6ES7513-1AL02-0AB0详细说明

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1 前言

胜利海洋钻井公司是我国唯一一家从事浅海、极浅海钻井作业的化公司。现有钻井平台八座，其中胜利九号钻井平台是1995 年底从美国引进的，为三桩自升式悬臂梁结构，作业水深30m ，钻井能力7000m 。其可控硅系统(SCR）是美国ISC 公司于1978 年设计制造的。在过去两年的钻井作业中，暴露出了许多弊端，多次出现故障，影响了钻井生产的顺利进行，不能很好地满足钻井生产的需要。为此，对平台的SCR系统进行了技术改造。经过两个钻井井组的实验运行，各项性能指标达到了预期效果。

此项改造，为海洋钻井平台SCR系统采用数字化智能控制探索出了一条新的思路。

2 原SCR 系统故障分析及改造方案的提出
胜利九号钻井平台的SCR系统是1978 年设计制造，由于设备老化，元件陈旧等原因多次出现故障，主要表现为：控制系统运行不可靠，灵敏度低，引起设备误动作；保护功能不完善，缺乏电流限制和功率限制，曾发生过烧毁可控硅的严重事故；在大负荷时造成憋车现象，给柴油机的正常运行造成极大的压力，给日常设备检修带来很大的不便，容易造成井下复杂情况，不能很好地满足钻井生产的需妥。此外，由于这些原因给顶部驱动钻井系统的安装和调试也会带来麻烦。

鉴于以上原因，作者提出了利用可编程控制器对SCR系统改造的设想，并与电器维修中心协商论证，拟订了可编程计算机控制器为中枢的SCR系统改造方案。经过一年时间的系统分析，考证及试验，在准确掌握各种工况的基础资料后，于1998 年3 月对平台的SCR系统进行了改造。

采用可编程计算机控制器（Programmahle computer controlle  ，简称PCC）控制的智能化控制系统，其大优点是可靠性强、灵敏度高；具有故障自诊断和数据显示功能，便于排除故障，电流限制合理，准确；保护停机与报警功能完善。大大提高了安全生产效率。

3 改造后的SCR系统介绍

这次SCR 系统主要改造了控制系统，包括PCC 控制、触发电路、电压电流反馈电路等，下面将分别介绍。

3.1 可编程计算机控制器（PCC)

可编程计算机控制器（PCC）选用上海贝加莱工业自动化（上海）公司的2000 系列产品。可编程计算机控制器代表着一个全新的控制概念，它集成了 可编程控制器（Programmable Logical controller ，简称PLC ）的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩容时只需在原有基础上叠加应用软件模块，其应用可从简单的逻辑控制直到复杂的分散化控制。可以说，PCC是这次改造后的SCR 系统的大脑中枢。在SCR系统中起了非常重要的作用。

B&R2003 系统是一种紧凑型的可编程计算机控制器，是这次改造的主要元件。它兼有中央智能和远程智能，既能以自己的CPU 作独立的控制器，并进行远程扩展，又能和现场总线连接，作远程I / O 模块。B＆R2003 系统的结构也是模块式的，所有的模块尺寸都相同，扩展和应用非常灵活。还能提供不同的检测功能，如I / 0 模块电压监控、站电压监控、排障监控、空闲周期监控、输出监控等。

B＆R2003 系统的硬件包括以下几个方面：

( 1 ）处理器：Motorola+RISC ;
( 2 ）一个CPU 存储容量：带EPROM 和FLASHPROM 的模块（100K ~16MRAM 和256K ~16MROM ) ;

( 3 ）数字I / 0 模块：每个模块八点（晶体管或继电器）;

( 4 ）模拟I / O 模块；每个模块四个通道（电压、电流等）;

( 5 ）基板，多可放九个模块；

( 6 ）网络及现场总线接口：CAN 、RS232 / RS485 / RS422 。

3.2 触发电路

触发电路板是根据SCR ON桥对触发脉冲的要求而设置的。本次系统改造触发电路采用CA6100数字型触发板。CA6100触发桥具有通用特性，用于控制可控硅的门极延迟触发角，从而实现移相控制。

