西门子6ES517-3AP00-0AB0型号介绍
随着我国陆上油田的开发进入中、后期，开采难度逐步增加，各种深井、超深井、水平井、低渗井等类型的复杂油井相继出现。相应地，固井工作对油井水泥的各种物理、化学性能要求也越来越多、越来越高，单单靠增加水泥品种已经远远不能解决问题。于是大量应用多种油井水泥外加剂、外掺料来改变固井水泥浆的性能以满足现场固井生产的需要。传统的“湿混”方案由于密度的检测与控制较为困难、一次固井过程所需要的物料量不好掌握以及某些外加剂不溶于水等缘故，应用受到一定程度的限制；于是与之对应的“干混”工艺应运而生，油井水泥干混技术绝大多数是以压缩空气为动力，使几种粉状物料在气化状态下分级稀释，从而完成均匀混拌。
本系统是由石油大学（华东）自动化系开发、与胜利油田新潮技术公司产品“油井水泥干混装置”配套的监控系统，克服了国外同类产品的不足，更适合于我国的国情，该系统已经成功地应用于青海油田特车公司油井水泥干混厂。
1 工艺过程及控制要求
通常，油井水泥干混装置都是由原料罐区、药品罐区、成品罐区和混拌罐区等主要设备以及配套的动力装置（压缩机、储气罐等）、水泥／药品拆袋和转运装置六大部分组成。其目的是在常规水泥中加入一定比例的几种添加剂，并使这几种粉状物料在气化、流化状态下均匀混合，从而达到各种固井水泥的性能指标。
该装置在实际工作过程中要求有手动、自动、统计三种方式。其中，手动方式要求通过工业PC显示器，利用鼠标操作来实现人工打开、关闭某一气动截止阀、调节阀，进而控制水泥、添加剂等物料的流向与**，这种操作方式类似于国内早期引进的同类产品在人工操作台上的操作；自动方式则要求从原料罐、药品罐的充气、出料开始，经过若干中间流程，一直到合格的成品进入成品罐，全过程自动控制与监视以及相应的故障处理，该操作方式是本系统的重点；统计方式要求实时监控各个罐的物料进、出量（各罐物料的进出都通过电子称进行计量），后以日报、月报、年报的形式形成报表，以便核算生产成本与生产效率，为进一步生产管理提供依据。
2 监控系统设计
2．1 硬件设计
系统硬件设计主要考虑的是系统的性能价格比，鉴于上述控制要求，选用了西门子公司SIMATIC STEP 7中型PLC和艾讯公司AX6145工业PC构成该监控系统。SIMATIC STEP 7采用模块化的系统结构，可以根据系统规模，灵活地选择输入／输出接口模块的数量与类型，其技术指标为DI／DO512点，AI／AO128点、内部RAM40K、程序大容量为256K，完全可以满足本系统的需要，利用它完成对现场设备的控制与参数检测。AX6145工业PC采用Inbbb Pentium 200处理器、32M内存、2M显存、32XCD，满足S7PLC对上位监控设备的要求，并且性能稳定、可靠，适合于工业现场使用，利用它完成对整个工作过程的监控与人机对话。PC与PLC之间通过SIEMENS PROFIBUS－NET模块CP－342和插入PC的通信卡S75412／PG5412进行连接。现场一次设备选用通用的压力变送器、称重仪、电动调节阀、开关电磁阀和电容式料位开关等常规仪表。整个监控系统硬件结构如图1所示。
图1 系统结构图
2．2 软件设计
整个系统的软、硬件结构实际上就是一个小型的分散型控制系统。上位监控软件选用美国Inbbblution公司的组态软件FIX6．02，其运行平台为bbbbbbs NT 4．0 Workstation， FIX与SIEMENS通信卡S75412／PG5412之间由FIX提供的S7 Driver来实现通信，通信卡与PLC之间由S75412的随卡驱动程序连接，S7 Driver和S75412驱动程序通过组态设置正确后即可正常工作，下位控制功能通过对PLC编程实现。
