摘 要：在傳統的工業(yè)控制中，一般都是由上位監控軟件和下位編程軟件通過(guò)中間驅動(dòng)程序來(lái)完成控制的，而SIMATIC PCS7 是新一代的過(guò)程控制系統。在很多控制領(lǐng)域，SIMATIC PCS7 憑借其先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)完全取代了傳統的控制系統，各種控制過(guò)程功能全面，維護簡(jiǎn)單。本文介紹了SIMATIC PCS7 在甘肅省金川集團公司30kt/a高品質(zhì)精制硫酸鎳生產(chǎn)系統中的應用，使得復雜的控制過(guò)程變得簡(jiǎn)單、維護更加方便。

　　關(guān)鍵詞：SIMATIC PCS7 CFC SFC PID S7-400H 冗余 硫酸鎳生產(chǎn)

　　引言

　　SIMATIC PCS7是西門(mén)子的新一代控制系統，是以邏輯方式將以TELEPERM系列集散系統和S5、S7系列PLC為基礎的系統所獲得的經(jīng)驗集中起來(lái)并進(jìn)一步發(fā)展而成的。它結合最先進(jìn)的電子制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、計算機技術(shù)和先進(jìn)自動(dòng)化控制理論，是為適應各種不同工業(yè)領(lǐng)域的所有控制任務(wù)而專(zhuān)門(mén)設計的。

　　1、精制硫酸鎳生產(chǎn)工藝控制簡(jiǎn)介及對控制系統的要求

　　利用濕法冶金生產(chǎn)精制硫酸鎳，對硫酸鎳的生產(chǎn)工藝控制要求非常高。在以往的生產(chǎn)中，所有工序完全由人工來(lái)進(jìn)行操作，因此造成工藝參數的波動(dòng)性較大，影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。生產(chǎn)精制硫酸鎳要求對生產(chǎn)工藝中關(guān)鍵的工序，如皂化過(guò)程兩種介質(zhì)的流量、萃取箱的攪拌頻率控制和進(jìn)入萃取箱的物種介質(zhì)的流量、結晶過(guò)程中的循環(huán)水流量、蒸發(fā)的進(jìn)液與補液等工藝參數和操作需進(jìn)行閉環(huán)控制，以便實(shí)現對這幾道工序工藝參數的嚴格控制，達到生產(chǎn)工藝的嚴格控制，并且整個(gè)硫酸鎳生產(chǎn)過(guò)程均須在DCS系統進(jìn)行集中顯示控制，生產(chǎn)過(guò)程參數、電動(dòng)設備的操作、電動(dòng)設備的運行參數都可在中央控制室實(shí)現集中顯示、報警與控制。另外，現場(chǎng)所使用的幾套有獨立自動(dòng)控制系統的設備需和DCS中央控制室進(jìn)行PROFIBUS通訊連接，在中央控制室進(jìn)行監測，從而實(shí)現中央控制室對整個(gè)硫酸鎳生產(chǎn)過(guò)程的監測和控制。

　　2、 系統設計：

　　根據濕法防腐冶煉生產(chǎn)環(huán)境及工藝要求，要確保生產(chǎn)線(xiàn)設備不間斷運行。據此并考慮項目整體性?xún)r(jià)比，對控制系統中的主控制器、電源、網(wǎng)絡(luò )層、組態(tài)軟件等均采用冗余配置?？刂葡到y硬件在設計時(shí)重點(diǎn)考慮其抗干擾能力強、系統硬件故障報警、所有模塊支持熱插拔、防護等級高等特性;控制系統軟件設計時(shí)重點(diǎn)考慮其可靠性高、抗病毒能力強、在控制系統出現故障時(shí)報警，并使主控制器在出現故障時(shí)自動(dòng)調用內部相應組織塊作中斷處理后自動(dòng)切換并繼續運行而不會(huì )導致停機等特性。系統設置一個(gè)ES站和兩個(gè)OS站，并配備相應的系統軟件和組態(tài)軟件，所有設備參數和狀態(tài)的監控均由控制系統完成，而且控制系統具備在線(xiàn)修改能力，新增內容或修改組態(tài)下載后不會(huì )干擾系統的正常運行。

　　系統采用PROFIBUS通訊和ETHERNET通訊兩種通訊方式，CPU和各分布式I/O及各遠程站（變頻器/三菱PLC/OMRON PLC/S7-200）之間通過(guò)PROFIBUS通訊，ES及OS和CPU之間通過(guò)ETHERNET通訊。

