环操作次数少一点，但水位信号经常波动，要加以滤波。另外由于生产过程中生产用汽负荷的变化有时很剧烈，有时表现出相应不太及时，这是需要对参数进行细微的修正保证快速跟踪，从而安全的控制液位。
5、操作员界面
项目使用WinCC6.0 SP3 英文版作为组态软件，通过集成在项目文件中实现程序变量向WinCC 项目的自动传递。WinCC部分实现了系统运行的图形化接口，使操作人员能够直观的操作和了解当前的系统运行情况，同时也实现了报警、历史趋势记录等多种功能，满足了电厂的使用要求。另外有一台操作员站还安装了Web Navigator 组件，将整个HMI 操作画面发布到厂区局域网内，可以方
吉安生化乾安酒精有限责任公司是以粮食深加工为主的吉林省重点民营企业。公司占地面积13万平方米，资产总额3.5亿元，年产值10亿元，拥有当今世界最先进的优级酒精生产线，年加工转化玉米 155 万吨，年产酒精 18 万吨，DDGS蛋白饲料6万吨，玉米胚芽3万吨，玉米粉6万吨。同时拥有两条无水酒精生产线和两条乙酸乙酯生产线，是目前国内三大酒精生产企业之一。由于玉米深加工需要足够的蒸汽来满足生产要求，其公司现在拥有 4 台老式 40T/H 链条锅炉和一个 75T/H 循环流化床锅炉的自备电厂，但产气量仍不能满足生产继续扩大的要求。出于保证生产的目的，其新建一座 75T/H 循环流化床锅炉的自备电厂。
由于先期电厂采用的国产控制系统存在诸多使用中的问题，其新电厂采用西门子412-3H 冗余控制器作为锅炉系统和汽机系统的控制控制系统，保证整个电厂的顺利生产。
2、系统综述
对于自备电厂来说，控制系统的主要控制对象是锅炉和汽轮机。而汽轮机方面有很多辅助仪表进行相应的监控，包括故障判断。所以控制系统不需要对汽轮机进行很详细的监控，只是向操作人员提供汽轮机当前的运行参数和在故障或出现连锁安全保护的时候采取必要安全措施。控制系统的主要控制对象还是锅炉的控
制。
在此电厂中采用循环流化床锅炉。循环流化床锅炉由于其相对于传统锅炉的突出优点（低污染排放、燃料适应性广、效率高），特别适合我国能源短缺和燃煤带来严重大气污染的实际国情，成为自备电厂的主力炉型。其控制的要点主要就是锅炉送风排风控制和汽包水液位控制。
3、系统构成
电厂控制系统采用412-3HCPU下挂ET200MIO 子站的模式。412-3H是西门子最新款的冗余CPU，是现有低端 CPU 的补充。提高了现有CPU的处理速度、工作存储器，并增加一些新功能。其Work Memory达到了768KB，基本相当于老版414H的性能，完全胜任自备电厂的控制要求。本系统有接近300点的AI 及RTD、热电阻信号，包括其他AO、DI、DO 信号一共配置为6个ET200M机架。系统的结构如下图所示。使用412H控制器保证了控制器的冗余。使用冗余接口的ET200M 接口模块保证了CPU与 IO 模块之间通讯连路的冗余。
ET200M 从站使用了有源底板，通过编写相应程序，可实现在运行期间对IO 模块进行热插拔更换。在AS与ES、OS的通讯上，使用两台Scanlace系列的新型208交换机，构成冗余环网，保证了 AS 与OS之间通讯的冗余。同时在电源部分采用了双路市电进路两个UPS，UPS在输出端进行并机作为单一的 220V交流母线向控制系统供电。每个柜内采用2台西门子SITOP直流电源，在负载端并联，作为冗余的直流电源母线对IO 模块及现场变送器供电，这样保证了控制系统电源部分的可靠性。综上，通过保证CPU、通讯、电源部分的冗余，保
证了整个系统的运行可靠性。再加上西门子H系统高可靠性和可在线修改的特性，在保证IO 余量的前提下，系统可保证完全的在线运行，从而保证了生产。
4、软件部分的处理
由于电厂点数比较多，同时用于辅助控制的中间变量也比较多，所以项目在程序结构上就采用了单个项目包含AS站，PC STATION的模式，在编程上采取模块化的方式，对相似的控制编制相应的FB驱动块，设置其输入输出的S7_m_c属性，从而简化了OS项目中变量的创建，同时也大大节省了花费在重复程序上的时间。下面就逐一介绍在本项目软件编写中采用的一些处理手法。
A．模拟量量化部分的改进
对于电厂控制程序，使用最多的应该就是模拟量的量化报警部分了。单纯使用西门子FC105Scale量化模块功能单一，不适合大点数场合的使用，借鉴PCS7种AI 驱动块的思想，编写了用于常规的PLC程序的驱动块FB108，其输入输出引脚举例如下所示：
CALL "AI_Driver(DB)" , "TE_101_4_DB"
HLimit :=
LLimit :=
HHAlarm :=
HAlarm :=
LAlarm :=
LLAlarm :=
DeadBand :=
Compen :=
Adr :="TE_101_4"
AI_Type :=TRUE
Rack :=2
Slot :=4
HHAlarm_ON :=
HAlarm_ON :=
LAlarm_ON :=
LLAlarm_ON :=
BIP :=
HH :=
H :=
L :=
LL :=
Channel_Err :=
Result :=
