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PCS7系統(tǒng)在氟化工行業(yè)中的應(yīng)用
PCS7系統(tǒng)在氟化工行業(yè)中的應(yīng)用
近年來(lái)我國(guó)的氟化工工業(yè)發(fā)展迅猛,，繼無(wú)水氟化氫和二氟一氯甲烷的大發(fā)展之后,，四氟乙烯和聚四氟乙烯樹脂的生產(chǎn)又將迎來(lái)一個(gè)新的高潮。生產(chǎn)氟化工行業(yè)基礎(chǔ)原料的工業(yè)已得到全面技術(shù)改造,，但是氟樹脂尤其是PTFE生產(chǎn)技術(shù)并沒有得到重大突破,，這主要是由于聚合釜內(nèi)反應(yīng)溫度比較難控制。
國(guó)外PTFE聚合釜反應(yīng)溫度控制在12℃左右,，此溫度下聚合的PTFE產(chǎn)品質(zhì)量好,、產(chǎn)量高,。但是國(guó)內(nèi)PTFE廠商大多數(shù)只能把反應(yīng)溫度控制在5℃左右。相比之下,，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量都明顯不足,。本文采用西門子集散控制系統(tǒng)PCS7及串級(jí)控制，使得反應(yīng)溫度平穩(wěn)控制在8℃,，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,。
二、工藝簡(jiǎn)介
自外管來(lái)的氣相TFE單體進(jìn)單體冷凝器,，使用HCFC一22冷凍介質(zhì)將WE單體冷凝成液體,。液相TFE進(jìn)單體計(jì)量槽計(jì)量后人單體蒸發(fā)器，然后氣化后的TFE進(jìn)單體過濾器,，凈化除去阻聚劑,，過濾器中吸附劑采用活性碳。脫除阻聚劑后的TFE送聚合釜進(jìn)行聚合反應(yīng),。PTFE聚合助劑經(jīng)配制槽配制后,，用助劑泵(采用變頻調(diào)速)送至聚合釜，工業(yè)流程如圖1所示,。本工程的生產(chǎn)過程中涉及到的易燃易爆原料為四氟乙烯(TFE)單體,。在正常大氣壓下，TFE蒸氣和空氣在加進(jìn)阻聚劑時(shí)TFE蒸氣在空氣中所占體積的爆炸范圍為:13.4%--45.4%,。未加阻聚劑的TFE單體會(huì)自發(fā)聚合成二聚物,，從而導(dǎo)致爆炸。TFE單體在加人氧氣和增壓后產(chǎn)生過氧化物,，干狀下也會(huì)分解爆炸,。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如果不控制好,，極其容易發(fā)生爆炸,。
為了控制釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，PTFE聚合釜用-15℃冷凍鹽水進(jìn)行冷卻,，可及時(shí)移走異常工況條件下聚合的反應(yīng)熱,。
針對(duì)以上情況，為了控制好反應(yīng)釜的溫度,，采用由西門子公司SIMATIC PCS7和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),。
三、硬件配置
鑒于聚合釜單元在裝置中所處的重要位置,，我們充分考慮了系統(tǒng)的安全可靠性,，采用以S7-400H為主控制器構(gòu)成的PCS7冗余控制方案，CPU采用CPU417H,I/0處理單元采用E1200M,。為保證系統(tǒng)可靠性,，電源和通信采用冗余配置方案,，Profibus-DP總線采用光纖通信，保證了系統(tǒng)安全等級(jí)的需求,。采用雙控制器、雙電源模塊,、雙通信模塊,，系統(tǒng)具有無(wú)擾動(dòng)切換功能。容錯(cuò)型和安全型可滿足供電中斷和故障保護(hù)等特殊要求,，提高系統(tǒng)可靠性,。
3.1、上位機(jī)系統(tǒng)
本系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu),，服務(wù)器用于保存整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù),，客戶機(jī)作為操作員接口，用于對(duì)工藝過程的操作和監(jiān)視,。上位機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是通過100MHz的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)連接,，上位機(jī)系統(tǒng)由以下主要設(shè)備組成：
①操作員站：6臺(tái)，安裝在中央控制室,；
②服務(wù)器：2臺(tái),，安裝在中央控制室；
③工程師站：1臺(tái),，安裝在中央控制室,。
3.2、模件配置
每個(gè)ET 200M分布式vo站的有源背板總線上插有兩個(gè)IM153通信接口模塊,，分別通過兩條獨(dú)立的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與AS-400中央控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)其中某一個(gè)IM153通信接口模塊發(fā)生故障時(shí),，系統(tǒng)能自動(dòng)地切換到另一個(gè)IM153通信接口模塊,，并可帶電熱插拔更換故障的通信接口模塊，不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行,。
