基于PCS7的管式加热炉控制系统设计.docx

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基于PCS7的管式加热炉控制系统设计

基于PCS7的管式加热炉控制系统设计

摘要：

随着工业自动化过程控制技术和计算机控制技术的不断发展，单一的过程控制系统及传统的DCS系统已经不能满足现代化自动化过程控制系统的需要，先进的全集成过程控制系统正在逐渐应用于现代化的工业生产现场。

本设计正是在这样的背景下，通过西门子过程控制系统PCS7对新一代过程控制系统进行分析。

论文针对西门子PCS7过程控制系统，结合当前工业控制的理论与技术，分别对PCS7中的硬件模块、网络模块以及软件部分进行分析，为PCS7的实际工程应用奠定理论基础。

最后，结合以上理论联系实际，以北京化工大学的高级多功能过程控制实训系统SMPT-1000为控制对象，以西门子PCS7为控制工具，按照工程化、标准化、规范化的工程设计思想，设计实现管式加热炉系统控制方案，并详细介绍其具体实现过程。

关键词：

过程控制系统；PCS7；管式加热炉

DesignofTubefurnaceControlSystembasedonPCS7

Abstract:

withtheincreasingdevelopmentofindustrialautomationcontroltechnologyandthecontinuousdevelopmentofcomputercontroltechnology,asingleprocesscontrolsystemandthetraditionalDCSsystemcan'tmeettheneedsofmodernautomationcontrolsystem,advancedfullyintegratedprocesscontrolsystemisgraduallyappliedinmodernindustrialproductionfields.bySiemensPCS7processcontrolsystemforanewgenerationofprocesscontrolsystemareanalyzed,thedesignshowedup.

ThisdesignthroughtheSIMATICPCS7processcontrolsystem,combinedwiththemodernindustrialcontroltheoryandtechnology,seperatelyanalyzedthePCS7hardwaremodule,communicationmoduleandthesoftwarepart,laidacertainfoundationforPCS7'sfutureusing..

Combiningtheabovetheorywithpractice,intheconcreteimplementation,theBeijinguniversityofchemicalindustryadvancedmulti-functionprocesscontroltrainingdeviceSMPT-1000ascontrolobject,withSIMATICPCS7controltool,accordingtothestandardizationofengineeringdesignidea,designimplementationtubeheatingfurnacecontrolsystem,andintroducesindetailthespecificimplementationprocess.

Keywords:

ProcessControlSystem,PCS7,Tubefurnace

第1章绪论

1.1过程控制技术概述

过程控制指以实际生产过程的流量、温度等物理量作为被控变量进行的自动控制。

了解过程控制技术首先需要了解实际的工艺流程、动静态特性等生产过程中重要特性，同时将理论知识与实际运用结合，选用合适的技术手段，实现生产过程的控制目标。

实际的工业生产过程主要可以分为连续过程工业、离散过程工业和间隙过程工业。

其中连续过程工业所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、纺织等行业，连续过程工业的发展对于我国国民经济发展意义重大。

本设计所涉及到的管式加热炉控制系统就属于连续过程工业控制系统。

就过程控制技术的发展而言，它依靠计算机技术、自动控制理论、检测技术等相近学科作为技术依托，它们之间的发展密切相关。

从总体来说，过程控制技术的发展可以分为三个阶段，过程控制技术发展的具体情况如表1-1所示。

20世纪70年代以前是一个阶段，这一阶段的自动化水平比较低，大多以经典控制理论作为依托，在这一阶段的控制目标也仅仅停留在保证平稳生产、减少设备故障率阶段。

过程控制技术发展的第二阶段是20世纪70~80年代，这个阶段出现了分布式控制系统，同时鲁棒控制、预测控制等控制策略也相继出现，这使过程控制技术的发展得到了很大提高。

近年来多学科相互交叉渗透的现象在工业控制领域中出现，现场总线技术得到了较大应用，现场总线系统沿用了DCS系统的部分优点，同时也克服了DCS系统的部分缺点。

过程控制技术从传统的自动化孤岛模式时期不断发展，现在正以较高的速度向集中控制、统一管理的综合自动化模式靠近。

表1-1过程控制发展的三个阶段

阶段一

（20世纪70年年代以前）

阶段二

（20世纪70至80年代）

阶段三

（20世纪90年代之后）

控制理论

经典控制理论

现代控制理论

控制论等学科交叉

控制工具

常规仪表

分布式控制系统

计算机网络

控制要求

安全、平稳

优质、高效

柔性生产、创新管理

控制水平

简单控制系统

先进控制系统

综合自动化

控制效果

控制精度不高

控制精度较高

全集成、智能生产

1.2西门子过程控制系统PCS7简介

随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的不断发展，在实际的生产过程中，工艺要求对过程控制系统的数据处理能力、系统的可维护性、系统的可靠性、系统功能的完善性等各方面的要求愈来愈高，同时这些要求也指引着工业自动化过程控制系统发展的方向。