　　系統配置結構圖及硬件組態(tài)圖：

　　3、 軟件部分：

　　組態(tài)/編程軟件采用西門(mén)子公司新推出的過(guò)程控制系統SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7為儀表和控制（I&C）裝置提供全集成的工程系統，并支持系統范圍和工廠(chǎng)范圍的項目處理。該工程系統可用于從少量信號到大量信號的所有工廠(chǎng)區域。在工廠(chǎng)的每個(gè)工程階段，從初始配置到運行支持，在項目數據庫上的所有工作都利用相同的工具。而對于I&C的組態(tài)并不是孤立的。開(kāi)放式輸入和輸出功能允許工程系統集成在整個(gè)工廠(chǎng)的現有基礎結構中。SIMATIC PCS7的各種部件是彼此協(xié)調的。STEP7時(shí)基礎部件。SIMATIC PCS7用的工程師工具組是建立在這種基礎上，部件的無(wú)錯誤相互作用是通過(guò)SIEMENS系統一致性測試來(lái)保證的。我們結合PCS7軟件特性，分三個(gè)層級來(lái)處理（Plant View，Component View，Process Object View），這樣使得具體的組態(tài)過(guò)程直接面向工藝過(guò)程。具體設計如下：

　?。?）系統組織塊：

　　當工程項目在創(chuàng )建時(shí)，系統自動(dòng)在BLOCKS中加入系統組織塊（OB1/OB32/

　　OB35/OB70/ OB72/OB80/OB81/OB82/OB83/OB85/OB86/OB88/OB100/OB121/OB122），使得系統在出現冗余錯誤或其它錯誤時(shí)能及時(shí)調用系統中斷，而不會(huì )導致CPU停機。

　?。?）工藝層級組態(tài)：

　　在Plant View中按照工藝分層對其中各設備分別作組態(tài)，如下圖：

　?。?）儀表數據采集及處理：

　　儀表數據根據其類(lèi)型分別采用系統功能塊FC106/FC105及自定義FC塊作處理，并根據數據的響應時(shí)間分別放置于相應的OB塊中。并在軟件設計時(shí)，將儀表量程及上下限報警值設計在上位監控系統中，可以給用戶(hù)后期維護提供方便。

　?。?）通訊處理：

　　因項目的通訊量較大，部分站的通訊距離較遠，為防止遠程站出問(wèn)題而導致整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò )癱瘓，所以加入RS485中繼器進(jìn)行隔離。并在設置通訊速率時(shí)考慮距離較遠均設置為500kbps。將通訊放置在OB32塊中，可以防止因通訊數據量大而導致網(wǎng)絡(luò )堵塞。其中對于變頻器的許多控制要通過(guò)通訊來(lái)實(shí)現，在變頻器中加入支持Profibus協(xié)議的通訊卡，完全可以實(shí)現變頻器的啟?？刂萍案鞣N運行參數的采集。

　?。?）連續功能圖（CFC）

　　CFC是SIMATIC PCS7用的面向過(guò)程的圖形組態(tài)工具。利用CFC可將自動(dòng)化解決方案直接轉換成可執行的程序。為此，現成的功能塊可置于CFC圖形上，參數化和功能強大的自動(dòng)路由選擇相連接，集成報警配置和符合IEC1131-3的全面測試和起動(dòng)功能。

　?。?）順序控制SFC及PID控制：

　　在冶金行業(yè)，大部分的工藝過(guò)程都是非連續操作的控制過(guò)程，也就是在連續控制的工廠(chǎng)中，只有部分任務(wù)經(jīng)常由順序控制系統控制。對于部分的順序控制，我們直接調用PCS7中的SFC（順序功能圖）塊來(lái)完成。SFC是用于順序控制的生產(chǎn)過(guò)程包括生產(chǎn)順序控制的簡(jiǎn)單圖形。即我們根據工藝控制要求，在SFC塊中只需要輸入相應的邏輯條件，就可以完成其順序控制過(guò)程，而不需要我們編寫(xiě)復雜的控制程序。在硫酸鎳的生產(chǎn)過(guò)程中，結晶機降溫曲線(xiàn)的控制要求特別嚴格，工藝要求：降溫時(shí)分快速降溫和慢速降溫，并要在規定時(shí)間內降到工藝要求溫度。降溫途徑是通過(guò)調節閥進(jìn)冷卻循環(huán)水來(lái)完成。我們可以將SFC和CFC（連續功能圖）結合起來(lái)，是工廠(chǎng)配置一種理想組合，SFC和wincc一起，為順序控制的操作員控制和可視化提供了集成的解決方案。