3.3,、控制系統(tǒng)
S7-400H按照“熱備份"模式(無(wú)沖擊、出現(xiàn)故障自動(dòng)切換)的活動(dòng)冗余原理運(yùn)行,。根據(jù)這個(gè)原理,，只要*，兩個(gè)子單元都是活動(dòng)的,。如果發(fā)生故障,，起作用的控制器全面接管過程控制。為了確保無(wú)沖擊切換,、快速可靠地資料交換,，需要使用中央控制器鏈接川,。
本方案采用冗余控制站的特點(diǎn):冗余自動(dòng)化控制站(AS417-4-2H)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理,、自動(dòng)閉環(huán)回路控制,、電氣設(shè)備開關(guān)控制等系統(tǒng)控制功能。所有控制模塊均封裝在一個(gè)牢固而緊湊的塑料殼體內(nèi),，攜有后備電池盒和存儲(chǔ)器插槽以集成的MPI和Profibus-DP接口,。
SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)允許過程工業(yè)和制造工業(yè)中全部工廠工序的*自動(dòng)化。系統(tǒng)具有高度擴(kuò)展能力,、堅(jiān)固的設(shè)計(jì),、強(qiáng)大的綜合通信能力、擴(kuò)展的集成系統(tǒng)功能和易于執(zhí)行的中央和分散結(jié)構(gòu),。AS417-4-2H更采用了最新的冗余技術(shù),，兩個(gè)CPU中之間通過高速光纖同步專線相連，其容錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)用戶來(lái)說是透明的,，它可以同標(biāo)準(zhǔn)PCS7系統(tǒng)那樣進(jìn)行處理,、編程和設(shè)計(jì)。
3.4,、電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)將由24V的直流電源構(gòu)成冗余的24V供電系統(tǒng),，直流電源都將具有足夠的容量和適當(dāng)?shù)碾妷海軡M足設(shè)備負(fù)載的要求,。任一路電源故障都將會(huì)報(bào)警,，二路冗余電源將自動(dòng)切換，以保證任何一路電源的故障均不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分掉電,。
直流電源系統(tǒng)由8臺(tái)20A西門子SITOP電源構(gòu)成冗余供電系統(tǒng),。整個(gè)系統(tǒng)供電使用10kV的UPS系統(tǒng)。
四,、網(wǎng)絡(luò)配置
在本方案中采用光纖傳輸快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)(100Mbps)作為連接操作員站,、工程師和自動(dòng)化系統(tǒng)站的系統(tǒng)總線。
快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)在物理層上采用高防護(hù)等級(jí)的光纖傳輸,，網(wǎng)絡(luò)為雙環(huán)光纖冗余結(jié)構(gòu),。工業(yè)以太網(wǎng)卡件上帶有CPU可獨(dú)立處理通信信號(hào)，為工業(yè)用戶提供高水平的通信方案,。
快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上,，將通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全雙工并行(FDX)通信模式,，允許站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),，通信速率可提高一倍。SIMATIC NET在快速以太網(wǎng)上還采用了交換技術(shù),，利用交換機(jī)模塊將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成若干子網(wǎng),，每個(gè)子網(wǎng)都可以獨(dú)立地形成一個(gè)數(shù)據(jù)通信段,，可以大大地提高通信效率。由于普通以太網(wǎng)網(wǎng)段上數(shù)據(jù)通信阻塞的存在,，使得實(shí)際通信效率只有40%,，采用了全雙工并行通信技術(shù)和交換技術(shù)后，使得網(wǎng)絡(luò)通信能力得以充分的利用,。
五,、軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的組態(tài)軟件為SIMATIC Manager，所有的組態(tài)工作均在工程師站上完成,。系統(tǒng)采用集中的、從上到下的組態(tài)方式,，其中包含上位機(jī)的操作員站和工程師配置,，下位機(jī)的CPU設(shè)置，對(duì)應(yīng)的1/0通道的建立,，與他們相連接網(wǎng)絡(luò)配置,。具有集中的、友好的人機(jī)界面,。過程控制與監(jiān)視的組態(tài)采用的是圖形化組態(tài),，方便易用。人機(jī)接口部分的組態(tài)軟件是WinCC,。
