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    概述

    廣州水泥廠位于廣州市花都區新華鎮，珠江支流巴江河北岸。考慮到企業自身發展的需要和周邊居民對空氣環境改善的期盼，廣州水泥廠于2004 年4 月開土動工遷建，并計劃于2005 年上半年建成投產。該項目總投資10 億元，建成后將達到年產230 萬噸水泥的規模。集散控制系統以下對新廣州水泥廠環保遷建工程項目6000t/d) 集散型控制系統的系統規模、系統功能、操作功能等性能進行介紹。

    西門子公司在此項目上使用的是新一代集DCS 和PLC 的優點于一身的集散控制系統PCS7，系統結構如下圖所示。

圖1

    它的主要特點如下：

    ? 徹底打破了DCS 和PLC 的界限由于PCS7 AS 控制站采用的硬件與SIMATIC S7-400 系列高檔控制器相同，這樣就可以使得PCS7 的控制器和S7-400 控制器在硬件上是徹底兼容的, 從而徹底解決了硬件平臺不一樣的問題，系統的安裝、維護、管理和備件的問題都得到了解決。在硬件統一的基礎上，PCS7 更進一步實現了軟件的統一。在PCS7 的工程師站可以對PCS7 的控制器、操作員站進行編程和組態。同時，可以將整個項目有關的組態信息，如I/O 點數、I/O 規范( 量程范圍、信號制等)、聯網設備的地址、現場設備的設置參數( 如變頻器) 等都統一地存儲在一個唯一的組態文件中，并且這些組態信息可以下載到PCS7 的控制器中，當需要更換現場設備時，可以直接更換，有關的設備設置信息可以由控制器直接下載到有關的現場設備中，從而避免設備設置錯誤，減少停機時間。

    ? 更加方便的組態工具

    PCS7 的主要組態工具為CFC( 用于模擬控制的組態) 和SFC( 用于邏輯控制的組態)，同時保留了語句表和梯形圖的編程方式。各種不同的編程方式所做的用戶程序，經過編譯后生成統一的程序塊，經過有關的OB 塊調用后即可執行。

    ? 完全融合了現場總線技術

    由于采用了目前市場占有率最高的PROFIBUS 總線技術，PCS7 既可以支持I/O 站又可以支持其它高速現場設備如變頻器等。所有的現場設備都可以通過工程師站進行組態、參數設置、監控、診斷等。

    網絡結構

    采用三層網絡結構：監控終端網( 普通辦公室以太網10/100Mbps)、系統總線( 高速工業以太網10/100Mbps)和現場總線(PROFIBUS 12Mbps)。通過三層網絡實現監控終端、監控系統、控制器、工程師站和現場設備的連接。監控系統采用冗余服務器/ 客戶機結構。當一臺服務器故障時，客戶機可以自動登錄到另外一臺服務器上。當故障的服務器修復后重新投入時，有關的歷史數據可以自動更新到新投入的服務器中。這樣就可以保證在任意一臺服務器中時刻都可以保存著完整的整個系統的數據。在一個系統中最多可以有12 對互相冗余的服務器，每對服務器最多32 臺操作員終端。

    CEMAT

    CEMAT 是西門子公司專門針對水泥廠設計的工藝控制軟件，并且在惡劣的環境中經歷多年的驗證。該系統在水泥行業廣受歡迎，使用廠家數量不斷攀升。西門子基于對水泥生產過程工藝的深刻理解，聯合世界上眾多水泥生產廠家一起設計開發了CEMAT 系統。開發和支持CEMAT 的工程師們在水泥行業的從事經歷可以追溯到35 前。CEMAT 現在是基于西門子的過程控制系統PCS7，它為現代的、面向未來的、經濟型的水泥解決方案提供了獨特的、開放的系統架構。

    STEP7 程序管理器

    STEP7 程序管理器是SIMATIC S7 系列編程語言，用來處理變量連鎖控制。STEP7 可以用IEC-1131 標準編程語言(STL，LAD，FBD，CFC，SFC 和SCL) 進行編程。在PCS7 中，CFC、SFC 和SCL 作為主要的組態工具，用于完成傳統DCS 中連續過程控制任務的組態。如果在一個項目中，有很多離散過程如聯鎖控制等，則可采用STEP7 中其它幾種編程語言，很方便地進行編程，這是對傳統DCS 系統處理離散控制任務能力不強的一個補充。

    CFC

    CFC 是一種簡潔的圖形組態工具，它采用了IEC-1131 的標準。使用CFC 有助于節省時間和費用，同時大大地簡化了系統的組態和維護。用CFC 進行組態時是以功能塊為基礎的，系統配置了很多預編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現。每個功能塊都有一個參數表，可根據實際工藝要求選擇不同的參數。功能塊在CFC 中的連接直接用鼠標點接。每個CFC 由6 頁組成。功能塊之間的連接可以在不同的CFC 之間的不同的頁面上進行，連接標記由系統自動標出。因此，采用CFC 可以完成很復雜的大型控制任務。CFC
主要用于連續過程的自動化控制任務的組態。

    SFC

    SFC 也是一種圖形組態工具，它也采用了IEC-1131 的標準。SFC 主要用于小型的批量操作等順序控制的自動化任務。這種圖形化的組態工具在組態時，首先畫出順控的順序圖。順序圖中，可選擇順序、并行分支、交替分支和回路等局部結構。圖中用大小兩種方塊分別表示步驟(Step)和轉移條件(Transition)。順控的順序圖一旦建立，只需把步驟中要執行的任務和轉移條件中的條件寫入，順控的組態任務即得到完成。在組態時，由于很多步驟中的任務和轉移條件都與CFC 有關，因此，可把CFC 中的信號引入SFC 中。CFC 與SFC 的交替使用，可以很方便地實現復雜的順控任務。
 