（1）在控制系统中应大力提倡使用现场总线技术；

（2）控制系统应提高系统与管理层、现场级的数据交换能力；

（3）控制系统应提高系统之间的横向数据交换能力；

（4）开放不同厂商的产品，通过通讯协议及技术手段可以使不同系统间能进行数据交换；

（5）提倡过程控制系统向全集成、一体化方向发展。

因此，传统的分布式控制系统在现代工业自动化过程控制系统面前已显得力不从心，不能满足系统的发展需要。

SIMATICPCS7过程控制系统就是西门子公司在这种背景下结合传统分布式控制系统的优点研发的新一代过程控制系统，PCS7结合了先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、现场总线技术、计算机网络技术和先进自动控制理论。

整个控制系统的结构由大量的西门子硬件组件组成，具体的结构包括现场仪表、现场执行机构、I/O模块，控制器、通讯处理器模块、工程师站和操作员站等。

整个控制系统中所有的硬件组件都可以在PCS7软件工具中组态。

PCS7的软件系统可以满足不同工业场所不同自动化任务的设计、组态和调试方面的需要。

过程控制系统PCS7的现场控制单元一般是S7自动化系统，通过分布式I/O接受现场传感器信号、发送信号到现场的执行机构。

PCS7在通讯方面采用现场总线方式进行数据传送。

在系统站之间的数据通讯使用PROFINET总线技术；设备与设备之间的数据通讯通过PROFIBUS总线技术。

PCS7的编程软件和现场设备库均符合IEC61131-3国际标准，这个标准支持使用连续控制、顺序控制及其他的高级编程语言。

PCS7的现场设备库提供了很多常用的现场设备及各种功能块，可以大大缩短界面开发时的组态工作量，节省时间。

1.3加热炉控制系统发展与现状

管式加热炉是指利用燃气或燃油燃烧产生热量，经过热辐射等方式将另一特定液体或气体加热到指定温度的装置，它是石油化工、炼钢等工业过程中非常重要的加热设备。

由于加热炉工作时系统较为复杂，因此耦合性较强，测量参数、控制参数及扰动参数相对较多，这些变量之间相互作用，存在明确和不明确的关系，一般一个变量变化将影响另外几个参数同时改变。

另一方面，在实际的工业现场测量参数经常变化，存在一定的非线性，上述因素都加大了加热炉控制系统的控制难度。

同时由于传统的加热炉控制现场大多采用鲁棒性较差的简单的PID控制，导致其控制效果不佳。

但是由于加热炉的复杂性，导致其建模过程较为复杂，建立开的数学模型也比较模糊，很难得到控制对象精确的数学模型，先进的控制具有局限性。

目前，我国加热炉控制系统与国外相比还存在一定差距。

美、日、英等国家在加热炉控制系统上领先于世界。

我国80年代前还是人工加热，通过人工观察等落后方式进行生产，而国外80年代早已实现仪表控制及更高水平。

就目前而言，国外的管式加热炉基本上采用DCS控制系统，热效率、自动化水平、可靠性都较高。

国外甚至有的企业已经用到现场总线控制系统，使其可靠性更高，更加智能化。

在国内，管式加热炉控制系统自动化水平普遍不高，出现参差不齐的状况。

一般的DCS控制系统大多都是和整套生产线从国外引进，但是由于加热的原油品质等因素不同，导致控制系统不能发挥到最优效果或者完全不能实现自动控制。

国内目前大部分企业使用的控制系统还是以PLC控制系统为主，甚至有些还达不到这个水平。

1.4本论文主要研究内容

本设计主要工作是将先进的过程控制系统PCS7运用于管式加热炉控制系统中，从硬件、人机界面、控制算法等方面进行设计。

通过此次设计，可以巩固所学习的数字电子技术基础、模拟电子技术基础、电气控制与PLC、计算机控制系统、过程控制与仪表等课程的知识。

同时联系实际的实验设备，将理论知识与实际运用融于一体，培养自己分析问题、解决问题的能力，以及工程技术人员所具有的基本素质，为即将步入社会打下坚固的基础。

具体实现以管式加热炉工艺流程为背景，北京化工大学的高级多功能过程控制实训系统SMPT-1000为控制对象，依托西门子过程控制系统PCS7，对过程控制技术进行学习研究。