上位监控软件FIX已经提供了丰富的数据处理、图形显示、人机交互等功能，基本上满足了系统的实际需要。三种工作方式分别是这样实现的：手动方式由操作者通过FIX的运行环境——VIEW界面，用鼠标点按不同按钮、拖拉相应的操作手柄从而改变FIX DATAbase中数字量、模拟量输出值，然后由FIX DATAbase通过I／O DRIVER直接驱动PLC的输出接口，而现场开关量与模拟量的值由PLC自动采集，然后通过I／O DRIVER读入FIX数据库并显示在FIX的VIEW界面上；统计方式通过FIX与Excel 7．0之间的动态数据交换（DDE），将数据传送给Excel的WorkSheet，然后对Excel接收到的数据利用VBA进行编程，实现报表的自动生成与打印功能；较为困难的是该系统自动工作方式，自动工作过程中要求人机交互进行，某些步骤必须由人工做出选择，方可进入下一步，FIX与PLC均无法直接实现。为此，利用FIX COMMAND LANGUAGE的编程功能编写了这部分人机交互程序，通过FIX向PLC下传不同的运行标志来控制PLC完成相应的功能，从而实现工艺过程的自动控制。
上位监控软件的总体框图如图2所示，即系统开始（启动“青海油田油井水泥监控系统”图标）之后，首先初始化系统：上位机、PLC自检，两者均正常以后，分别设置FIX DATAbase中数字量与模拟量的输出值和PLC输出模块默认的初始状态，根据人工选择，分别进入自动、手动、统计、退出4种方式。
图2 上位监控软件总体框图
自动工作时，共有4种混拌方式，分别加入不同的添加剂和实现不同混拌过程。其中：第1种混拌方式的上位监控程序框图如图3所示。通过按键选择进入第1种工作方式，上位监控软件向PLC下传混拌方式1标志，并打开方式1参数输入表，参数包括选定的原料、药品罐号、混拌比例、混拌时间等，参数输入结束后，提问是否开始混拌，若否，退出方式1，返回监控状态，并清除下传的方式1标志；若是，将设置好的参数下传，启动方式1混拌过程的自动控制，即原料罐／药品罐充气→原料／药品计量→几种药品的比例加入控制→第1次加水泥稀释／混拌→第2次加水泥稀释／混拌→第3次集中混拌→将成品送入成品罐。混拌过程中根据PLC上传的过程标志由上位机给出相应的文字、声音提示，如：“原料罐正在充气，请稍候！”、“计量罐正在进水泥，请等待！”、“计量罐出口比例阀故障，请…”等等，同时，流程图上直观地显示工艺过程的各个参数与状态。以上正常的工艺过程是典型的顺序控制，PLC和上位软件都容易实现；若某过程出现故障，如原料管线堵、药品罐漏气等情况，要求PLC软件有相应的应急处理方法且在上位监控设备上做出提示，编程实现这部分逻辑关系较为复杂。上位监控软件充分利用了FIX的特点，使整个监控过程轻松、灵活、高效。
图3 自动方式1上位监控程序框图
下位控制软件主要是完成各种混拌过程的自动控制与相应的故障处理、应急处理，同时为上位监控设备提供工作过程的状态标志与运行参数。另外，生产还要求在PLC程序执行过程中随时可以退出自动方式，返回手动状态，以应付各种突发事件。程序的编制采用的是SIMATIC STEP7结构化的编程方式，自动工作时PLC程序总体结构如图4所示。由于PLC采用循环扫描的工作方式，故将各种工作方式都放在一个大循环当中。其中，初始化操作、混拌方式1至混拌方式4以及收尾工作都是不同的程序模块PB1～PB6，PB模块和故障处理程序当中某些功能相同，但每次调用时参数不同的部分也都做成独立的功能模块FB1～FB9、数据模块DB1～DB5，除此之外还用到周期运行的组织块OB1、上电初始化组织块OB100等模块，根据上位监控设备下传的不同标志和混拌的不同进程决定是否调用相应的模块。需要说明的是本系统中PID控制规律是采用PC与PLC相结合的方法实现的，由于控制器给定值的计算较为复杂且某些参数还会随着外加剂的不同、使用环境温度的变化而改变、PLC处理数据运算的能力不强等缘故，采取在上位设备系统参数输入结束后（参见图3上位监控程序框图）由人工选定计算公式、输入计算系数，混拌过程开始后，由上位机根据物料**计算PID给定值、完成PID运算，然后将运算结果通过FIX的AO模块传送给PLC的模拟量输出模块，从而控制调节阀的开度。这样，简化了PLC的编程工作。运行结果表明：该方法控制效果与直接由PLC完成PID运算基本一致。控制程序充分利用了SIMATIC STEP7结构化设计的优点，使整个控制程序条理清楚、调试、维护方便。