FB的输入包括：HLimit 和LLimit 是变送器量程的上下限，HHAlarm,HAlarm,LAlarm,LLAlarm 分别是报警的高高限，高限，低限和低低限，DeadBand 是报警死区，Compen 是量化熟知的补偿端。Adr 是AI 通道的地址，而AI_Type表明了这个通道所采用的量化手法，如果为0表明AI 通道内的数据是常规的电流或电压信号，FB内部调用 FC105 进行量化处理。如果为 True则通道数据为热电阻或热电偶信号，FB内部就自动对数据做除 10的处理。
HHAlarm_ON，HAlarm_ON，LAlarm_ON，LLAlarm_ON 分别是报警的使能信号，当其为True时，相应的报警才作处理。输出信号包含四个报警的输出端，一个通道故障信号Channel_Err 和通道的最终量化结果信号Result。当报警使能且量化值在报警范围内的时候，相应的报警输出端输出1信号，以供程序和操作员端使用。在使用中会出现变送器开路、短路或模块被拔出的情况，如果不加处理，程序会送出错误的量化值，可能会造成控制程序的误动作，鉴于此，在程序中编写OB83和 OB86 的中断程序以及FB125Profibus 总线的诊断程序，将当前的系统IO 模块状况按照特定格式放入一个指定的DB10，FB108根据输入端模块的位置（Slot，Rack）数据从DB10 中读取相应的模块信息。如果模块故障或被拔出，程序将不转换通道数值，保持最后一次的正常值并将通道故障位置位，提示操作员相应的变量质量，这样保证了数据的准确性并保证了因模块故障而更换模块时的数据处理。同时所有可能在 OS中WinCC项目中使用的输入输出接口全部添加了S7_m_c 的属性，这样调用FB时所产生的背景数据块可以通过编译在WinCC中直接调用，简化了使用，值得在大点数系统中推广这种方法。
B.控制功能的模块化抽象
由于电厂控制的传统习惯，很多部分的控制都是由固定模式，并且具有相似性，将其相似的部分抽出来变相类似于模拟量转换FB之类的控制 FB可以简化编程时的调用且方便调试。在本电厂控制程序中，将电机控制、电动门控制、执行器控制全部编写相应的FB来调用控制，并且通过直接编译背景数据块向OS项目中传递变量，大大简化了工作。
C.安全连锁及SOE的实现
电厂控制中的安全连锁主要就是当出现故障情况时的执行器的一种安全保护动作，防止出现故障时系统仍然运行造成事故。通过对电厂控制设备编写相应的控制FB，在编写时便预留了连锁保护接口和连锁模式接口，当保护接口为False时可以对设备进行正常操作，当保护接口为True时设备处于连锁保护状态，控制程序将接替操作员控制，将设备调整至安全运行状态。而连锁模式结构根据操作员的设置决定连锁保护是否启用，这样就简化了常规的连锁程序，方便了程序编写和调试。
对于电厂控制来说SOE是必须的记录手段，常规的大型电厂控制系统在硬件中都包含相应的SOE模块来检测记录连续产生的故障连锁信号，以方便时候查找故障原因。西门子的S7-300 系列IO 模块并不包含SOE模块。对于此电厂工程采用的硬件模式，可以通过调用标准库中的FB62来读取保存在 IM153中的消息来建立SOE列表的方式，但对于自备电厂来说，故障的判断并不需要太精确，一般来说都采用标志首发故障的形式来指示故障原因。因为电厂的连锁保护一旦开始，可能就是一个连锁反应，会相继产生很多连锁信号，但只有一个信号是所有连锁信号的根源，只须指出这个信号就能大体确定故障原因。在程序上，编写相应得首发故障检测程序，放在一个运行周期更短的循环中断中运行，他不断检测每个控制设备的安全连锁信号是否被置位，一旦有相应的连锁标志位被置位，表明它是第一个产生的故障，将其记录并显示，同时在操作员复位故障前阻断其他故障连锁信号的进入，从而时间对设备故障原因的指示。当然精度无法和专用的 SOE模块相比，但对于自备电厂的故障判断来说足以满足它的运行要求。
D.汽包水液位控制程序 汽包水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，冲击汽轮机叶片，引起轴封破损，叶片断损等故障；水位过低则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中的某些薄弱环节，以至局部水冷壁管烧坏，严重时造成爆炸。汽包水位的优良控制有重大意义。 具体控制中，使用标准的三冲量控制，使用2个标准的PID控制作为串级控制系统，将蒸汽流量作为前馈信号，与系数相乘后同反馈值相加作为串级控制器的输入送入控制器。通过使用三冲量控制程序，实现扰动的快速补偿，减轻“假水位”对扰动的不良影响。据经验内环即给水环操作频繁，给水需经常跟踪主汽流
量变化而水位环操作次数少一点，但水位信号经常波动，要加以滤波。另外由于生产过程中生产用汽负荷的变化有时很剧烈，有时表现出相应不太及时，这是需要对参数进行细微的修正保证快速跟踪，从而安全的控制液位。
5、操作员界面
项目使用WinCC6.0 SP3 英文版作为组态软件，通过集成在项目文件中实现程序变量向WinCC 项目的自动传递。WinCC部分实现了系统运行的图形化接口，使操作人员能够直观的操作和了解当前的系统运行情况，同时也实现了报警、历史趋势记录等多种功能，满足了电厂的使用要求。另外有一台操作员站还安装了Web Navigator 组件，将整个HMI 操作画面发布到厂区局域网内，可以方
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