    SCL

    SCL 是一種類PASCAL 的高級語言，它采用IEC-1131 的標準。利用SCL 可以很方便地編制用戶功能塊。用SCL視窗控制中心( 簡稱WinCC)操作員站用于對整個PCS7 進行監控。服務器與控制站之間通過西門子工業以太網通訊，服務器與客戶機之間通過普通辦公室以太網通訊。操作員站是通過WinCC 人機界面軟件對系統進行監控。WinCC 是西門子公司在自動化領域采用最先進的技術、與微軟公司共同開發的、居于世界領先地位的工控軟件。系統帶有標準用戶界面( 概貌區，畫面區，按鈕區，趨勢，報警行，面板)，具有分層結構和簡單導航以及固定區域的多窗口設計，方便用戶操作，還可以防止概貌區與按鈕區重疊。具有豐富的標準面板，用以控制各種設備和控制策略，如電機，閥門，PID 控制，步進控制等等。報警管理具有屏幕層次及組顯示、回路顯示功能。可以通過一次鼠標點擊，直接從概貌區跳到報警畫面，由操作員決定哪個報警最重要。

    強大的趨勢顯示功能，每一趨勢最多顯示10 個標簽，可以縮放，有標尺( 同時在表格顯示數值)、時間刻度可調整，趨勢顯示可暫停。顯示畫面可滾動( 前/ 后)，單一Y 軸可顯示所有標簽值(%)，也可選擇使用幾個Y 軸分別顯示各自標簽值，趨勢圖能顯示和合并在線過程值和歸檔( 歷史)數值。靈活的用戶管理。每一操作員/ 組可被分配自定義授權，報警過濾/ 訪問控制由過程區域劃分，共享自定義功能，可鎖定/ 共享工廠分區，授權訪問使用口令或者智能卡，安全功能可應用至每個操作或者對象。其它一些特殊功能，如智能卡閱讀器用于簡單和安全的用戶識別；在過程畫面中加入視頻輸入；每個操作員/ 組能被分配給單獨的功能、區域等的操作授權；帶有DCF 77或者GPS 接收器的中央時鐘同步；信號模塊報警聲光提示；在線語言切換。

    本工程采用了西門子公司專門為水泥行業開發的CEMAT軟件，使用了融合DCS 和PLC 技術的PCS7 過程控制系統，在全廠安裝了分布式現場總線，系統總線采用高速光纖以太環網。這些先進的產品和技術保證了工程的先進性，并大大縮短了工程實施中編程和調試的時間，使工廠得以順利投產并取得了良好的效果。生成的功能塊可在CFC 中被多次調用。用戶可以把過程的數學模型和優化控制策略用SCL 編成功能塊，直接下載到控制器中運行。這樣，可以把過程的優化控制放在控制器中，實現對工藝過程的優化控制。

    工程師站

    工程師站用于對整個PCS7 系統進行組態，采用了集成的全局數據管理和統一的組態工具。這個組態工具就是SIMATIC 程序管理器，它采用了現代化的軟件體系結構，對項目進行管理、處理、歸檔和建立文件。在軟件開發方面，采用了面向對象的技術。與傳統DCS 系統相比，西門子PCS7 的組態直接面向工藝過程。在SIMATIC 程序管理器下，有多種組態工具可以使用，無論采用何種組態工具，生成的組態數據都自動存到一個同一的數據庫中。這些組態工具是：水泥行業專用工藝控制軟件CEMAT、CFC( 連續功能圖)、SFC( 順序功能圖) 和WinCC 視窗控制中心等。

    操作員站( 簡稱OS)

    所有OS 專用的組態是用在SIMATIC 程序管理器中的相應工具完成的。流程圖是用圖形編輯程序建立的，動作、文檔、記錄和曲線是用組態方式完成的。報警功能是通過組態實現的，不必多重輸入，同時CFC/SFC 功能塊中已隱含了報警功能。將AS 的組態鏈接到OS 中時，AS 中的圖象塊之間的連接、功能塊的報警和文檔變量都可隱含產生，不需任何附加的配置工作。

    功能塊庫

    采用現成的功能塊庫，可以大大減少工程費用。為了適合各種不同工業領域的要求，PCS7 預先編制了大量實用的功能塊，以供用戶選擇。這些功能塊包括：I/O 卡件、PID回路、驅動、傳動、電機和閥門等。功能塊包括了在ES中的CFC 圖形和OS 中顯示的面板。

    數據庫

    SIEMENS PCS7 系統采用具有標準化、開放性、性能優秀、功能強大的關系型分布式數據庫平臺作為數據采集、數據處理、數據分析和制造執行系統的數據庫支撐系統。關系型、分布式數據庫平臺不同于一般的數據庫支撐系統，它能保證系統數據的完整性、一致性和系統各個部分數據的同步性，具備多種形式的數據查詢、數據關聯和數據索引方式。

    SIEMENS PCS7 系統采用了微軟的SQL SERVER 關系型數據庫管理系統，該系統能實現完整的數據管理功能，包括能支持在異種網上提供透明的數據管理，而且應用軟件開發包所集成的SQL_Anywhere 與SQL_SERVER 有著非常好的整合性，確保了數據庫的數據完整性。