主要工作有：

（1）学习控制器特征及应用技术，掌握西门子S7-400系列PLC的硬件组态；

（2）掌握系统通信技术应用，对自动化站、操作员站和被控对象之间建立通信链接；

（3）根据工艺要求确定控制算法；

（4）使用西门子过程控制系统PCS7的编程语言CFC、SFC对被控对象进行有效控制；

（5）掌握人机界面应用技术，建立友好的人机界面对运行情况实时监控；

（6）PID控制器投运与参数整定；

（7）根据生产工艺要求完成系统整体运行调试，并在SMPT-1000上实现。

第2章过程控制系统PCS7分析

2.1PCS7综述

SIMATICPCS7系统可以理解为一个现代的分布式控制系统，它采用了当前普遍使用的局域网技术、西门子PLC控制技术及现场总线技术等。

整个控制系统由大量的西门子硬件构成基本的骨架，组件时所有的硬件都可以在PCS7软件工具库中找到。

PCS7的软件系统可以满足不同工业生产现场、不同工艺、不同要求的生产需要，控制系统可根据实际的需要柔性设计、柔性生产。

近年来西门子公司一直倡导并坚持推崇全面集成自动化理念，SIMATICPCS7就是其典型代表。

SIMATICPCS7作为西门子公司的大型及超大型DCS系统，结合了传统的DCS与PLC技术，并在此基础上融合了全集成自动化技术。

DCS与PLC作为当代工业控制的两大核心产物，两者紧密相关，但也存在很大区别。

DCS亦称离散控制系统，硬件上包括操作员站、工程师站、网络及控制器，软件上是一个整体的系统，可以解决一个系统的所有的技术性问题，系统与系统之间结合紧密。

PLC虽然和DCS一样都是计算机技术和控制技术结合的产物，但是PLC仅仅为一个控制器，可以和上位机相结合构成一个简单的控制系统。

从使用情况方面讲，PLC控制系统一般应用在模拟量偏少的小型自控场所，逻辑运算能力强，偏重顺序控制；DCS适用于模拟量较多的场合，偏重连续工业控制。

表2-1详细介绍传统DCS、PLC及PCS7各自的特点。

表2-1传统DCS、PLC与PCS7特点分析

传统DCS

PLC

PCS7

系统结构完整

系统开放灵活

系统完整且开放灵活

全局数据库

控制器运算速度较快

集成现场总线技术

诊断功能强

逻辑处理能力强

工业以太网技术

组态工具使用方便

分散数据库

全局关系数据库

回路处理能力强

系统完整性较差

具备较强的诊断功能

系统开放性差

系统诊断功能较弱

组态软件丰富、使用方便

控制器运算速度慢

组态软件单一

控制器采用多任务处理器，实现复杂回路控制和逻辑控制

逻辑处理能力弱

回路处理能力较弱

2.2PCS7系统结构

2.2.1PCS7典型系统配置

图2-1是一个典型的PCS7控制系统，其中ES是工程师站，OS是操作员站，AS是自动化站。

图2-1PCS7系统结构

2.2.2工程师站

工程师站（EngineerStation，ES）是指在其上安装了用于组态PCS7项目的PCS7工具软件的PC。

PCS7所有的项目均在工程师站上设计，工程师站提供了强大的组态工具，可以和操作员站、自动化站进行实时通讯。

本设计中在工程师站中所用到的组态工具有：

（1）PlantView（工厂视图）：

主要作用就是设计工厂层次；

（2）SIMATICManager（SIMATIC管理器）：

它是PCS7的主要软件，主要功能就是创建项目、库、项目管理等；

（3）HWConfig：

HardwareConfigurationEnvironment（硬件配置环境）：

在软件中将实际的一些硬件器件进行组态，主要有CPU模块、通讯模块、I/O等；

（4）CFC：

ContinuousFunctionChart（连续功能图）：

主要负责设计基本的算法设计；

（5）SFC：

SequentialFunctionChart（顺序功能图）：

主要负责工艺流程、联锁等逻辑控制；

（6）SCL：

StructuredControlLanguage（结构化控制语言）：

根据实际的需要编写一些算法或者建立一些功能块；

（7）WinCC：

WindowControlCentre（Windows控制中心）：

系统的人机界面，负责操作员和设备之间进行交流；

（8）GraphicsDesignereditor（图形编辑器）：

设计人机界面，负责编辑操作员站的相应画面；

（9）ProcessObjectView（过程对象视图）：

过程对象视图中有项目的所有组态内容，可在视图中显示这些对象并编译。

在工程师站中可以组态所有的系统组件，从操作员站经自动化站到现场层级，其核心软件是SIMATICManager，常用的有STEP7、WinCC、SFC、CFC、SCL、PDM。

