舒雄鷹

1  引言
可編程控制器（PLC）在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，應用PLC不僅能實(shí)現復雜的邏輯控制，而且還能完成各種閉環(huán)控制，其可靠性高、抗干擾能力強、維護量小、能方便地與計算機聯(lián)網(wǎng)通信等特點(diǎn)得到了廣泛的青睞，對于提高企業(yè)自動(dòng)化水平、降低能源消耗、減少污染發(fā)揮了重要的作用。下面以西門(mén)子S7系列PLC在山西臨汾焦化廠(chǎng)焦爐集氣系統中的應用為例，加以說(shuō)明。
2  工藝簡(jiǎn)介
焦爐壓力控制系統是焦爐自動(dòng)控制系統的重要對穩定，根據爐型與爐況的不同，一般要求集氣管壓力穩定在80～100Pa范圍內。
 

圖1  焦爐集氣系統工藝流程

本系統有兩套焦爐系統，一焦系統爐型為小58型，孔數為30*2，年產(chǎn)焦炭20萬(wàn)噸，煤氣發(fā)生量10 000m3h；二焦系統爐型為JN43-80II型，孔數33*2，年產(chǎn)焦炭43萬(wàn)噸，煤氣發(fā)生量為21 000m3h。如圖1所示，焦爐集氣系統工藝過(guò)程為：從炭化室溢出的850℃左右的荒煤氣在橋管處經(jīng)循環(huán)氨水噴灑冷卻至80~85℃左右，通過(guò)吸力管道引入氣液分離器，煤氣由氣液分離器上方導出后，進(jìn)入立管式初冷器，從初冷器出來(lái)的煤氣由煤氣鼓風(fēng)機加壓后通過(guò)壓力管道將大部分送往下道工序，當煤氣量過(guò)小時(shí)風(fēng)機出口的煤氣引一部分通過(guò)回流管引入初冷器前。從圖1中可看出，兩座焦爐的集氣管并聯(lián)成一根總管進(jìn)入氣液分離器，這樣勢必造成集氣管之間的壓力耦合，對其中任一對象的調節都將影響到另一對象，進(jìn)而影響整個(gè)管路系統的穩定，因此，對該系統壓力的調節十分困難。
3  系統硬件配置
焦爐集氣系統檢測與控制項目主要有：各點(diǎn)溫度、壓力參數檢測（包括機側及焦側集氣管、氣液分離器出口、初冷器出口、風(fēng)機前后、洗滌塔出口）、集氣管壓力控制、風(fēng)機吸力控制、煤氣放散控制等。
根據系統檢測與控制要求，控制系統硬件配置如圖2所示，系統由兩個(gè)控制站和三個(gè)操作員操作監視站組成總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )?？刂普静捎玫聡鏖T(mén)子S7系列PLC，一焦控制站為SIMATIC S7-400，配置413-2DP CPU模板、CP443-5通信處理器、FM455C閉環(huán)控制模板、SM431模擬量輸入模板及SM421/SM422數字量輸入/輸出模板。二焦控制站為SIMATIC S7-300，配置315-2DP CPU模板、CP343-5通信處理器、FM355C閉環(huán)控制模板、SM331模擬量輸入模板及SM321/SM322數字量輸入/輸出模板。操作員操作監視站采用工控機IPC，配置SIMATIC CP5613通信卡與PLC通信。系統監控和數據采集系統(SCADA)選用美國Intellution公司的FIX MMI7.0，提供操作員監視、操作、系統報警及報表生成等功能。
 

