西门子模块6ES7231-7PC22-0XA0全年质保

西门子模块6ES7231-7PC22-0XA0全年质保

西门子全集成自动化控制系统PCS7具有过程控制系统的所有特性和功能，过程控制简单而安全、方便信息网络和现场总线及仪表的集成，设计模块化，系统的扩展性强，是企业实现管控一体化的理想集成运行平台 .

　　一. 项目简介

　　1. 胜利油田埕岛CB30A中心平台SCADA系统由中心平台站控系统和所属井组平台（一期7座，将来扩展到20座）远程控制站（简称RTU）组成，完成CB30A中心平台和所属井组平台的生产监视及控制，并将数据通过扩频微波系统传往原有的陆地中心站。CB30A中心平台和所属井组平台采用主、备数据通信方案，主、备数据通信自动切换，主数据通信采用海底光缆（光缆与动力电缆在同一根电缆内），备数据通信采用数传电台。系统结构为“两级控制、三级网络”，两级控制即井组平台遥测遥控和中心平台控制，三级网络指的是自动化系统网络结构延伸到海洋石油开发公司和管理局综合信息网。中心平台为有人值守站，井组平台为无人值守站。将SCADA系统和工业数字电视监视系统融为一个监控系统，实现CB30A中心平台和所属井组平台的工业电视监视；在SCADA系统操作控制时，电视监视到相应部位，达到操作直观方便；同时，电视监视井组平台安全运行和防止人为的破坏及盗窃。

　　2. 埕岛油田CB30A中心平台SCADA系统总体结构如下：

　　二.工艺介绍
　　1. CB30A中心平台站控系统
　　CB30A中心平台站控系统由过程控制系统（简称PCS）、紧急关断系统（ESD）和火气监控系统（F&G）三部分组成，负责中心平台自身的生产管理和过程控制。

　　（1）过程控制系统（简称PCS）
　　过程控制系统（简称PCS）完成中心平台原油处理系统、辅助系统等工艺过程的测量和控制，保障工艺系统可靠、平稳的运行，实现工艺系统参数的显示、数据处理、报警和数据归档。
　　（2）紧急关断系统（ESD）
　　紧急关断系统（ESD）完成工艺系统的紧急关断，保障生产和生活的安全，紧急关断分为四级。
　　· 一级关断：全站关断。在重大事故发生时，手动启动该级关断，该级关断全站所有工艺、公共设施，以确保操作人员及设施的安全。一级关断信号启动广播系统。
　　· 二级关断：火气关断。火灾发生时，手动关断生产系统，仪表风系统不关断，二级关断信号启动广播系统。为了减少火灾造成的损失，火气关断为泄压关断。
　　· 三级关断：工艺系统关断。工艺系统故障时，手动关断生产系统，，三级关断信号启动广播系统。为了关断后利于生产恢复，工艺系统关断为不泄压关断。
　　· 四级关断：单元联锁关断。由单元故障引起的关断，该级关断仅关断故障单元，其它系统不受影响。
　　（3）火气监控系统（F&G）
　　火气监控系统（F&G）由现场探测设备和中控室火气控制柜组成,现场火气探测设备探测到可燃气体泄漏或火灾时，发出信号给火气监控系统，以声光形式报警，提示操作人员确认火情，启动全厂报警和消防系统，完成有关的紧急关断。
　　2. 井组平台远程控制站（简称RTU）
　　CB30A中心平台所属井组平台为：已建的CB302、CB303单井平台，新建CB30B、CB306井组平台，二期工程待建的CB30C井组平台、CB305井组平台和CB301单井平台，以及充分考虑将来的扩建，扩展容量预计达20座井组平台。井组平台由远程控制站完成采油平台的数据采集、处理、判断、控制、关断, 并将数据通过光缆信道传往CB30A中心平台SCADA系统, 同时接收CB30A中心平台SCADA系统发来的控制命令, 实现井组平台的遥测遥控。
　　3. 工业数字电视监视系统
　　CB30A中心平台和所属井组平台工艺装置区、井口及无人值班的操作间和设备间设置工业数字电视监视系统。
　　 4. 数据通信系统
　　CB30A中心平台和所属井组平台采用主、备数据通信方案，主、备数据通信自动切换，主数据通信采用8芯海底光缆（光缆与动力电缆在同一根电缆内），备数据通信采用数传电台。其中，单井平台仅采用数传电台数据通信。海底光缆完成SCADA系统冗余主数据通信、工业数字电视监视系统冗余主数据通信、电力自动化冗余主数据通信。