完成一个实际的控制系统看上去非常复杂，但是其主要工作还是在工程师站中完成的，在工程师站中可以将系统开发过程分为自动化站组态和操作员站组态两个部分。

自动化站组态的主要目的是开发整个系统，让系统怎么运作，让实际的受控对象怎么走，具体工作包括硬件组态、程序设计、通讯模块组态等。

自动化站的主要目的是负责处理人如何与系统进行交流，其核心工作包括操作界面的设计及系统运行过程中信息归档等问题。

2.2.3自动化站

自动化站（AutomationStation，AS）由电源（PS）、中央处理器（CPU）、通讯处理器（CP）和输入、输出模块组成。

除了硬件部分以外，中央处理器负责发送各种指令，起到大脑的作用。

PCS7的CPU为S7-400系列的PLC，CPU负责处理程序和操作系统。

自动化站通过系统总线或者工厂总线与工程师站或者操作员站的服务器进行通讯，同时通过PROFIBUSDP总线与现场的分布式I/O或设备进行通讯。

图2-2是一个典型的自动化站，包含了分布式I/O、以太网通讯处理器等。

图2-2典型的自动化站

2.2.4操作员站

操作员站（AutomationStation，OS）可以是指OS服务器、OS客户机、OS项目，是系统的人机交换窗口。

OS组态是在工程师站中完成的，具体包括图形对象设计、设备状态监控、数据管理、报警、数据归档及存储、报表设计等功能。

同时PCS7中的操作员站提供开放式接口，用于和其他应用软件相连接，这样就可以把PCS7集成于复杂的、全公司范围内的自动化系统中。

OS服务器是整个操作员站的灵魂，可以和AS站及OS客户机进行通讯，它是沟通AS站与OS客户机的桥梁，从AS站接受实时数据同时根据需要分配给OS客户机，一台服务器最多可以被32台OS客户机所访问。

PCS7OS服务器根据工厂区域的分布情况如图2-3所示。

图2-3PCS7OS服务器

2.2.5PCS7网络结构

PCS7有三层网络结构，即：

现场总线层、控制总线层、厂级网络。

三级网络各自分布，形成整个工厂的传输通道。

主要用到的通讯方式是PROFIBUS和PROFINET现场总线，自动化站和现场之间使用PROFIBUS，系统站之间主要使用PROFINET。

（1）现场总线层是连接自动化站与现场的桥梁，主要是自动化站连接到现场设备或其他结构等。

PCS7中现场使用较多的是PROFIBUSDP及PROFIBUSPA，两者均属于PROFIBUS国际现场总线标准。

由于PROFIBUS现场总线系统可靠性较强且具有稳定的国际标准EN50170作保证等原因，使用率相对较广，仅在德国和欧洲市场中PROFIBUS总线就占了40%以上的开放性工业现场总线系统市场。

PROFIBUSDP是从自动化站到现场的总线通讯方式，现场主要连接对象为从站、现场分布式I/O及其它设备，其主要作用是代替传统的24V或者4-20mA信号传输，通过高速、高效、经济的方式保证实际生产中的工业数据能有效传输。

传输速度较高，最高可达到12Mbps。

PROFIBUSPA主要用于过程自动化，常用于自动化系统或过程控制系统与温度、压力变送器等现场设备直接进行连接。

PROFIBUSPA协议集定义了典型现场设备的参数和性能，适用于4-20mA模拟量传输。

其主要特点是本质安全型传输技术，大多使用在安全性需求较高的场合。

大多数PROFIBUSPA都是通过DP/PA耦合器与PROFIBUSDP进行连接。

（2）控制总线层是自动化站与操作员站及服务器进行数据传输的通道，运用工业以太网进行通讯，在PCS7中使用的工业以太网络标准属于PROFINET总线协议。

PROFINET是PROFIBUS国际组织近几年提出的新一代工业通讯网络标准，在控制总线层使用的工业以太网仅是PROFINET总线功能的一部分，PROFINET其他功能还包括：