图4 PLC控制软件总体框图
3 现场应用
该系统充分利用了PLC体积小、功能强、可靠、通用、易维护的特点和工业PC抗干扰能力强、简单、直观的优点，构成了一个分散型监控系统，圆满地完成了用户提出的监视、控制要求。
一 概述
2001年11月，青海水泥股份有限公司日产2000t级现代化新型窑外分解干法水泥生产线技改工程，经过18个月的建设安装正式投入使用。该工程是1999年度国家经贸委立项的国债项目，总投资约1.27亿元，年生产能力50万吨。生产的水泥品种主要有：52.5级硅酸盐水泥、32.5级和42.5级普通硅酸盐水泥、525#中热硅酸盐水泥、425#低热粉煤灰硅酸盐水泥、525#高抗硫硅酸盐水泥、525#中抗硫硅酸盐水泥、425#和525#道路水泥等多个品种。该水泥生产线的投入使用，缓解了青海省高标号和多品种水泥供不应求的市场局面，同时也为黄河上游水电工程开发项目建设、青藏铁路等国家重点工程建设项目的水泥原材料的需求提供了必要保证。
该水泥生产线采用美国Fisher-Rosemount公司DeltaV分散控制系统来完成生产过程的自动控制，总控制点数约1546点，其中DI:834点；DO:340点；AI:238点；AO:77点。控制范围包括生料粉磨制备、水泥熟料煅烧、窑尾废气处理。该自动化控制系统由5个现场站、Professional Plus工程师站及3个操作员站通过冗余的工业以太网络构成，系统结构如图1所示。
现场站采用M5控制器及相关I/O卡件来完成水泥生产过程各工序的设备现场级控制，并通过冗余的光纤网络与中央控制室进行数据通信。Professional Plus站作为该控制系统的核心，除完成过程历史数据的采集和处理、控制系统诊断、系统软件组态等任务外，同时作为操作员站，结合水泥生产工艺流程图画面，将现场采集的数据以工艺参数化和图形化形式提供给操作员，并将操作员的操作和控制思想通过相应软件控制模块反映到水泥生产的过程控制中。
二 控制范围
(1)窑头电气室现场站：控制范围包括窑头、篦冷机、窑头收尘器、熟料输送、煤磨、煤磨收尘、窑头及窑尾喂煤，如图2所示。
(2)新生料磨电气室现场站：控制范围包括生料配料、原生料磨、选粉机，如图3所示。
(3)原生料磨电气室现场站：控制范围包括生料配料、生料磨、选粉机、均化库、预热器、高压电动机、生料质量控制系统、原生料库，如图4所示。
(4)废气处理及窑灰输送现场站：控制范围包括增湿塔、窑尾电收尘、预热器吹堵。
三 主要功能及特点
(1)动态流程图显示：流程图包括各区域的总画面，区域内的分画面及其设备的操作画面。
(2)趋势图显示：系统能够显示所有模拟量的过程值和设定值的变化趋势。
(3)组操作和显示。
(4)电动机单机操作和显示：在设备组操作方式为手动情况下，可对各组内的各单机设备进行单独启停。
(5)一备一用操作方式：重要且容易损坏的设备都设有备用。
(6)PID调节回路：设有若干个闭环调节回路完成对工艺参数的自动控制。
(7)各种工艺参数的显示。
(8)报警信息显示和音响报警：当系统中任何一台设备发生故障或工艺参数超限时，都会在该系统中产生报警，以声光方式通知工艺操作员。
(9)报表显示和打印。
四 自动控制回路
为更好地**生产运转率，减少操作工人劳动强度，本系统采用了计算机控制与参数自动调节回路相结合的方式。整个系统的重要控制参数尽可能地采用自动控制，在生产操作中减少人为误操作，以免影响生产。