CA6100通用可控硅触发板是以40 芯CMOS 大规模集成电路（专用芯片）为核心，利用锁相关技术（PLL）和多芯片合成技术（ MCM ) ，根据压控振荡器（VCO ）锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种可控硅触发系统。0～5V 的直流输入电压信号，可以控制输出脉冲的移相范围从5° 一175°可调。任何可调或手动输出的电压都可以很方便的与其连接，以控制大功率可控硅的工作。它在计算机、模拟或数字调节器与大功率可控硅之间形成了一个很好的缓冲界面，一方面，保证可靠而且有效的传输控制信号，实现系统设定的控制功能；另一方面，大大减轻了主电路对控制电路的干扰，在计算机及控制电路失控时能够自动保证主电路安全，提高了系统工作的可靠性。

CA6100触发电路板具有以下的优点：

( l ）输出的三相触发脉冲通过高频同步脉冲分频计数输出，因而具有高度的对称性、均衡性和良好的控制线性度；

( 2 ）触发板无需同步变压器，同步信号直接用高值电阻取自与可控硅相连的主回路，自动实现与电网同步；

( 3 ）触发板集缺相保护、软启停等功能于一体，功能密集程度较高；

( 4 ）具备相序自动测控核对能力，从而使其在主电路与调节器的联线上变得简单、可靠，无需作任何调测便能投入运行；

( 5 ）主触发板与辅助触发板相结合，可以很方便的实现输出12 个门极脉冲信号，而不再需要另外一个独立的门极延迟发生器。

3.3 其他元件

该系统的电流取样信号采用1500A / 0.1A 三相全桥整流，并带有微分反馈。电压取样信号是把主回路直流电压分压后取得。

4 功能介绍
这次SCR 系统改造，较过去增加了电流限制、闪光报警、数据显示、保护等功能、使SCR系统更为完善、安全、可靠。

4.1 电流限制

电流限制功能可由外部电位器设定，也可以由计算机内部设定。对于不同的设备，根据负载情况不同，而电流限制不同。带动泥浆泵时，双电机电流限定为1400 A  ，由PCC 内部设定。带动绞车时，单电机限定电流900A ，带双电机电流限定为1800 A，脚踏时减半，由PCC 内部设定。转盘或顶驱为活动限制，由钻台通过手轮电位器给定，通过PCC处理以后输出响应。

4.2 报警和保护功能

(1)当主可控硅柜内冷却风机故障时，钻台和可控硅室内SCR ON 指示灯同时频闪（l 秒／次）。此时仍可强制使用，但只能维持10 分钟（以手轮或脚踏启动时计）, 10 分钟以后封锁触发板并闪光报警（0.5 秒／次）。

(2）具有可靠的手轮封锁功能，当手轮和脚踏均不启动时，或启动时手轮没有回到零位，触发板均被封锁，绝不产生失控间题。

(3）泥浆泵运行时，当电流超过1200 A时，钻台和可控硅室内SCR ON指示灯频闪（1 秒／次）警示。

(4）具有合理的脚踏功能。当脚踏启动时，大电流限制为电机电流的50 % ，不会产生憋车现象。手轮和脚踏可以并用，当绞车手轮启动以一定的速度运行时，踩下脚踏开关，绞车在原速度的基础上加速运行，并且脚的“感觉”很好，即当手轮的速度为V 时，记手轮的百分比速度为VH % ，则余下的（1 一VH % ）可由脚踏按行程均匀分担。

(5）当各路开关选择正确，但回路开路时，SCR 系统报警（l 秒／次）或停机并报警（0.5 秒／次）:

电流反馈回路开路时，报警；

电压反馈回路开路时，报警；

手轮给定回路开路时，停机并报警；

脚踏给定回路开路时，报警，并使该回路无效；
转盘或顶驱电流限制回路开路时，停机并报警。

（6）PCC 面板可显示可控硅所带负载，可控硅的电压、电流，风机运行情况及报警原因，且报警有记忆功能。

项目简介

火力发电厂锅炉的单炉/单磨燃煤的计量准确问题一直是 影响电厂发电成本正平衡统计的顽症，更是燃煤发热量和 锅炉燃烧效率统计计算尚无法解决的棘手问题，大多数早 期的火力发电厂都因此存在着生产成本核算方面的问题。某 电厂曾委托本公司对该厂的输煤控制和入炉煤计量系统进 行全面改造，以解决生产成本核算问题。鉴于该工程要在 整个电厂正常发电的情况下进行，且改造的内容比较大, 涉及的面比较广，因此决定分两步对该项目进行改造，先 期进行输煤控制系统的改造，而后进行输煤入炉煤软测量 的改造，以期终达到单炉瞬时燃料计量及动态生产成本 核算的目的。