過程控制與監(jiān)視的組態(tài)包括硬件系統(tǒng)搭建,、控制策略實(shí)現(xiàn)、各種記錄配置,、報(bào)表生成及數(shù)據(jù)歸檔,。以下簡(jiǎn)要介紹在該控制系統(tǒng)中的幾個(gè)軟件設(shè)計(jì)。
5.1,、WinCC組態(tài)
以下是TFE聚合反應(yīng)生成PTFE的部分組態(tài)如圖2所示,。Siemens PCS7系統(tǒng)采用具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性,、性能優(yōu)秀,、功能強(qiáng)大的關(guān)系型，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)
圖2 PTFE組態(tài)圖
采集,、數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)過程控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)。關(guān)系型,、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)不同于一般的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng),，它能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、一致性和系統(tǒng)各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)的同步性,，具備多種形式的數(shù)據(jù)查詢,、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)索引方式,。
Siemens PCS7系統(tǒng)采用了Microsoft的SQL Server2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)管理功能,，包括能支持在異種網(wǎng)上提供透明的數(shù)據(jù)管理,，確保了數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)完整性。
5.2,、CFC實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制
CFC是一種簡(jiǎn)潔的圖形組態(tài)工具,，它采用了IEC-1131的標(biāo)準(zhǔn)。用CFC有助于節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用,，同時(shí)大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù),。用CFC進(jìn)行組態(tài)時(shí)是以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊,。這些功能塊以庫(kù)的形式體現(xiàn),。每個(gè)功能塊都有一個(gè)參數(shù)表，可根據(jù)實(shí)際工藝要求選擇不同的參數(shù),。功能塊之間的連接可以在不同的CFC之間的不同的頁(yè)面上進(jìn)行,，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)出。因此,，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù),。CFC主要用于連接過程的自動(dòng)化控制任務(wù)的組態(tài)。
在該反應(yīng)釜中,，構(gòu)建了以釜內(nèi)溫度為外環(huán),，釜內(nèi)壓力為內(nèi)環(huán)的串級(jí)PID控制方案。由于壓力是控制溫度中的一個(gè)主要中間變量,，所以把壓力作為副控制參數(shù),，又因?yàn)橹饕獢_動(dòng)變量是氣體的流量，把該擾動(dòng)量的主要作用在對(duì)象上,，這樣就可以更快地克服擾動(dòng),。副環(huán)的作用也就能夠得到很好的發(fā)揮。構(gòu)成該串級(jí)控制系統(tǒng)如圖3所示,。
5.3,、順序控制
SFC也是一種圖形組態(tài)工具，它也采用了IEC-1131的標(biāo)準(zhǔn),。SFC主要用于小型的批量操作等順序控制的自動(dòng)化任務(wù),。這種圖形化的組態(tài)工具在組態(tài)時(shí)，首先畫出順控的順序圖,，順序圖中,，可選擇順序、并行分支、交替分支和回路等局部結(jié)構(gòu),。圖中用大小兩種方塊分別表示步驟(step)和轉(zhuǎn)移條件(transition),。順控的順序圖一旦建立，只需把步驟中要執(zhí)行的任務(wù)和轉(zhuǎn)移條件中的條件寫人,，順控的組態(tài)任務(wù)即得到完成,。在組態(tài)時(shí)，由于很多步驟中的任務(wù)和轉(zhuǎn)移條件都與CFC有關(guān),，因此,，可把CFC中的信號(hào)引人SFC中。CFC與SFC的交替使用,，可以很方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順控任務(wù),。
