西门子6ES7222-1BF22-0XA8介绍说明

西门子6ES7222-1BF22-0XA8介绍说明

 一、方案概述

    主机控制信息系统（1＃、2＃机组）的DCS设计为冗余双环环网的拓扑结构，划分为1＃机组、2＃机组，机组DCS系统以千兆（KWES40016）工业交换机双环网和百兆（KWES40016(百兆光口模块)）工业交换机双环网的网络架构，网络中心上连至工作站、工程师站、应用服务器以及SIS系统等。

    二、网络拓扑

    网络拓扑采用两层冗余双环网的总体架构。考虑到I/O站点的个数，如果不够可以通过交换机的级联来实现扩张或者环网上加KWES40016。如下网络拓扑图

    三、方案说明和特点

    主机控制信息系统（DCS）控制网络使用环型结构冗余千兆光纤以太网，通过以太网交换机（KWES40016）光纤接口连接，以实现在机炉集中控制室集中监视和控制。核心交换机连接操作员站、数据库服务器、各I/O站及SIS等。

    本网络方案根据现有的I/O布局和拓扑结构，采用与核心交换机隔离的冗余双环网百兆以太网结构，使网络在发生不同故障点（线路、交换机）的情况下仍然能够正常工作，网络主干交换机采用KWES40016(千兆光口模块)工业交换机，确保了整个网络系统的可靠稳定性。其个案特点主要表现在以下几个方面：

    （1）DCS中的骨干交换全部为千兆交换（通过KWES60008的千兆光口模块实现）。有力的保了数据交换传输的实时性和可靠性和安全性

    （2）在DCS系统中不但接入了上位操作员站和工程师站，而且应用了数据库服务器和系统服务器，使得DCS系统的控制和监视功能更具丰富性和灵活性，也为日后附加功能的升级提供了方便。如果需要千兆电换机可以添加KWES60008(8个千兆口)加入到环网中

    (3)针对于各个机组的I/O分布的具体情况，低层交换采用了百兆的KWES40016(加百兆的光模块)，在保证效率的同时，对于日后终端I/O的扩展和增容可以级联KWES12016的扩展电口。

    (4)考虑到核心交换的负载，I/O层的网络与核心层分开。从而使得低层交换机接入时负载更加均衡，缓解了核心交换压力。两者之间通信通过前置机数据交换，如果需要千兆电口可以换成KWES60008交换机（8个千兆口）

    (5)所采用的KWES系列以太网交换机均属于工业级以太网产品。冗余电源的设置，牢靠的重负荷设计，电磁兼容性、工作温度、防震等指标完全符合工作现场的要求。

    (6)KWES40016支持IGMP和VLAN和PortPriority（端口**级）设置，从而可以较大程度地限制网络上的广播和组播信息，提高网络的可靠性和工作效率。还可以对端口的流量进行设置，确保网络的数据可控。网络安装和故障诊断比较方便。KWES40016系列交换机带有SNMP管理单元，而且还集成有基于WEB的管理系统，这为快速地进行网络组态、诊断、故障和管理提供了方便。千兆口的冗余时间也小于20ms

    四、总结

    国内火电行业中的DCS系统，大多采用百兆双环网架构或者采用一层千兆双环网架构。相比而言，本方案采用两层冗余双光纤环架构，同时还可以增加KWES60008产品，应用和数据库服务器来丰富完善DCS系统的千兆电口需求功能，I/O层和核心层有效隔离。因此从系统的可靠性，安全性，还是性价比方面都处于良好

   1.项目简介

    承钢5号高炉炼铁车间的规模为一座2500m3高炉及其所属辅助设施。主要工艺包括：2500m3高炉主体工艺设施，其中炉**采用无料钟串罐方式，热风炉系统采用3座**燃式热风炉和2座预热炉的方式；高炉循环水泵站；高炉喷煤制粉站；高炉除尘设施；槽上供料设施,鼓风机站,空压机站,锅炉房等。本项目的控制范围涉及上述工艺系统及其所属辅助工艺设备。工艺总貌如图1所示。

    承钢5号高炉的基础自动化控制系统是典型的电仪合一的大型高炉控制系统，具有较高的控制水平，系统包括：矿槽控制系统、炉**控制系统、高炉本体控制系统、热风炉控制系统、出铁场控制系统、布袋除尘控制系统、水冲渣控制系统、煤粉制备控制系统、煤粉喷吹控制系统、高炉水处理控制系统、鼓风机站及其水处理控制系统、煤气柜控制系统、锅炉控制系统等。

