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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
近年來我國的氟化工工業(yè)發(fā)展迅猛，繼無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)又將迎來一個新的高潮。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、工藝簡介
自外管來的氣相TFE單體進單體冷凝器，使用HCFC一22冷凍介質(zhì)將WE單體冷凝成液體。液相TFE進單體計量槽計量后人單體蒸發(fā)器，然后氣化后的TFE進單體過濾器，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蒸氣和空氣在加進阻聚劑時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℃冷凍鹽水進行冷卻，可及時移走異常工況條件下聚合的反應(yīng)熱。
針對以上情況，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)場總線儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(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)具有無擾動切換功能。容錯型和安全型可滿足供電中斷和故障保護等特殊要求，提高系統(tǒng)可靠性。
3.1、上位機系統(tǒng)
本系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器用于保存整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，客戶機作為操作員接口，用于對工藝過程的操作和監(jiān)視。上位機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是通過100MHz的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)連接，上位機系統(tǒng)由以下主要設(shè)備組成：
①操作員站：6臺，安裝在中央控制室；
②服務(wù)器：2臺，安裝在中央控制室；
③工程師站：1臺，安裝在中央控制室。
3.2、模件配置
每個ET 200M分布式vo站的有源背板總線上插有兩個IM153通信接口模塊，分別通過兩條獨立的Profibus-DP現(xiàn)場總線與AS-400中央控制站進行實時通信。在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)其中某一個IM153通信接口模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動地切換到另一個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，不會影響系統(tǒng)正常運行。
3.3、控制系統(tǒng)
S7-400H按照“熱備份"模式(無沖擊、出現(xiàn)故障自動切換)的活動冗余原理運行。根據(jù)這個原理，只要*，兩個子單元都是活動的。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:冗余自動化控制站(AS417-4-2H)用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及處理、自動閉環(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牢固而緊湊的塑料殼體內(nèi)，攜有后備電池盒和存儲器插槽以集成的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*自動化。系統(tǒng)具有高度擴展能力、堅固的設(shè)計、強大的綜合通信能力、擴展的集成系統(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CPU中之間通過高速光纖同步專線相連，其容錯結(jié)構(gòu)對用戶來說是透明的，它可以同標(biāo)準(zhǔn)PCS7系統(tǒng)那樣進行處理、編程和設(shè)計。
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報警，二路冗余電源將自動切換，以保證任何一路電源的故障均不會導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分掉電。
直流電源系統(tǒng)由8臺20A西門子SITOP電源構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)。整個系統(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等級的光纖傳輸，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可獨立處理通信信號，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，允許站點同時發(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)，利用交換機模塊將整個網(wǎng)絡(luò)分成若干子網(wǎng)，每個子網(wǎng)都可以獨立地形成一個數(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
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，其中包含上位機的操作員站和工程師配置，下位機的CPU設(shè)置，對應(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、控制策略實現(xiàn)、各種記錄配置、報表生成及數(shù)據(jù)歸檔。以下簡要介紹在該控制系統(tǒng)中的幾個軟件設(shè)計。
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、功能強大的關(guān)系型，分布式數(shù)據(jù)庫平臺作為數(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)庫支撐系統(tǒng)。關(guān)系型、分布式數(shù)據(jù)庫平臺不同于一般的數(shù)據(jù)庫支撐系統(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)庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(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)庫的數(shù)據(jù)完整性。
5.2、CFC實現(xiàn)串級控制
CFC是一種簡潔的圖形組態(tài)工具，它采用了IEC-1131的標(biāo)準(zhǔn)。用CFC有助于節(jié)省時間和費用，同時大大地簡化了系統(tǒng)的組態(tài)和維護。用CFC進行組態(tài)時是以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)。每個功能塊都有一個參數(shù)表，可根據(jù)實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之間的不同的頁面上進行，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動標(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PID控制方案。由于壓力是控制溫度中的一個主要中間變量，所以把壓力作為副控制參數(shù)，又因為主要擾動變量是氣體的流量，把該擾動量的主要作用在對象上，這樣就可以更快地克服擾動。副環(huán)的作用也就能夠得到很好的發(fā)揮。構(gòu)成該串級控制系統(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化任務(wù)。這種圖形化的組態(tài)工具在組態(tài)時，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，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中的信號引人SFC中。CFC與SFC的交替使用，可以很方便地實現(xiàn)復(fù)雜的順控任務(wù)。
整個控制中大部分都是順序控制，所以利用SFC編程相當(dāng)容易實現(xiàn)，也是部分SFC程序。為了實現(xiàn)控制方案，往往可以使用多種編程方法相結(jié)合。
流量擾動環(huán)境擾動
六、設(shè)計應(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)的每一個主要部件，如輸人輸出卡件、卡件安裝機架、現(xiàn)場接線端子板等均設(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WinCC站或過程數(shù)據(jù)服務(wù)器*以并行方式運行，也就是說，每個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WinCC站中的一個發(fā)生故障，另一個站就承擔(dān)報文和過程數(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)器在運行時間彼此監(jiān)控以便在早期識別出發(fā)生故障的伙伴服務(wù)器。如果一個服務(wù)器出現(xiàn)故障，客戶機將被自動從發(fā)生故障的服務(wù)器切換到仍然活動的服務(wù)器。這就確保了所有的客戶機始終是可用于監(jiān)控和操作過程的。在故障期間，活動的服務(wù)器將繼續(xù)歸檔WinCC項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復(fù)制到返回的服務(wù)器上。
6.3、ET200M分布式I/O站
現(xiàn)場控制站的ET200M分布式I/O站通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與AS-400中央控制器進行實時通信，它主要功能是:采集現(xiàn)場I/O信號，通過ET200M的I/O信號接口模塊將現(xiàn)場數(shù)字量或模擬量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發(fā)送來的控制信號送至現(xiàn)場。
ET 200M分布式I/0站的直流電源采用了N+1冗余設(shè)計。直流電源的數(shù)量選型原則是在每個ET200M分布式I/O站配接一臺直流電源的基礎(chǔ)上再加裝一臺同樣的直流電源，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)運行過程中，當(dāng)其中某一臺直流電源發(fā)生故障時，并聯(lián)的直流電源還能保證足夠的功率輸出，而且不必停機就更換已經(jīng)壞了的直流電源。因此，現(xiàn)場控制站的直流電源具有良好的容錯性能。
七、結(jié)束語
本系統(tǒng)投入運行后，工作穩(wěn)定，操作方便。由于采用了串級控制系統(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)濟效益。
參考文獻
1 劉錯，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)域為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)現(xiàn)場控制。