圖2  控制系統硬件配置圖

除了在一焦、二焦控制室設置操作員操作監視站外，還在調度室設置一臺監視站，用于調度人員監視整個(gè)焦化廠(chǎng)兩套焦爐系統的生產(chǎn)過(guò)程。整個(gè)系統由PROFIBUS LAN電纜聯(lián)網(wǎng)，構成PROFIBUS總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )。按照SIMATIC S7通信協(xié)議實(shí)現各站之間的數據通信。由于控制室之間距離較遠，在兩段電纜之間用RS485中繼器連接。
4  軟件系統設計
軟件系統設計包括PLC組態(tài)及參數配置、系統監控程序設計、網(wǎng)絡(luò )通信配置、操作員站及調度室站人機界面系統設計等幾個(gè)部分。PLC組態(tài)及參數配置、監控系統編程均在SIEMENS STEP7環(huán)境下完成，其中系統監控程序采用STL(STATEMENT LIST PROGRAMMING LANGUAGE)編程語(yǔ)言編寫(xiě)，程序功能包括系統初始化、參數量程變換、參數監視及異常處理、集氣系統壓力控制等。
網(wǎng)絡(luò )配置包括PLC端和PC機端兩部分，分別由SIMATIC NCM7網(wǎng)絡(luò )通信軟件包及FIX S7-Driver完成。人機界面系統設計由FIX MMI軟件實(shí)現，包括畫(huà)面設計、過(guò)程數據庫建立以及監控軟件功能塊的編制等。
(1)  壓力控制系統
集氣壓力控制系統如圖3所示，系統由3個(gè)閉環(huán)控制回路組成：1#集氣管壓力控制回路、2#集氣管壓力控制回路及風(fēng)機吸力控制回路。1#、2#集氣管壓力控制回路用以調節集氣管本身閥門(mén)的開(kāi)度，風(fēng)機吸力和煤氣放散控制回路調節整個(gè)吸力管道的壓力，集氣管壓力由集氣管壓力調節閥門(mén)開(kāi)度及管道系統壓力共同決定。
 

圖3  焦爐壓力控制系統圖

焦爐集氣系統集氣管壓力對于焦爐生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行至關(guān)重要，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能源的消耗量、爐體的維護以及環(huán)境污染等問(wèn)題，應盡量保持其穩定。對此，我們在總結已有操作經(jīng)驗的基礎上，采用多層規則控制思想對各集氣管壓力進(jìn)行設定值控制。
 