　　5. I/O数据表

　　（1） CB30A中心平台PCS系统I/O数据表

　　（2） CB30A中心平台ESD系统I/O数据表

　　（3） 井组平台RTU I/O数据表

　　三. SCADA系统基本配置
　　1. 调度控制中心
　　SCADA系统的调度控制中心安装在CB30A中心平台中心控制室（CCR），调度控制中心包括一套完整的带有标准的（非用户设计的）硬件与软件的计算机系统，详见SCADA系统配置图附图一。主要包括：
　　　　2台操作员工作站（双CRT）
　　　　1台PLC的远程维护及故障处理站
　　　　1台工程师站（带1台A4彩色激光打印机）
　　　　1台针式宽行打印机（打印报警及事件）和1台A3激光打印机（打印报告及报表）
　　　　2台互为冗余的SCADA系统服务器及磁盘阵列系统；
　　　　一部大屏幕投影仪（2mX2m），通讯采用局域网。
　　上述的这些操作站、服务器及投影仪作为该局域网的节点，并通过工程师站（或具有工程师站功能的操作站）进行组态。调度控制中心还包括必要的接口硬件、软件及通讯协议。SCADA系统的通讯协议应是基于TCP/IP的工业以太网协议，如DNP 3.0、IEC 60870-5等。
　　2. CB30A中心平台PCS系统
　　PCS系统安装在CB30A中心平台中心控制室（CCR），主要包括：
　　2台操作员工作站，其中一台兼用作工程师站,用于系统组态,互为热备用。进行画面显示、数据处理、报警、数据归档及操作控制。
　　PCS机柜（包括端子柜）由卖方根据系统的规模合理配置，并在报价中给出机柜的数量和规格。PCS系统控制网络1：1冗余，PCB30ACS系统的控制器处理模块、电源模块、通讯模块考虑1：1冗余，配置各PLC通讯接口模块，I/0模块的配置依据PCS系统I/O数据表。
　　3. CB30A中心平台ESD系统
　　紧急关断系统采用冗余、容错的控制器，安全级别达TUV3-4级，确保紧急情况下关断系统实现关断，紧急关断系统的信号通过数据通讯在PCS操作站上显示。
　　4. CB30A中心平台所属井组平台RTU
　　井组平台RTU控制器处理模块、电源模块、通讯模块考虑1：1冗余。紧急停车及安全联锁系统（ESD&SIS）由RTU内相对独立的特定卡件完成，与ESD有关的I/O点通道冗余，卡件冗余。
　　5. 工业数字电视监视系统
　　1）CB30A中心平台工业数字电视监视系统配置数字视频服务器、画面处理器、离线存储器、21“彩色监视器.
　　2）CB30A中心平台和所属井组平台工艺装置区、井口及无人值班的操作间和设备间设置数字摄象机具体参见下表：

