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1 引言
基于现场总线的PLC控制系统以其结构紧凑、功能简单、可靠性高和价格低廉等优点，获得了广泛应用。近年来，随着计算机信息网络技术的飞速发展，以PLC为核心的工业控制系统也向大规模、网络化发展。它已成为与DCS并驾齐驱的主流工业控制系统。
山铝水泥厂是山东铝业公司的下属分公司，有着50余年的历史。而今由于生产工艺相对落后，导致生产成本偏高。因此，公司于2003年建立了新型干法烧制水泥的生产线，原有的几条老线面临着改造。本文介绍的3#旋窑改造后应同时具备生产氧化铝熟料、水泥熟料的两条工艺流程。
2 系统要求
3#旋窑监控系统要将整条生产线的近70多处压力、温度、流量、料位等模拟量，再加上所有电机、变频器、执行机构、软启动器的开关量和模拟量等测控点在生产调度中全集中监控,并将监控结果传送到中央控制室的计算机中;同时要求中央控制室内安装工业大屏幕一块，负责读取显示3#旋窑的一些重要工艺参数。
要求所有电气设备实现中控/本地两地控制;要求各控制站间采取分布式I/O方式进行设计，减少系统的线缆敷设，减少系统故障的发生，易于检修和维护。
3 系统设计
3.1 方案论证
我们着重研究了目前工业控制比较流行的PLC控制系统、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS三大控制系统。
由于属于老设备改造，一些原有的现场仪器仪表不具备现场总线接口，即使具备也难以达成统一的通讯协议标准，如全部更新，投资太多，所以论证初期就放弃了现场总线控制系统FCS。
PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经全面移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰，大型PLC与DCS的界线已经逐步淡化。经过比较二者的优缺点，从实现的可能性、性价比、维护的方便程度(本厂有PLC维护人员)等多方面考察，最后决定选择SIEMENS(西门子)的S7-300及S7-200系列产品组成PLC控制系统。
3.2 系统结构
3#旋窑监控系统包括:煤磨系统、篦冷机系统、回转窑系统、电收尘系统及电收尘降温系统(电收尘降温系统为工程后续添加部分)。
根据采取分布式I/O方式进行设计的思想，并充分考察了现场环境，最后决定现场站采用两台SIEMENS的S7-300 CPU314-2DP作为主站，分别命名为窑前控制站和窑尾控制站。窑前控制站和窑尾控制站，分别配置SIEMENS标准以太网模块CP343-1, 利用工业以太网，采用标准TCP/IP协议与控制管理层操作员站及工程师站进行通讯，通讯速率可达100M。同时，采用PROFIBUS DP通讯标准与现场I/O站ET200M进行通讯，波特率可达12M。系统还配置了两台SIEMENS的S7-200 CPU226作为从站。其中一台CPU226通过以太网模块CP243-1连接到网络中，负责从管理计算机读取现场重要工艺参数并传送到工业大屏幕，以方便操作人员直观读取重要工艺参数(刷新速率小于1秒);另一台CPU226为工程后续添加部分, 作为电收尘降温系统从站，通过通讯模块EM277，采用PROFIBUS DP通讯标准与窑尾控制站通讯。
系统网络结构如图1所示:
图1 系统网络结构
3.3 标准化编程
大型的自动化控制系统很难一个人完成，因此需要很多人的分工与合作。标准化编程就是要使软件工程师编写的程序整齐划一，通用性和可读性强，除了作者本人,阅读者也能轻而易举地理解作者的编程思想和工艺要求。这样不但可以使编程人员不再纠缠编程的枝节问题，缩短编制程序的时间，集中精力解决更加困难的工艺上的问题;而且有利于维护人员对程序的理解，为生产保驾护航提供了更加宝贵的经验。
(1) 根据设计图纸编制各系统的点号表。
(2) 根据点号表编制STEP7符号表(SYMBOL);再根据点号表找出各控制设备的输入/输出点号，据此定义下列STEP7使用的中间线圈点号:模拟手/自动转换选择开关;启动按钮、停止按钮(对单线圈的泵或电磁阀);开启按钮、关闭按钮、停止按钮(对双线圈的电动阀);手动输出值、给定值、比例系数、积分时间(对PID调节阀)。
(3) 根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序;最后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序，即自动程序。
部分STEP7程序如图2所示:
图2 STEP7程序示意
3.4 工业过程监控
两台上位机采用西门子专业组态软件WinCC进行工业组态，且运行在Windows2000操作系统上实现流程图显示、操作面板显示、控制回路显示、历史曲线显示、历史记录显示、报警信息显示、实时操作记录显示、工艺数据、电量数据及报表打印。用户操作界面为图形界面，所有操作风格为“所见即所得”，操作方式为鼠标操作，同时也支持键盘快捷键操作。更新数据快，所有工艺数据更新时间小于一秒。可方便扩展Internet或Intranet远程监控功能。系统数据库为全局数据库，两个操作员站之间数据及画面完全可以共享，互为冗余备份。过程监控操作画面如图3所示。
图3 过程监控操作画面
3.5 系统调试
在实验室完成所有软硬件组态后，利用信号发生器等工具实现部分功能调试，经过多次修改，最后去现场调试。调试中也遇到了一些问题，主要有CPU226如何读取上位机中WinCC的组态数据及现场调试时部分数据有干扰。通过西门子公司的技术支持解决了第一个问题;在现场通过加信号隔离放大器和做标准接地等方法解决了干扰问题。
4 系统评估
4.1 硬件评估
SIMATIC H1网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网，它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。3#旋窑监控系统采用光缆作为SIMATIC H1网的连接介质，有效地实现了工业以太网数据传输过程中的抗干扰功能，保证了系统运行的可靠性;SIMATIC Profibus DP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网，它的特点是可以在PLC与现场设备(如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等)之间交换数据。3#旋窑监控系统采用屏蔽双绞线作为Profibus DP网的连接介质。SIMATIC300站是西门子公司的优秀产品，无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的领先地位。戴尔(DELL)工业微机在工业控制中应用的也很好。
4.2 软件评估
Windows 2000是美国Microsoft微软公司最出色的产品之一，也是世界上应用最为广泛最可信赖的软件平台，因此3#旋窑监控系统选用Windows 2000操作系统。西门子公司的WinCC的组态软件广泛应用于世界各大工厂，它的数据库、画图、显示、历史趋势、配方紧密结合，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮完成对现场设备的操作;它能将数据库的数据按时间存放在数据文件里供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天、甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师们，以便分析事故和改进工艺;它可以利用WinCC的报表功能，方便的实现报表打印和数据查询功能。STEP7是西门子公司为S7-300系列PLC设计的编程软件，它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制;它的组织块、功能块、数据块相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求;它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求;它的符号表(Symbol)可以输入中文方便进行程序注释。
5 结束语
本系统通过工业以太网可方便扩展Internet或Intranet远程监控，实现工业自动化设备网与上层管理、监控网之间的无缝集成，既所谓的“E(EtherNet)网通”，有利于企业综合自动化、信息化进程。没有纳入到企业局域网中实现管控一体化，也许是这套系统的美中不足吧。