　　PID控制，在冶金/化工行業(yè)都是很重要的控制過(guò)程。而PID程序的編制及上位系統的設計都是很麻煩的過(guò)程。對此，我們直接調用PCS7 Library中的標準塊來(lái)完成，經(jīng)過(guò)編譯后可直接在上位系統中生成PID標準控制界面。結晶工序中調節閥的開(kāi)度、皂化、萃取工序中的流量、頻率控制都使用了PID控制進(jìn)行調節。（如圖示）

　?。?）上位監控畫(huà)面：

　　上位監控系統的控制菜單都是通過(guò)在Plant View中建立，編譯后自動(dòng)生成，而不需要我們再手動(dòng)去一一建立。且PCS7的上位監控畫(huà)面布局都是標準的上、中、下布局方式。（如圖示）

　　選用SIMATIC PCS7實(shí)現硫酸鎳生常過(guò)程控制完全達到設計要求，SIMATIC PCS7的采用使得精制硫酸鎳的生產(chǎn)控制過(guò)程安全可靠，具有良好的可操作性。良好的控制性能使各工序工藝（萃取、結晶） 指標顯著(zhù)提高，明顯的提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。強大的通訊功能使各獨立的生產(chǎn)單元設備（離心、除油、包裝、水處理、過(guò)濾機）協(xié)調統一，集中監測，達到了硫酸鎳生產(chǎn)過(guò)程集中監測的目的。先進(jìn)的控制理念使龐大的生產(chǎn)工藝控制過(guò)程簡(jiǎn)單、維護簡(jiǎn)單。

　　4、結束語(yǔ)：

　　隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的飛速進(jìn)步，自動(dòng)化控制的概念也發(fā)生著(zhù)巨大的變化。在傳統的自動(dòng)化解決方案中，自動(dòng)化控制實(shí)際上是由各種獨立的、分離的技術(shù)和不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品來(lái)搭配起來(lái)的，比如一個(gè)大型工廠(chǎng)（目前金川公司控制系統的設計與實(shí)現）經(jīng)常是由過(guò)程控制系統、可編程控制器、監控計算機、SCADA 系統和人機界面產(chǎn)品共同進(jìn)行控制的。為了把所有這些產(chǎn)品組合在一起，需要采用各種類(lèi)型和不同廠(chǎng)商的接口軟件和硬件來(lái)連接、配置和調試。全集成自動(dòng)化思想就是用一種系統或者一個(gè)自動(dòng)化平臺完成原來(lái)由多種系統搭配起來(lái)才能完成的所有功能——這就是PCS7的解決方案。應用這種解決方案，可以大大簡(jiǎn)化系統的結構，減少大量接口部件，應用全集成自動(dòng)化可以克服上位機和工業(yè)控制器之間、連續控制和邏輯控制之間、集中控制與分散控制之間的界限。同時(shí)，全集成自動(dòng)化解決方案還可以為所有的自動(dòng)化應用提供統一的技術(shù)環(huán)境，這主要包括：

　　◆ 統一的數據管理

　　◆ 統一的通信

　　◆ 統一的組態(tài)和編程軟件

　　基于這種環(huán)境，各種各樣不同的技術(shù)可以在一個(gè)用戶(hù)接口下，集成在一個(gè)有全局數據庫的總體系統中。工程技術(shù)人員可以在一個(gè)平臺下對所有應用進(jìn)行組態(tài)和編程。由于應用一個(gè)組態(tài)平臺，工程變得簡(jiǎn)單，培訓費用也大大降低。

　　該系統已在生產(chǎn)線(xiàn)上得到實(shí)際使用，在該系統中PCS7控制系統充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場(chǎng)調試的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統的穩定性帶來(lái)較大的益處。這種方法對其它生產(chǎn)線(xiàn)或設備的控制有一定的參考作用。

　　參考文獻

　　1、西門(mén)子PCS7過(guò)程控制系統

　　2、SIEMENS SIMATIC S7-400H 可編程控制器

　　3、《金川集團30kt/a高品質(zhì)精制硫酸鎳科研報告》，北京有色工程設計院。