配置及设备特点

该电厂的输煤工艺系统比一般的火力发电厂要复杂得多, 它先后由一、二期工程来构成现在的输煤系统，两个系统 之间即独立又有相互交叉的工艺连接，同时要为六台发电 机组供煤。虽然本次仅涉及煤场至入炉煤斗之间的输煤控 制系统设备改造，但为了安全可靠地实现改造，又不影响 所有机组的正常运行，因此将该项目分两步进行；步 先将输煤控制系统改造，而后再将入炉煤计量部分改造, 本文所介绍就是部分的内容。其工艺布置如图：

各工艺段所包含的设备有输煤皮带机、叶轮给煤机、往复式给煤机、碎煤机、滚轴筛、带式除铁器、圆盘除铁器、精 细除铁器、犁煤器、切换挡板、拉绳开关和跑扁开关等组 成。其它如撕裂，打滑，堵煤等保护开关均不进本控制系 统。

系统结构

根据现场的实际状况和输煤工艺控制的技术规范要求；我 公司推荐采用SIEMENS TIA的系统结构。以满足输煤系统 狭长的输煤栈桥在一侧布置的电缆桥架，该桥架既要敷设6000VAC动力电缆，又同时要敷设控制和通讯电缆，因此 电缆周围的共模和差模干扰信号必然要影响控制系统的通 讯质量，甚至于使得控制系统不能正常工作。为此我公司 选用 PROFIBUS-DP现场总线来组成网络。用光电交换机 OLM来完成与主控制器之间的信号交换，因为采用了光 纤传输通讯，可将电磁场对通讯设备的干扰影响降至低 程度，真正达到阻断干扰的目的。

它以主控制器AS-417-2作为主站，通过以太网交换机 ESM连接到四台安装有以太网卡CP-1613的工控机上，每 台的HIM系统界面选用WIN  CC  V5.2版本，主控制器除了 自身带有的 PROFIBUS-DP 接口外，另外又配了一块 PROFIBUS-DP模件；这样可以组成两个相对独立的光纤 环网，亦便于两个输煤系统的布置；一个接口连接一期输煤系统上的六只OLM光电交换机，另一个接口连接二期输煤系统上的五只OLM光电交换机。其系统拓扑图如右图。

结束语

由于工艺控制技术规定的要求，所有控制设备都必须配置 就地控制开关按钮，因此这里选用了开关按钮盒作为就地 控制所需。但由于按钮盒与电机启动器不能在Asi层之间 直接进行相互通讯，而必须通过主控制器方能完成它们之 间的数据交换，为此这种配置不能满足就地后备控制的技 术要求。SIEMEN现场执行器MOTOR  STARTER的停产是 本方案的大遗憾。

本控制系统由于当时存在经费问题，没有选用H型冗余控制器，应该是本控制系统不足的地方。另外该项目是老厂 改造项目，有些控制设备不能作彻底改造，亦带来了些须 遗憾。对于像输煤系统的控制如果能在新建厂设计时就将 控制与电气高、低压开关、变频设备、燃料计量一起整体 考虑，那将是一套很完整的TIA系统。

集散控制系统

以下对新广州水泥厂环保迁建工程项目(6000t/d) 集散型控制系统的系统规模、系统功能、操作功能等性能进行介绍。西门子公司在此项目上使用的是新一代集DCS 和PLC 的优点于一身的集散控制系统PCS7，系统结构如下图所示。

它的主要特点如下：
· 彻底打破了DCS 和PLC 的界限由于PCS7 AS 控制站采用的硬件与SIMATIC S7-400 系列控制器相同，这样就可以使得PCS7 的控制器和S7-400 控制器在硬件上是彻底兼容的, 从而彻底解决了硬件平台不一样的问题，系统的安装、维护、管理和备件的问题都得到了解决。

在硬件统一的基础上，PCS7 更进一步实现了软件的统一。在PCS7 的工程师站可以对PCS7 的控制器、操作员站进行编程和组态。同时，可以将整个项目有关的组态信息，如I/O 点数、I/O 规范( 量程范围、信号制等)、联网设备的地址、现场设备的设置参数( 如变频器) 等都统一地存储在一个唯一的组态文件中，并且这些组态信息可以下载到PCS7 的控制器中，当需要更换现场设备时，可以直接更换，有关的设备设置信息可以由控制器直接下载到有关的现场设备中，从而避免设备设置错误，减少停机时间。

