PCS7 过程控制系统在湿法冶金行业的应用

1 引言    SIMATIC PCS7是西门子的新一代控制系统，是以逻辑方式将以TELEPERM系列集散系统和S5、S7系列PLC为基础的系统所获得的经验集中起来并进一步发展而成的。它结合最先进的电子制造技术、网络通信技术、图形图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论，是为适应各种不同工业领域的所有控制任务而专门设计的。 2  精制硫酸镍生产工艺控制简介及对控制系统的要求    利用生产精制硫酸镍，对硫酸镍的生产工艺控制要求非常高。在以往的生产中，所有工序完全由人工来进行操作，因此造成工艺参数的波动性较大，影响产品的最终质量。生产精制硫酸镍要求对生产工艺中关键的工序，如皂化过程两种介质的流量、萃取箱的搅拌频率控制和进入萃取箱的物种介质的流量、结晶过程中的循环水流量、蒸发的进液与补液等工艺参数和操作需进行闭环控制，以便实现对这几道工序工艺参数的严格控制，达到生产工艺的严格控制，并且整个硫酸镍生产过程均须在DCS系统进行集中显示控制，生产过程参数、电动设备的操作、电动设备的运行参数都可在中央控制室实现集中显示、报警与控制。另外，现场所使用的几套有独立自动控制系统的设备需和DCS中央控制室进行PROFIBUS通讯连接，在中央控制室进行监测，从而实现中央控制室对整个硫酸镍生产过程的监测和控制。 3  系统设计    根据湿法防腐冶炼生产环境及工艺要求，要确保生产线设备不问断运行。据此并考虑项目整体性价比，对控制系统中的主控制器、电源、网络层、组态软件等均采用冗佘配置。控制系统硬件在设计时重点考虑其抗干扰能力强、系统硬件故障报警、所有模块支持热插拔、防护等级高等特性；控制系统软件设计时重点考虑其可靠性高、抗病毒能力强、在控制系统出现故障时报警，并使主控制器在出现故障时自动调用内部相应组织块作中断处理后自动切换并继续运行而不会导致停机等特性。系统设置一个ES站和两个OS站，并配备相应的系统软件和组态软件，所有设备参数和状态的监控均由控制系统完成，而且控制系统具备在线修改能力，新增内容或修改组态下载后不会干扰系统的正常运行。    系统采用PROFIBUS通讯和ETHERNET通讯两种通讯方式，CPU和各分布式I/O及各远程站（变频器/三菱PLC/OMRON PLC/S7-200）之间通过PROFIBUS通讯，ES及OS和CPU之间通过ETHERNET通讯。    系统配置结构图及硬件组态图如图1。

4  软件部分    组态/编程软件采用西门子公司新推出的过程控制系统SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7为仪表和控制（I＆C）装置提供全集成的工程系统，并支持系统范围和工厂范围的项目处理。该工程系统可用于从少量信号到大量信号的所有工厂区域。在工厂的每个工程阶段，从初始配置到运行支持，在项目数据库上的所有工作都利用相同的工具。而对于I＆C的组态并不是孤立的。开放式输入和输出功能允许工程系统集成在整个工厂的现有基础结构中。SIMATIC PCS7的各种部件是彼此协调的。STEP7时基础部件。SIMATIC PCS7用的工程师工具组是建立在这种基础上，部件的无错误相互作用是通过SIEMENS系统一致性测试来保证的。我们结合PCS7软件特性，分三个层级来处理（Plant View，Component View，Process Object View），这样使得具体的组态过程直接面向工艺过程。具体设计如下： 4.1  系统组织块    当工程项目在创建时，系统自动在BLOCKS中加入系统组织块（OB1／OB32／IB35／OB70／OB72／OB80／OB81／OB82／OB83／OB85／OB86／OB88／OB100／OB121／OB122），使得系统在出现冗余错误或其它错误时能及时调用系统中断，而不会导致CPU停机。 4.2  工艺层级组态    在Plant View中按照工艺分层对其中各设备分别作组态，如图2：