数据实时通信、分布式设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全及过程自动化。

其通讯方式有：

TCP/IP标准通讯、实时通讯、同步实时通讯，在实际运用中以TCO/IP标准居多。

（3）厂级网络是通过标准以太网协议建立服务器与操作员站或上级厂级网络通讯。

自动化站通过工业以太网将现场的实时信息发送到服务器后，服务器将这些信息转换，然后与操作员站进行通讯或者与上级工厂级网络进行数据交换。

2.3PCS7编程语言

2.3.1PCS7编程语言标准

PCS7的编程语言及现场设备库符合国际标准IEC61131-3的规定，其编程语言具体包括顺序功能图、连续功能图以及其他高级编程语言。

同时现场设备库包含许多现场设备的信息，这很大程度上简化了组态工作，缩短开发时间。

IEC61131国际标准所包含的部分有：

系统综述、硬件分析、编程语言、用户指导、通讯标准、现场总线、模糊控制算法及编程语言实施。

IEC61131-3国际标准属于IEC61131的第三部分。

其中明确对PLC的编程语言提出了相关要求，规范了可编程控制器的编程语言及基本元素，这为PLC编程走向规范化指明了方向。

IEC61131-3国际标准结合了德国西门子、美国AB、日本三菱等众多国际性知名企业PLC编程的习惯，结合各自优点，提出了图形化编程语言和文本化编程语言的标准，这一标准的统一为用户提供了极大的方便，同时为PLC编程软件的发展提供了更高的平台和更大的空间。

2.3.2CFC编程语言

CFC连续功能图是一种复杂的图形化编程语言，采用IEC61131-3标准，其核心就是各种功能块。

这些功能块大多数不需要用户自己编辑，只需根据自己的需求在标准库里调用即可，同时在调用的功能块之间进行连接即可构成整个软件结构。

构成软件骨架结构的每个功能块有一个参数表，可以进入功能块的属性设置界面对功能块的各项参数进行设定。

从而使系统能够按照工艺要求完成复杂的控制任务，CFC连续功能图大多使用在连续工业控制领域。

2.3.3SFC编程语言

SFC顺序功能图同样是一种复杂的图形化编程语言，也采用IEC61131-3标准，其核心为顺序步，只要确定每一步程序需要执行的内容以及每步之间进行转换的条件，程序完成复杂的顺序控制就非常容易。

顺序功能图中主要有顺序执行、分支执行、选择执行、循环执行等操作，通过这些操作可完成一些小型批处理生产的自动控制任务。

2.3.4SCL编程语言

SCL是一种也符合IEC61131-3国际标准的文本语言，它和C语言及Pascal语言类型相似，非常适合习惯使用高级语言编程的工程师使用。

和其他语言相比，SCL语言适合用于实现一些用户自定义的算法和优化控制策略，其大体步骤是把复杂的数学运算或者先进的优化算法编制成用户自定义的功能块，然后在CFC中调用这些功能块，并下载到PLC中，在实际的工艺生产过程中实现优秀的控制策略。

2.4PCS7监控软件分析

2.4.1监控软件介绍

SIMATICPCS7的核心人机交互界面就是基于标准SIMATICWinCC的操作员站，它除了继承了WinCC优秀的性能外还有其他额外的功能，这是它与单机的WinCC有着明显的不同，与传统的WinCC相比由于功能更加完善、性能更加良好等优点，使得其被多数工程师所亲睐，在复杂的连续工业过程控制中使用率一直较高。

2.4.2视窗控制中心

视窗控制中心（即WinCC）是西门子公司与微软公司在自动化领域采用先进的技术共同研发的工控软件。

在PCS7中是操作员和系统沟通的桥梁和纽带，操作员可通过人机界面软件WinCC对系统进行监控。

在PCS7中工程师可以通过工程师站给操作员站赋予部分权力，使其能对整个或部分系统进行有效监控。

操作员可通过视窗控制中心对报警信号、现场数据归档等信息进行处理，保证系统稳定运行。

2.5PCS7数据库

在SIEMENSPCS7中，关系型分布式数据库平台作为数据采集、数据处理、数据分析的数据库支撑系统。

它除了这些能力外，它还能保证系统数据的完整性、一致性以及系统各部分数据的同步性。

SIEMENSPCS7在数据管理方面采用了微软的SQLSERVER关系型数据库管理系统。

该管理系统功能强大，能实现完整的数据管理能力，确保数据库的数据完整性。

2.6本章小结

本章从系统结构、编程语言等方面重点分析了西门子过程控制下系统PCS7。

通过分析过