(1)生料质量控制系统(QCS)：根据X射线荧光分析仪的检验结果，通过定量给料机自动／手动调节原料配比。
(2)定量给料机自控系统：根据定量给料机给料量的设定值，自动调节定量给料机皮带速度，使实际给料量与设定值保持一致。
(3)板式喂料机自控系统：根据失重仓待检测信号，自动调节板式喂料机链板速度，使仓内物料重量保持稳定。
(4)磨机负荷自控系统：根据定量给料机和固体**计的检测信号，自动调节磨机负荷并使之恒定。
(5)出磨风温自动调节回路：根据出磨气体温度，自动／手动调节风机进口阀门开度。
(6)生料均化库库底卸料控制回路：根据生料喂料失重仓的设定生料量，自动调节生料均化库库底电动**控制阀的开度。
(7)窑尾喂料计量的调节回路：根据生料喂量的设定值，自动调节生料喂料失重仓下电动**控制阀的开度。
(8)窑头负压的控制回路：根据窑头负压值，自动调节窑头废气风机进口阀开度。
(9)篦冷机各室冷却风机风量的控制回路：根据各室冷却风机的进口风量，分别调节冷却风机进口阀开度。
(10)分解炉喂料量的调节回路：根据四级筒出口气体温度，自动调节分解炉喂煤量。
五 操作及控制
(1)本系统共有9幅流程图菜单画面，2幅生料配料菜单画面，6幅电动机启停图，6幅趋势图，4幅参数设置菜单，报警和报表显示画面各1幅。
画面顶部区域为下拉菜单显示区，下部为报警显示区，中间为流程图显示区。登录用户名(权限)和操作站编号在画面右上方显示，画面下方报警显示区可显示当前系统高优先级的5个报警。画面切换采用下拉菜单方式，点击画面顶部按钮将弹出1个下拉菜单，从中选择需要观察和操作的画面，触摸或点击流程图菜单上的图符将弹出单机操作画面，报警后点击报警条也能够弹出报警设备的单机操作面板。考虑到系统安全性，参数设置菜单画面只有工程师级权限才能够打开。
(2)设备组是根据工艺需要将有联锁和启停顺序关系的一些电动机、阀门等设备组合起来，它们的启动和停车须按一定顺序进行。菜单画面上使用组操作面板来管理设备的控制。电动机联锁图如图5所示。
设备组内的设备可有3种控制模式，其中两种是在中央控制室操作员画面上进行操作，即组模式和单机模式。当设备组处于组模式时，按照预先编制的动作，本设备组内每台设备的启停只能在组操作面板上统一进行。当设备处于单机模式时，只能在单机操作面板上操作单台设备动作。设备还有一种现场手动控制模式，当现场就地控制箱或按钮盒上的操作位置选择开关选择到手动位置时，设备不受中央控制室控制，只能在现场启停设备。
(3)趋势线实际操作：系统共有5幅趋势显示图，从下拉菜单中选择点击后进入。趋势图上为不同参数选用了不同颜色以示区别，趋势图上显示的开度(时间范围)用“《”按钮调整，用“>”按钮可选择时间基点。参数超限时趋势图上可显示相应说明文字。趋势图下方显示系统中发生的各种详细资料，如设定值的改变、电动机的启停等事件都被记录。窑实时趋势如图6所示。
(4)报警显示及操作：操作画面下方是系统定义的报警，能显示当前紧急的5个报警信息，模块名将被显示在屏幕底部的报警显示区中。报警的降序优先级为：紧急的、警告、建议、登录以及确认或不确认的状态。不确认报警比确认报警更重要。如果事件报警为同等优先级，近发生的报警比以前的报警更重要。如果报警点超过5个，将显示其中重要的5个。选择一个报警按钮右边的小按钮，在报警按钮下方将以队列形式显示报警的更多信息。
(5)报表显示和操作：报表显示菜单从顶部下拉菜单区点击后进入，报表菜单中列出重要的工艺参数资料，可在报表菜单中选择打印按钮将报表打印。DCS系统中的历史数据库可记录一年内的所有报表以供查询。
通过近9个月的现场使用，该系统在海拔2400m的高原环境及水泥厂粉尘大、供电系统及工业现场电磁干扰强的恶劣环境中能稳定可靠地运行。整个控制系统表现出硬件质量好和性能可靠、软件响应及时、人机界面友好、控制策略齐备、软件组态便利等优点，是一套非常成熟的工业自动化控制系统。