　　四. SCADA系统基本功能
　　1. 调度控制中心功能
　　SCADA系统调度控制中心完成以下功能：
　　　　SCADA系统服务器将持续扫描所有的井组平台RTU的数据、状态、报警信息，检查数据的有效性，并更新SCADA系统数据库。
　　　　SCADA系统调度控制中心完成对CB30A中心平台有关信息传送、接受和下达的执行命令。
　　　　SCADA系统调度控制中心完成对埕岛油田陆地中心站有关信息传送、接受和下达的执行命令。
　　　　提供新的报警状态及可选择的数天的历史报警记录。
　　　　生成小时及日报表包括：当前报警状态、当前设备状态、井口压力及温度、单井原油计量。
　　　　生成用户报表。
　　　　所有井组平台数据的实时及历史趋势，包括系统压力、温度、流量、阀状态、计算值等。
　　　　SCADA系统服务器数据库应为各操作站提供持续的数据获取服务。
　　　　所有的操作站均应配置相同的硬件及操作系统软件。
　　　　所有的操作站均应有运行任何一种应用软件的能力。
　　　　调度控制中心应具有0.9999的系统可靠性。
　　　　合适的冗余能力。
　　　　CB30A中心平台所属井组平台油井启、停控制功能。
　　　　紧急关断指令下达；及时关断所属井组平台油井、安全阀、海管进出口关断阀等。
　　　　提供中文人机对话的窗口，可实现交接班日志的综合管理及生产指令发布的联机综合管理。
　　　　汉化功能。包括画面、报警提示、命令条、数据、报表等。
　　2. CB30A中心平台站控系统的功能
　　站控制系统除完成对CB30A中心平台的监视控制及生产管理任务外，还作为将来SCADA系统的现场控制单元，负责将有关信息传送给调度控制中心并接受和执行其下达的命令。其主要功能（不限于此）：
　　　　对现场的工艺变量进行数据采集和处理；
　　　　对发电机及电力设备相关变量的监控
　　　　压力、流量控制
　　　　流量计量
　　　　中心平台可燃气体的监视和报警；
　　　　火灾系统的监视和报警
　　　　逻辑控制
　　　　连锁保护
　　　　显示动态工艺流程
　　　　显示各种工艺参数和其他有关参数；
　　　　显示报警一览表
　　　　显示实时趋势曲线和历史曲线
　　　　打印报警和事件报告
　　　　打印生产报表
　　　　数据通信管理
　　3. CB30A中心平台井组平台RTU的功能
　　井组平台RTU除完成对井组平台的测量和控制外，还作为将来SCADA系统的现场控制单元，负责将有关信息传送给调度控制中心并接受和执行其下达的命令。其主要功能（不限于此）：
　　　　对现场的工艺变量进行数据采集和处理；
　　　　对电力设备相关变量的监控
　　　　流量计量
　　　　可燃气体的监视和报警；
　　　　火灾系统的监视和报警
　　　　逻辑控制
　　　　连锁保护
　　　　紧急关断控制
　　五. 基于全集成自动化思想的新一代过程控制系统PCS7
　　随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展，以及对工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求, 同时也为工业自动化过程控制系统的发展指明了方向:
　　　　系统之间的横向数据交换日益增加
　　　　系统与管理层和现场仪表级的数据交换日益增加
　　　　现场总线的应用越来越广泛
　　　　厂商的产品日益开放，通过OPC、SQL等技术使得不同系统之间的准确、高速、大量的数据交换得以实现
　　　　全集成，一体化的解决方案
　　因此，传统的DCS系统已经不能满足90年代自动化过程控制系统的设计标准和要求，SIMATIC PCS7过程控制系统就是在这种形势下开发的新一代过程控制系统，它是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。
　　SIMATIC PCS7是西门子公司结合先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及bbbEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。
　　SIMATIC PCS7采用的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。
　　SIMATIC PCS7是基于全集成自动化思想的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件，所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，这样就大大增强了系统的整体性和信息的准确性。
　　SIMATIC PCS7的通讯系统采用的是工业以太网和PROFIBUS现场总线。工业以太网 用于系统站之间的数据通讯， SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂厂商的控制系统。
　全集成自动化系统控制网络总图操作员站和服务器采用客户机/服务器结构，客户机与服务器之间通过100MHz以太网通讯。服务器与AS417H自动化系统的CPU之间采用光缆介质连接，通过100MHz的工业以太网来交换数据.
　　PCS7系统的工程师站同时挂在两个网络上，即连接客户机/服务器的100MHz以太网和连接自动化系统的CPU的100MHz工业以太网。工程师站可以完成控制画面和控制策略的组态。
AS417H自动化系统与远程I/O子站的通讯采用PROFIBUS-DP。AS417H通过PROFIBUS-DP的专用双绞线直接与远程I/O子站相连接。其它AS417H将通过冗余的光缆和冗余的接口模块与各自的远程I/O子站进行通讯，满足分散控制系统技术规范书中(1.5工厂及装置简况)提出的要求。
　　六.生产实时系统
　　生产实时系统采用WinCC MULTI-CLIENT方式，主服务器作为WinCC CLIENT 并作为WEB SERVER，与办公室标准以太网相连。网络通讯协议采用TCP/IP。在工程师站上进行工艺操作画面、报警画面、历史趋势、报表等功能的组态（这些都是WINCC的基本功能），然后在SERVER和CLIENT上运行组态的项目。由于实时系统的工位号容量为2000个，所以选用64K点的WINCC运行系统。