· 更加方便的组态工具

PCS7 的主要组态工具为CFC( 用于模拟控制的组态) 和SFC( 用于逻辑控制的组态)，同时保留了语句表和梯形图的编程方式。各种不同的编程方式所做的用户程序，经过编译后生成统一的程序块，经过有关的OB 块调用后即可执行。

· 完全融合了现场总线技术

由于采用了目前市场占有率高的PROFIBUS 总线技术，PCS7 既可以支持I/O 站又可以支持其它高速现场设备如变频器等。所有的现场设备都可以通过工程师站进行组态、参数设置、监控、诊断等。

网络结构

采用三层网络结构：监控终端网( 普通办公室以太网10/100Mbps)、系统总线( 高速工业以太网10/100Mbps)和现场总线(PROFIBUS 12Mbps)。通过三层网络实现监控终端、监控系统、控制器、工程师站和现场设备的连接。监控系统采用冗余服务器/ 客户机结构。当一台服务器故障时，客户机可以自动登录到另外一台服务器上。当故障的服务器修复后重新投入时，有关的历史数据可以自动更新到新投入的服务器中。这样就可以保证在任意一台服务器中时刻都可以保存着完整的整个系统的数据。在一个系统中多可以有12 对互相冗余的服务器，每对服务器多32 台操作员终端。

CEMAT

CEMAT 是西门子公司专门针对水泥厂设计的工艺控制软件，并且在恶劣的环境中经历多年的验证。该系统在水泥行业广受欢迎，使用厂家数量不断攀升。西门子基于对水泥生产过程工艺的深刻理解，联合世界上众多水泥生产厂家一起设计开发了CEMAT 系统。开发和支持CEMAT 的工程师们在水泥行业的从事经历可以追溯到35 前。CEMAT 现在是基于西门子的过程控制系统PCS7，它为现代的、面向未来的、经济型的水泥解决方案提供了独特的、开放的系统架构。

STEP7 程序管理器

STEP7 程序管理器是SIMATIC S7 系列编程语言，用来处理变量连锁控制。STEP7 可以用IEC-1131 标准编程语言(STL，LAD，FBD，CFC，SFC 和SCL) 进行编程。在PCS7 中，CFC、SFC 和SCL 作为主要的组态工具，用于完成传统DCS 中连续过程控制任务的组态。如果在一个项目中，有很多离散过程如联锁控制等，则可采用STEP7 中其它几种编程语言，很方便地进行编程，这是对传统DCS 系统处理离散控制任务能力不强的一个补充。

CFC

CFC 是一种简洁的图形组态工具，它采用了IEC-1131 的标准。使用CFC 有助于节省时间和费用，同时大大地简化了系统的组态和维护。用CFC 进行组态时是以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。功能块在CFC 中的连接直接用鼠标点接。每个CFC 由6 页组成。功能块之间的连接可以在不同的CFC 之间的不同的页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC 可以完成很复杂的大型控制任务。CFC主要用于连续过程的自动化控制任务的组态。

SFC

SFC 也是一种图形组态工具，它也采用了IEC-1131 的标准。SFC 主要用于小型的批量操作等顺序控制的自动化任务。这种图形化的组态工具在组态时，首先画出顺控的顺序图。顺序图中，可选择顺序、并行分支、交替分支和回路等局部结构。图中用大小两种方块分别表示步骤(Step)和转移条件(Transition)。顺控的顺序图一旦建立，只需把步骤中要执行的任务和转移条件中的条件写入，顺控的组态任务即得到完成。在组态时，由于很多步骤中的任务和转移条件都与CFC 有关，因此，可把CFC 中的信号引入SFC 中。CFC 与SFC 的交替使用，可以很方便地实现复杂的顺控任务。

SCL

SCL 是一种类PASCAL 的语言，它采用IEC-1131的标准。利用SCL 可以很方便地编制用户功能块。用SCL生成的功能块可在CFC 中被多次调用。用户可以把过程的数学模型和优化控制策略用SCL 编成功能块，直接下载到控制器中运行。这样，可以把过程的优化控制放在控制器中，实现对工艺过程的优化控制。