    2.控制系统构成

    本工程的控制系统考虑了SIEMENS公司“全集成自动化”的理念，不仅选用了标准的PCS7控制控制站和操作站及相应软件，还选用了SCALANCE系列的网络产品，其中包括冗余AS控制器4套，标准AS控制器11套，具有热插拔功能的ET200M单元62套，Y-bbbb耦合器1套，OSSERVER硬件及软件1对（套），OSCLIENT硬件及软件10套，OS单站硬件及软件14套，ES工程师站硬件及软件9套，SCALANCE各系列交换机21台以及网络附件若干。控制系统配置图如图2所示：（公辅系统从略）

    各控制站、控制站与操作站之间采用工业以太网连接。其中，高炉主体部分为1000M光纤环网，操作站为SERVER/CLIENT结构，设有冗余SERVER对和工程师站，在PlantBus和TerminalBus环网中选用了SCALANCEX414-3系列的1000M冗余管理型交换机；其它公辅系统以100M光纤星型方式接入主环网，该部分选用了SCALANCEX200系列的交换机。

    控制器部分，对于矿槽系统、炉**系统、高炉本体系统、热风炉系统等高炉主体部分选用AS417-4-2H组件包（双电源模块、双CPU模块，双以太网通讯模块、双PROFIBUS通讯网络），其它公辅系统选用AS414-3组件包。ET200MI/O部分选用带有热插拔功能的有源背板和具有高性能的接口模块IM153-2HF，对于热备系统则选用双电源模块、双总线接口模块。

    工程师站、操作员站（包括SERVER、CLIENT、单站）均选用预装有PCS7软件的SIEMENSIL43系列工控机。

    对于热备系统的PROFIBUS网络，选用Y-bbbb将具有PROFIBUS接口的传动装置和编码器接入并实现切换的功能。本系统还留有于二级系统的网络接口，通过SCALANCEX200系列交换机连接至主环网并通过SCALANCES硬件防火墙隔离

    3.控制系统完成的功能－用户自定义功能库

    在PCS7所提供的功能库的基础上，我们对其进行了延伸和扩展，开发了适合冶金特别是高炉控制方面的自定义功能库。通过使用该功能库，工程师一次性的编程即可完成如下工作：

    AS控制器中运行的过程控制回路控制算法；

    针对控制回路在上位机中相关画面下对应的监视回路图标；

    控制回路在上位机中对应的操作及参数设置子画面；

    控制回路对应的相关报警信息、趋势归档及用户操作记录等。

    所示的矿槽系统流程图中包括了各种电机、电磁阀、电动阀等69个电气回路，都是通过在CFC中调用自定义功能库中相应类型的功能块并编译OS自动上传至流程画面的。下面结合不可逆电机块MOTOR_NR介绍自定义功能库实现的功能。

    3．1．AS中的功能块类型（blocktypes）

    首先需要定义功能块的特性、声明功能块参数和本地变量。在这部分中，我们注重考虑了功能块头和功能块参数中报警和OCM（operatorcontrolandmonitor）这两个属性，以便可以将需要的变量状态和报警消息显示在blockicon或faceplate上。例如电机的运行状态、连锁状态、处于何种被控方式、是否处在报警状态等，都可以通过定义功能块管脚的OCM属性上传。还定义了功能块管脚的文本属性，从而可以在功能块实例对应管脚的属性对话框中组态用于在OS上显示的文本。如图4中所示，由于在声明参数属性的代码中定义了参数MONITOR、TIME_ON的文本属性，因而可以在MONITOR管脚的的属性对话框中定义当MONITOR=0时显示“监视切除”，当MONITOR=1时显示“监视投入”；在TIME_ON管脚的属性对话框中定义其用于显示的标签名“监视时间”和单位“秒”。这样使得大量用于显示的信息都可以在AS中组态和修改，很好地保AS/OS的一致性，并大量节省HMI的工作。

    通过调用SFC6（RD_SINFO）读取到相关的OB信息，实现了功能块的初始化和异步启动及容错处理。例如，当读取到CPU暖启动时（OB100），我们编写了某些重要参数的初始化程序，当读取到中断信息（OB80、OB86），则编写了错误中断或循环中断处理程序。另外，通过定义SAMPLE_T管脚并配合编译时的”UpdateSamplingTime”功能，可以自动采集调用当前功能块的循环OB的时基值，省去了改变功能块调用OB后的手动改写，既方便又减少了由于忘记改写而带来的错误。