　　WinCC SERVER完成与DCS之间的数据交换。服务器位于各DCS控制室，由局域网相连， 通过bbbbbbS共享机制实现数据共享。为了与WINCC CLIENT通讯, WINCC SERVER端运 行于bbbbbbS NT4.0 SERVER或bbbbbbS 2000 SERVER操作系统,并安装WinCC 和 WinCC SERVER选件软件包。WINCC SERVER向WINCC CLIENT提供数据。每台SERVER 多可以带 16台CLIENT站， 在本系统中，连接5台WINCC CLIENT。
　　WinCC Web Navigator选件包：
　　WinCC可选软件包Web Navigator使用户可以通过Internet、LAN或公司局域网浏览或操作 WinCC过程画面。根据系统需要，设置可以通过WEB浏览生产过程画面的用户，并分配不同的权限，以进一步提高安全性。
　　软件配置：
　　1. Server端：WinCC V6+Web Navigator Server
　　2. Client端：IE+Web Navigator Clien
　　七. 项目中的难点:
  　1. CB30A中心平台: 泵,阀的时间联锁控制关系.倒泵计量程序控制.
　　2. 紧急关断系统（ESD）:S7400FH故障安全系统的软硬件调试.
　　3. 远程井组平台控制器S7300H软冗余程序的调试,投运.远程无线通讯调试.
　　不过,SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及编程语言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，全面实现对工艺过程的优化控制。如能熟练使用连续控制、顺序控制及编程语言SCL就可大大简化组态工作，缩短工程周期。许多工艺控制上的难点就会迎刃而解.
　　八. 结束语
　　系统的投入时间:2004/11/20
　　运行情况:良好.
　　九.应用体会
　　项目进行当中，使用西门子自动化产品的体会:
　　1. 具有过程控制系统的所有特性和功能,过程控制简单而安全、方便信息网络和现场总线及仪表的集成，设计模块化，系统的扩展性强.
　　2. 现场总线技术,大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用.
　　3. SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作, 缩短工程周期.
　　4. SIMATIC PCS7具有ODBC、DDE、OPC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂厂商的控制系统。
　　5. S7400FH故障安全系统是次在中国应用,其软件编程和硬件的接线调试方式都有别于S7400H系统,约束条件较多,故障安全理念比较复杂.但真正了解后,系统的安全和稳定性还是很不错的.
　　6. S7-300软冗余系统在七个远程无人职守油井平台得到应用,此系统刚调试阶段,很不稳定,但了解和掌握其规律后,系统运行一年多非常稳定.
　　7. 西门子的网络系统非常稳定强大,特别是在中心平台通过无线网络系统对远程几公里外的S7300H系统进行软件参数修改,调试,下载,非常安全,顺利.此性能得到用户的高度赞赏.
　　8. 西门子的Web Navigator功能安装调试非常简单方便. 此性能也得到用户的高度赞赏
　　9. 西门子的Wincc Server-Client结构在对归档数据,和历史趋势时间同步的实施过程比较复杂,且容易出错,需要改进.

1 引言
      电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
      电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

2 基于PLC的电动机综合保护
对电动机的保护可以分为以下几类:
在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。

      PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器(PLC)的电动机综合监控和保护系统的方法。

3 系统硬件设计
3.1 系统的总体结构
基于可编程控制器(PLC)的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

3.2 PLC机型选择及扩展
选择PLC机型应考虑两个问题:
(1) PLC的容量应为多大？
(2) 选择什么公司的PLC及外设。在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。

      SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
      S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。
      CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。

4 系统软件设计
4.1 主程序
      程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。
      如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。
4.2 欠压保护子程序
     在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。
4.3 起动时间过长保护子程序
     在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。