工程师站

工程师站用于对整个PCS7 系统进行组态，采用了集成的全局数据管理和统一的组态工具。这个组态工具就是SIMATIC 程序管理器，它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件。在软件开发方面，采用了面向对象的技术。与传统DCS 系统相比，西门子PCS7 的组态直接面向工艺过程。在SIMATIC 程序管理器下，有多种组态工具可以使用，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个同一的数据库中。这些组态工具是：水泥行业专用工艺控制软件CEMAT、CFC( 连续功能图)、SFC( 顺序功能图) 和WinCC 视窗控制中心等。

操作员站( 简称OS)

所有OS 专用的组态是用在SIMATIC 程序管理器中的相应工具完成的。流程图是用图形编辑程序建立的，动作、文档、记录和曲线是用组态方式完成的。报警功能是通过组态实现的，不必多重输入，同时CFC/SFC 功能块中已隐含了报警功能。将AS 的组态链接到OS 中时，AS 中的图象块之间的连接、功能块的报警和文档变量都可隐含产生，不需任何附加的配置工作。

功能块库

采用现成的功能块库，可以大大减少工程费用。为了适合各种不同工业领域的要求，PCS7 预先编制了大量实用的功能块，以供用户选择。这些功能块包括：I/O 卡件、PID回路、驱动、传动、电机和阀门等。功能块包括了在ES中的CFC 图形和OS 中显示的面板。

数据库

SIEMENS PCS7 系统采用具有标准化、开放性、性能、功能强大的关系型分布式数据库平台作为数据采集、数据处理、数据分析和制造执行系统的数据库支撑系统。关系型、分布式数据库平台不同于一般的数据库支撑系统，它能保证系统数据的完整性、一致性和系统各个部分数据的同步性，具备多种形式的数据查询、数据关联和数据索引方式。SIEMENS PCS7 系统采用了微软的SQL SERVER 关系型数据库管理系统，该系统能实现完整的数据管理功能，包括能支持在异种网上提供透明的数据管理，而且应用软件开发包所集成的SQL_Anywhere 与SQL_SERVER 有着非常好的整合性，确保了数据库的数据完整性。

视窗控制中心( 简称WinCC)

操作员站用于对整个PCS7 进行监控。服务器与控制站之间通过西门子工业以太网通讯，服务器与客户机之间通过普通办公室以太网通讯。

操作员站是通过WinCC 人机界面软件对系统进行监控。WinCC 是西门子公司在自动化领域采用**的技术、与微软公司共同开发的、居于地位的工控软件。系统带有标准用户界面( 概貌区，画面区，按钮区，趋势，报警行，面板)，具有分层结构和简单导航以及固定区域的多窗口设计，方便用户操作，还可以防止概貌区与按钮区重叠。

具有丰富的标准面板，用以控制各种设备和控制策略，如电机，阀门，PID 控制，步进控制等等。

报警管理具有屏幕层次及组显示、回路显示功能。可以通过一次鼠标点击，直接从概貌区跳到报警画面，由操作员决定哪个报警重要。

强大的趋势显示功能，每一趋势多显示10 个标签，可以缩放，有标尺( 同时在表格显示数值)、时间刻度可调整，趋势显示可暂停。显示画面可滚动( 前/ 后)，单一Y 轴可显示所有标签值(%)，也可选择使用几个Y 轴分别显示各自标签值，趋势图能显示和合并在线过程值和归档( 历史)数值。

灵活的用户管理。每一操作员/ 组可被分配自定义授权，报警过滤/ 访问控制由过程区域划分，共享自定义功能，可锁定/ 共享工厂分区，授权访问使用口令或者智能卡，安全功能可应用至每个操作或者对象。

其它一些特殊功能，如智能卡阅读器用于简单和安全的用户识别；在过程画面中加入视频输入；每个操作员/ 组能被分配给单独的功能、区域等的操作授权；带有DCF 77或者GPS 接收器的中央时钟同步；信号模块报警声光提示；在线语言切换。

本工程采用了西门子公司专门为水泥行业开发的CEMAT软件，使用了融合DCS 和PLC 技术的PCS7 过程控制系统，在全厂安装了分布式现场总线，系统总线采用高速光纤以太环网。这些**的产品和技术保证了工程的**性，并大大缩短了工程实施中编程和调试的时间，使工厂得以顺利投产并取得了良好的效果。