圖4  控制系統軟件結構

控制軟件結構如圖4所示，采用兩層規則控制結構：工況判斷層和策略執行層。工況判斷層用于對當前1#、2#集氣管壓力檢測值進(jìn)行分析判斷，策略執行層則根據工況判斷層得出的條件，執行相應的控制策略。當兩個(gè)系統的壓力在小范圍內波動(dòng)時(shí)，各系統分別進(jìn)行常規PID定值控制，維持本系統及整個(gè)集氣系統的平衡；當壓力在大范圍波動(dòng)，導致集氣管壓力不平衡時(shí)，則根據出現的不平衡狀態(tài)，執行集氣管壓力控制系統與風(fēng)機吸力控制系統的設定值控制。即通過(guò)改變三系統的壓力設定值，加強各系統的反應速度，使整個(gè)系統迅速達到新的平衡。例如，當1#集氣管壓力偏高，而2#集氣管壓力偏低時(shí)，控制策略為：先提高2#集氣管壓力設定值，進(jìn)一步減小2#集氣管壓力調節閥開(kāi)度，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲后，再加大風(fēng)機吸力（即降低風(fēng)機回流系統的設定值），使系統恢復平衡。
本系統采用SIMATIC FM355/455閉環(huán)控制模板提供的16路閉環(huán)控制器作為PID調節器，通過(guò)對FB31 PID_FM功能模塊的調用實(shí)現對控制通道控制、操作參數的讀寫(xiě)。該模塊是FM355/455模板的編程接口，它允許用戶(hù)在模板運行時(shí)對各控制通道進(jìn)行在線(xiàn)操作，如指定設定值、改變操作量、切換控制器運行狀態(tài)等。對應于模板上每一個(gè)控制通道需指定相應的數據塊Instance DB，該DB包含控制通道所需所有參數，對其進(jìn)行操作便可實(shí)現對模板上控制通道參數的在線(xiàn)操作?？刂颇K設定值的寫(xiě)入通過(guò)置LOAD_OP=1完成。整個(gè)控制模塊由200ms定時(shí)中斷OB35定時(shí)掃描。
編程中延時(shí)模塊用定時(shí)器（Timer）實(shí)現，時(shí)間值存于A(yíng)CCU1-L寄存器中。需要注意的是西門(mén)子PLC定時(shí)器通常是用于外部節點(diǎn)信號所觸發(fā)的計時(shí)，因此在軟件編程中使用定時(shí)器延時(shí)必須在使用相應定時(shí)器指令之前，給標志位RLO一個(gè)脈沖信號，否則定時(shí)器將不會(huì )啟動(dòng)。
(2)  網(wǎng)絡(luò )通信
西門(mén)子S7系列PLC提供了工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )、MPI網(wǎng)絡(luò )等多種聯(lián)網(wǎng)方式，考慮到系統的通信距離、網(wǎng)絡(luò )規模及網(wǎng)絡(luò )易用性，可采用標準PROFIBUS總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )符合EN50 170標準，采用屏蔽雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò )最大通信距離可達9.6km（段間由RS485中繼器連接），最多允許127個(gè)站連接，通信速率從9.6Kbps到1.5Mbps可選。網(wǎng)絡(luò )允許SIMATIC S7/M7/C7、SIMATIC PG/PC、SIMATIC S5等多種系統互聯(lián)，通信功能包括PG/PC通信、S7通信、S5通信及標準FMS通信。
本系統PLC端和PC端分別通過(guò)CP343-5、CP5613通信處理器作為主站連接到PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)上，采用S7 FUNCTION作為通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )通信功能由各站通信處理器的組態(tài)配置軟件完成，首先在STEP7 NetPro網(wǎng)絡(luò )組態(tài)環(huán)境中為各站設置相應的連接ID、連接類(lèi)型(Connection Type)及通信速率等參數，然后將生成的文件下載至各站即可完成各PLC站之間的通信連接。
由于成本問(wèn)題，本系統沒(méi)有選用西門(mén)子的工業(yè)監控軟件WINCC，而采用美國Intellution公司的FIX 7.0作為本系統SCADA及MMI。這樣在FIX與西門(mén)子CP5613通信處理器之間必須通過(guò)I/O驅動(dòng)器S7-Driver進(jìn)行數據交換，以便對FIX過(guò)程數據庫進(jìn)行定時(shí)刷新，實(shí)現操作員站、調度室站與PLC之間的通信。
FIX I/O驅動(dòng)器S7-Driver與CP5613的數據交換是通過(guò)在計算機內存中建立一張設備映像表（DIT）的方式實(shí)現的，該表中的所有數據映射為相應PLC中的各種類(lèi)型數據，如DB、DI、M等。
(3)  人機界面系統
FIX 7.0工業(yè)監控軟件提供了數據采集和數據處理兩方面的功能，將傳統的控制室變成了計算機和一個(gè)圖形屏幕，其SCADA和MMI功能實(shí)現了對工業(yè)過(guò)程的監視、控制及報警。
為了使操作人員能夠方便及時(shí)地對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全面監控，設計人員開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)流程、集氣管壓力調整、實(shí)時(shí)趨勢、歷史趨勢及系統報警等操作監視畫(huà)面。
報表功能則利用Intellution的DDE(Dynamic Data Exchange 動(dòng)態(tài)數據交換)服務(wù)在Microsoft Excel與FIX系統之間交換各種過(guò)程數據來(lái)生成，提供定時(shí)和隨機兩種打印方式。另外，為了提高系統的安全性，提供了安全組態(tài)及登錄機制，賦予不同操作管理人員不同級別的系統訪(fǎng)問(wèn)權。
5  結語(yǔ)
本系統采用西門(mén)子S7 PLC實(shí)現對焦爐集氣系統的自動(dòng)檢測與控制，針對焦爐集氣管壓力對象的實(shí)際特點(diǎn)，充分利用PLC強大靈活的控制運算功能對集氣管壓力實(shí)施兩層規則設定值控制，實(shí)現了集氣管壓力的穩定控制。系統實(shí)際運行后，效果良好，在凈化環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面達到了設計要求，具有穩定可靠、易于維護和擴展性好等特點(diǎn)。