4.3  仪表数据采集及处理    仪表数据根据其类型分别采用系统功能块FC106／FC105及自定义FC块作处理，并根据数据的响应时间分别放置于相应的OB块中。并在软件设计时，将仪表量程及上下限报警值设计在上位监控系统中，可以给用户后期维护提供方便。 4.4  通讯处理    因项目的通讯量较大，部分站的通讯距离较远，为防止远程站出问题而导致整个通讯网络瘫痪，所以加入RS485中继器进行隔离。并在设置通讯速率时考虑距离较远均设置为500kbps。将通讯放置在OB32块中，可以防止因通讯数据量大而导致网络堵塞。其中对于变频器的许多控制要通过通讯来实现，在变频器中加入支持Profibus协议的通讯卡，完全可以实现变频器的启停控制及各种运行参数的采集。 4.5  连续功能图（CFC）    CFC是SIMATIC PCS7用的面向过程的图形组态工具。利用CFC可将自动化解决方案直接转换成可执行的程序。为此，现成的功能块可置于CFC图形上，参数化和功能强大的自动路由选择相连接，集成报警配置和符合IEC1131-3的全面测试和起动功能。 4.6  顺序控制SFC及PID控制    在冶金行业，大部分的工艺过程都是非连续操作的控制过程，也就是在连续控制的工厂中，只有部分任务经常由顺序控制系统控制。对于部分的顺序控制，我们直接调用PCS7中的SFC（顺序功能图）块来完成。SFC是用于顺序控制的生产过程包括生产顺序控制的简单图形。即我们根据工艺控制要求，在SFC块中只需要输入相应的逻辑条件，就可以完成其顺序控制过程，而不需要我们编写复杂的控制程序。在硫酸镍的生产过程中，结晶机降温曲线的控制要求特别严格，工艺要求：降温时分快速降温和慢速降温，并要在规定时间内降到工艺要求温度。降温途径是通过调节阀进冷却循环水来完成。我们可以将SFC和CFC（连续功能图）结合起来，是工厂配置一种理想组合，SFC和Wincc一起，为顺序控制的操作员控制和可视化提供了集成的解决方案。    PID控制，在冶金/化工行业都是很重要的控制过程。而PID程序的编制及上位系统的设计都是很麻烦的过程。对此，我们直接调用PCS7 Library中的标准块来完成，经过编译后可直接在上位系统中生成PID标准控制界面。结晶工序中调节阀的开度、皂化、萃取工序中的流量、频率控制都使用了PID控制进行调节（如图4）。

4.7  上位监控画面    上位监控系统的控制菜单都是通过在Plant View中建立，编译后自动生成，而不需要我们再手动去一一建立。且PCS7的上位监控画面布局都是标准的上、中、下布局方式（如图5）。

   选用SIMATIC PCS7实现硫酸镍生常过程控制完全达到设计要求，SIHATIC PCS7的采用使得精制硫酸镍的生产控制过程安全可靠，具有良好的可操作性。良好的控制性能使各工序工艺（萃取、结晶）指标显著提高，明显的提高了产品的质量。强大的通讯功能使各独立的生产单元设备（离心、除油、包装、水处理、过滤机）协调统一，集中监测，达到了硫酸镍生产过程集中监测的目的。先进的控制理念使庞大的生产工艺控制过程简单、维护简单。 5  结束语    随着自动化技术的不断发展和计算机技术的飞速进步，自动化控制的概念也发生着巨大的变化。在传统的自动化解决方案中，自动化控制实际上是由各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品来搭配起来的，比如一个大型工厂（目前金川公司控制系统的设计与实现）经常是由过程控制系统、可编程控制器、监控计算机、SCADA系统和人机界面产品共同进行控制的。为了把所有这些产品组合在一起，需要采用各种类型和不同厂商的接口软件和硬件来连接、配置和调试。全集成自动化思想就是用一种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能一一这就是PCS7的解决方案。应用这种解决方案，可以大大简化系统的结构，减少大量接口部件，应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中控制与分散控制之间的界限。同时，全集成自动化解决方案还可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境，这主要包括：    （1）统一的数据管理    （2）统一的通信    （3）统一的组态和编程软件    基于这种环境，各种各样不同的技术可以在一个用户接口下，集成在一个有全局数据库的总体系统中。工程技术人员可以在一个平台下对所有应用进行组态和编程。由于应用一个组态平台，工程变得简单，培训费用也大大降低。    该系统已在生产线上得到实际使用，在该系统中PCS7控制系统充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。这种方法对其它生产线或设备的控制有一定的参考作用。