整個(gè)控制中大部分都是順序控制，所以利用SFC編程相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn),，也是部分SFC程序,。為了實(shí)現(xiàn)控制方案，往往可以使用多種編程方法相結(jié)合,。
流量擾動(dòng)環(huán)境擾動(dòng)
六、設(shè)計(jì)應(yīng)用中的一些注意的問題
6.1,、系統(tǒng)接地
本系統(tǒng)的接地方式如圖5所示,。各個(gè)電子柜的屏蔽條A，系統(tǒng)地M,，它們通過電源電纜線匯總到ZEP條后接地,。在PCS7系統(tǒng)的每一個(gè)主要部件，如輸人輸出卡件,、卡件安裝機(jī)架,、現(xiàn)場(chǎng)接線端子板等均設(shè)有接地端子。接地電阻要求小于4歐姆,。
6.2,、WinCC冗余
通常，兩個(gè)WinCC站或過程數(shù)據(jù)服務(wù)器*以并行方式運(yùn)行,，也就是說,，每個(gè)站都有其自身的過程接口和自身的數(shù)據(jù)歸檔。如果兩個(gè)WinCC站中的一個(gè)發(fā)生故障,，另一個(gè)站就承擔(dān)報(bào)文和過程數(shù)據(jù)的歸檔任務(wù),，因而保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)完整性。
服務(wù)器在運(yùn)行時(shí)間彼此監(jiān)控以便在早期識(shí)別出發(fā)生故障的伙伴服務(wù)器,。如果一個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障,，客戶機(jī)將被自動(dòng)從發(fā)生故障的服務(wù)器切換到仍然活動(dòng)的服務(wù)器。這就確保了所有的客戶機(jī)始終是可用于監(jiān)控和操作過程的。在故障期間,，活動(dòng)的服務(wù)器將繼續(xù)歸檔WinCC項(xiàng)目的所用信息以及過程資料,。在出故障的服務(wù)器重新在線之后，所有信息的內(nèi)容,、過程值以及用戶的檔案都將自動(dòng)復(fù)制到返回的服務(wù)器上,。
6.3、ET200M分布式I/O站
現(xiàn)場(chǎng)控制站的ET200M分布式I/O站通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與AS-400中央控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,，它主要功能是:采集現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào),，通過ET200M的I/O信號(hào)接口模塊將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量或模擬量信號(hào)傳送到中央控制站，同時(shí)將中央控制器發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng),。
ET 200M分布式I/0站的直流電源采用了N+1冗余設(shè)計(jì),。直流電源的數(shù)量選型原則是在每個(gè)ET200M分布式I/O站配接一臺(tái)直流電源的基礎(chǔ)上再加裝一臺(tái)同樣的直流電源，而且此直流電源可允許并聯(lián)使用,，將所有配置的直流電源并聯(lián)后再給所有的ET200M分布式I/O站系統(tǒng)供電,。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)其中某一臺(tái)直流電源發(fā)生故障時(shí),，并聯(lián)的直流電源還能保證足夠的功率輸出,，而且不必停機(jī)就更換已經(jīng)壞了的直流電源。因此,，現(xiàn)場(chǎng)控制站的直流電源具有良好的容錯(cuò)性能,。
七、結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)投入運(yùn)行后,，工作穩(wěn)定,，操作方便。由于采用了串級(jí)控制系統(tǒng),，各回路控制品質(zhì)明顯超過原模擬系統(tǒng),。聚合釜的溫度也由原來(lái)的溫度提高到8℃，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量都有了很大的提高,，從而獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,。
參考文獻(xiàn)
1 劉錯(cuò)，周海.深人淺出西門子S7-300[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,，2004.
2 蘇昆哲,，深人淺出西門子WinCC[M」北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.
第一作者高本東,，男,1979年生,，現(xiàn)為華東理工大學(xué)信息學(xué)院在讀碩士研究生;主要研究領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。