    通过调用Alarm_8p功能块，组态了用户定义功能块中的报警消息，将该功能块中需要显示的报警消息上传至OS，如电机故障、运行**时故障等。AS控制器从Stop状态到Run状态的过程中，CPU需要处理相关的初始化代码，建立与上位机的通讯连接等。系统启动后再开始执行循环程序，如果在启动初期，系统各控制回路同时有很多的报警消息需要上传到OS，势必导致此时的CPU负荷偏大。因此，在功能块的代码中考虑了报警抑制部分。此代码在系统启动初期（或该功能块被调用的前几个循环中）抑制该回路的报警输出。完成了Alarm_8p功能块的组态和报警抑制代码的编写之后，还需要完成该功能块的报警组态。在报警组态对话框中，定义了功能块的报警类型、**级、区域、来源等特性。特别是利用功能块相关报警定义的报警属性可以应用于该功能块类型的所有实例。如图5所示，定义了MOTOR_NR功能块的3条报警消息的消息文本，通配符$$BlockComment$$代表功能块实例中Comment字段中组态的内容，因而可以根据不同的块实例自动生成对应的报警消息，而不用逐条组态，该功能对于组态具有大量相同回路流程的报警非常方便。

    3．2．OS中的监控图标（BlockIcon）和面板（Faceplate）

    功能库中每一种在OS上需要操作、监控的功能块都会对应有自己的监控图标BlockIcon和相应的面板Faceplate。这些BlockIcon和Faceplate被存储在项目的相应文件中。当进行OS编译时，Create/UpdabbbockIcon选项后，系统就会根据功能块的块名自动从这些图库中获取相应的BlockIcon放入到对应的图形页（Picture）中，并连接好相应的变量和配套的面板。我们开发了较为丰富的BlockIcon库，而且根据不同现场的需要针对同一个功能块还对应了多个BlockIcon，用于不同的显示风格。如图6所示MOTOR_NR块就对应了6种BlockIcon。属性关键字为A、B、C的代表大图标，Am、Bm、Cm为小图标，A代表：灰色－电机停止；绿色－电机运行；红色－电机报警，B代表：红色－电机停止；绿色－电机运行；黄色－电机报警，C代表：绿色－电机停止；红色－电机运行；黄色－电机报警。具体的功能块实例对应的BlockIcon则可以通过*属性关键字的方式组态。

    在一个项目中，同类型的功能块实例在画面中都会生成与之对应的BlockIcon实例，但却只拥有一套Faceplate模板。在监控画面下，点击某个功能块实例对应的BlockIcon时，系统会执行相应的脚本从对应的BlockIcon实例中获取该功能块实例的相关属性，并基于通用的Faceplate模板创建相应的Faceplate实例进行监控。由于同一个功能块类型只对应一套Faceplate，在具有大量相同回路的流程中就省去了大量弹出子画面的重复、单调的制作。如图7所示MOTOR_NR块主要有3个可以切换的面板：

    操作面板－用于电机各状态显示、设备诊断和常规操作（带有操作记录功能）；

    设定面板－用于设置某些重要参数（通常带有权限）；

    报警面板－用于显示和处理于本电机回路有关的报警。

    3．3．其它功能

    除上述功能外还开发了如下功能：功能块的在线帮助功能：与系统提供的功能块类似，用户自定义功能库同样可以通过选择对应功能块并点击F1键的方式自动聚焦到该功能块的帮助主题上，使用起来方便灵活。所需要做的是为功能块创建帮助文件（＊.hlp）和目录文件（＊.cnt）并制作注册表文件。

    功能块的发布：创建了用户自定义功能库后，需要将库发布方可被其它工程师使用。发布后的功能库可以打包成一个可执行文件安装在其它机器中，同系统提供的功能库一样被其它工程师使用。所发布功能库的安装文件包含AS功能块、BlockIcon、Faceplate和在线帮助系统。

    功能库的更新：由于建立了基于多项目的主数据库，所以主数据库中的功能库修改后可以通过清晰、明确的更新向导更新每个子项目中的功能块实例，这样便于统一维护程序库，集中更新，保证了多项目数据的一致性。而BlockIcon和Faceplate的更新则可通过将修改后的文件拷贝到相应目录下并编译OS来实现。

    4.项目运行

    承钢5号2500m3高炉项目于2006年12月5日出铁投产成功。投产后，系统运行稳定可靠，特别是热备控制器性能较好，象矿槽系统、炉**系统等程序量较大的部分在热备条件下，CPU的扫描周期仍在40毫秒左右。由于合理的规划了工程结构，特别是开发了基于多项目的符合生产工艺的用户自定义功能库，该工程从编程、调试到投产只用了两个来月的时间。对同等规模的高炉来说，可节省十几个人月的人工时。这也正是PCS7系统标准化工作的成效在承钢高炉工程中得到了初步的体现和验证。

    5.应用体会

    工程中借助PCS7平台，有利于我们编制出更为标准化、集成化的用户自定义功能库。该软件从形式上将编程软件、软件、网络组态软件集中在同一平台，从功能上将控制器功能块的各种信息通过编译OS（compileOS）的方式上传到OS的WinCC项目中，并自动生成变量标签（Tags）、调用动态图标（blockicons）及其对应的弹出面板（faceplate）、生成报警消息（Message）、趋势（Trend）等，甚至连静态、动态的文本信息也可以直接由AS块编译后在OS中生成，这样OS部分的工作非常简便，大部分的工作都集中AS上，便于统一维护程序库，集中更新，保证多项目数据的一致性，省去了原先AS、OS两部分握手的大量工作。目前各大PLC系统生产商都相继推出了类似功能，例如Schneider公司的UAG软件，Rockwell公司的Logixview软件等，但与PCS7平台提供的有关软件功能相比，上述软件基本是在PLC编程软件和HMI组态软件之外添加了*三套软件，用于完成PLC与HMI的握手。这样就增加了在不同软件界面间的导入、导出或是派生的过程，可操作性较为复杂，程序层次与画面结构的联系得不到较好的体现。

    用户自定义功能库中的AS功能块、OS中的blockicon和faceplate是相互联系紧密的整体，所以在编写程序的前期，对功能库中的各部分做一个全面的规划和较为细致的设计是非常必要的。比如在设计AS侧的BlockType时，我们较为充分的考虑了操作员需要监控的输入、输出及输入输出接口，以及所需的操作方式等，并结合系统属性（OCM相关）来对各个端口进行定义，以便这些端口可以在OS上正常、灵活的显示与操作。对于相关参数的选择我们考虑了如下方面：

    为了获得设备清晰的状态信息，操作员需要监控什么类型的数据； 用何种方式显示这些变量；

    哪些变量可以被操作员控制；

    操作时需要哪级操作权限；

    有没有与过程变量相关的权限连锁；

    各个变量将在什么视图窗口中显示；

    使用PCS7中的用户自定义功能库编程设备类型规整且同类设备众多的项目确实非常方便，但对于一些规模较小、设备类型较杂、接口较多的项目也存在一些不灵活方便的地方。比如PCS7中不建议直接在流程画面中使用WinCC提供的控件来对过程变量进行操作，象按钮、I/O域等。使用此方法系统将不会进行授权确认，而且不会为这些操作产生操作员记录（OperatorList）。而在实际的工程项目中会经常出现增加一

些位操作的情况，对于这些操作目前我们正在摸索如何能够产生操作记录的方法，同时也希望PCS7软件能够不断完善，提供给我们更为灵活、简便的工具来解决这些问题。

一、引言

    在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统运行的目的。八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。**的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

    二、综述

    通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而较常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁较对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

    三、节能分析

    通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。流量-转速-压力关系曲线如下图所示。在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P=Q·H／（ηc·ηb）×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。设总效率（ηc·ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从**降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。

    与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。

    四、节能计算

    对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：

    1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

    以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在负荷，

    13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。则每年的节电量为：

    W1=45×11（**－69%）×300=46035kW·h

    W2=45×13×（95%－20%）×300=131625kW·h

    W=W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

    每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

    2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例。运行工况仍以24小时连续运行，其中每天11小时运行在负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。则变频调速时每年的节电量为：

    W1=22×11×[1－（46/50）3>×300=16067kW·h

    W2=22×13×[1－（20/50）3>×300=80309kW·h

    Wb=W1＋W2=16067＋80309=96376kW·h

    挡板开度时的节电量为：

    W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h

    W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h

    Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232kW·h

    相比较节电量为：W=Wb－Wd=96376－23232=73144kW·h

    每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53.5L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：

    流量L/s时间（h）

    消耗电网输出的电能（kW·h）

    阀门节流调节

    电机变频调速

    47233.2×2=66.428.39×2=56.8

    40830×8=24021.16×8=169.3

    30427×4=10813.88×4=55.5

    201023.9×10=2399.67×10=96.7

    合计24653.4378.3

    相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1kW·h的电量，节电率达42.1%