摘要：本文簡要介紹了全集成自動化控制系統(tǒng)PCS7在山東海化天祥化工廠5萬噸/年苯胺裝置中的應用，PCS7系統(tǒng)的全集成性和開放性及強大功能在本項目中得到了充分應用，PCS7組態(tài)的方便性和多種工具的應用也為控制技術人員的集成、組態(tài)和調(diào)試帶來了很大方便。本文著重介紹了本項目的兩個重點：IO冗余和控制網(wǎng)的監(jiān)控。 關鍵詞：全集成自動化 PCS7 IO冗余 控制網(wǎng) 　　 一、項目簡介 山東?；煞萦邢薰咀湓谑澜缰娘L箏之都山東省濰坊市西北部渤海萊洲灣南畔，是由國有特大型企業(yè)山東?；瘓F有限公司作為獨家發(fā)起人，于1998年5月在深圳證券交易所掛牌交易的上市公司.下設純堿廠、天祥化工廠等多家子公司。 　　 山東?；?，以發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟為主導，致力于發(fā)展海洋化工，依托當?shù)氐锰飒毢竦柠}資源優(yōu)勢，成功開發(fā)出以純堿為主導產(chǎn)品核心，以溴素、三聚氰胺、氯化鈣、硝酸鈉、亞硝酸鈉等主要產(chǎn)品為輔助，由堿系列、溴系列、苦鹵化工、精細化工等產(chǎn)品構成的產(chǎn)品系列。純堿、溴素、溴化物、氯化鈣、三聚氰胺等多種產(chǎn)品的市場占有率雄居全國首位。 　　 進入21世紀以后，山東?；涌炝税l(fā)展的步伐，先后上馬了純堿廠60萬噸/年純堿項目，天祥化工廠4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項目。 　　 同時山東?；c西門子的合作也進入了一個新階段，以上這四套裝置的DCS系統(tǒng)全部采用了西門子PCS7，主要由上海西門子工業(yè)自動化有限公司集成。山東?；儔A廠60萬噸/年純堿裝置已于2004年初投入運行，三年來取得了很好的經(jīng)濟運行效果，使純堿廠成為亞洲最大的純堿生產(chǎn)廠。山東海化天祥化工廠，成立于2004，致力于化工產(chǎn)品生產(chǎn)。先后建設了4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項目。為山東?；蚧ぎa(chǎn)業(yè)的縱深發(fā)展邁出了堅實的步伐。 　　 上海西門子工業(yè)自動化有限公司近年來完成了多個化工裝置的控制系統(tǒng)，如江蘇梅蘭離子膜一期、二期，江蘇梅蘭PTFE，山東亞星離子膜，山東亞星雙氧水，上海賽科空分等，具備化工裝置控制系統(tǒng)集成的較強實力和豐富經(jīng)驗。這些項目的成功實施同時也證明了PCS7在化工領域運用的優(yōu)越性。 二、生產(chǎn)工藝 苯胺裝置采用化學工業(yè)第二設計院提供的生產(chǎn)工藝，該工藝主要分為硝化單元、還原單元、精制單元、廢酸濃縮單元、廢水處理單元和氫壓機單元。各單元簡介如下： 1．硝化單元 苯和硝酸反應（83％的硫酸作為催化劑），生成硝基苯，并產(chǎn)生68－70％的廢酸。 2．還原單元 硝基苯經(jīng)過初餾塔和精餾塔精制后成為精硝基苯；精硝基苯加氫還原（單銅硅膠為催化劑），生成粗苯胺。 3．精制單元 粗苯胺經(jīng)過脫水塔和精餾塔精制后成為精苯胺，精苯胺為最終產(chǎn)品。 4．廢酸濃縮單元 廢酸經(jīng)提取去除硝酸后蒸發(fā)成為83％的硫酸，再供硝化使用； 5．廢水處理單元 在硝化反應中產(chǎn)生的廢水，經(jīng)廢水汽提塔回收部分硝基苯后去污水處理單元進行處理。 6．氫壓機單元 共4各氫壓機組，用于氫氣的壓縮，壓縮空氣供加氫還原使用。由于苯胺裝置具有易燃易爆的特點，在本體設計時增加了很多防爆的安全裝置，如采用加固裝置、安全閥、防爆閥和信號隔離等。同時還采取了德國HIMA提供的ESD緊急停車系統(tǒng)，以降低裝置運行的風險。ESD通過Modbus和DCS進行通訊。 三、控制系統(tǒng)構成 　　 該裝置監(jiān)控系統(tǒng)為SIEMENS PCS7 V6.1 SP1。 　　 SIEMENS PCS（Process Control System）7系統(tǒng)是面向工業(yè)過程的分布式的全集成控制系統(tǒng)，它綜合了DCS、PLC及現(xiàn)場總線的技術。 　　 開放式網(wǎng)絡結構、開放式操作系統(tǒng)以及開放式接口使公司范圍內(nèi)，即從生產(chǎn)級到管理級的整個信息系統(tǒng)最優(yōu)化；在全集成自動化的環(huán)境下，采用統(tǒng)一的自動化平臺實現(xiàn)對整個工廠的自動化控制和管理。 　　 全集成自動化方案就是用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能。應用這種解決方案，可以大大簡化系統(tǒng)的結構，減少了大量接口部件，應用全集成自動化可以克服上位機和各工業(yè)控制器之間，連續(xù)控制和邏輯控制之間，集中與分散之間的界限。同時，全集成自動化解決方案還可以為所有的自動化應用提供統(tǒng)一的技術環(huán)境，基于這種環(huán)境，技術人員可以在同一個平臺下對所有應用進行組態(tài)和編程。 　　 本監(jiān)控系統(tǒng)采用了西門子400系列冗余控制器:2套CPU 417-4H（儀表部分YB1、YB2）和1套CPU 414-4H（電氣部分DQ）。 　　 系統(tǒng)結構如下： 本控制系統(tǒng)的特點是：CPU冗余、電源冗余、I/O冗余、Profibus-DP冗余、以太網(wǎng)冗余、服務器冗余，冗余SERVER-CLIENT結構，雙層網(wǎng)絡結構，控制網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)、終端網(wǎng)絡為局域網(wǎng)。穩(wěn)定性顯而易見，同時還具有很強的擴展性和移植性。 　　 DCS系統(tǒng)通過西門子通訊卡件CP341和ESD系統(tǒng)通訊,采用Modbus485通訊協(xié)議，組態(tài)設置和編程都十分簡單易懂。ESD把自身的狀態(tài)及其采集的信號狀態(tài)、ESD報警和動作等信息通訊給DCS，以方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題并采用相應措施以維持裝置的安全運行。 　　 下圖為YB1 CPU柜的前視圖： 下圖為YB1硬件配置圖： 四、控制系統(tǒng)完成的重點分析 　　 基于苯胺裝置的危險性，在工程之初，設計院、?；煜榛S及上海西門子工業(yè)自動化有限公司就對監(jiān)控系統(tǒng)的安全性能做了深入分析，采用了大量的安全柵、繼電器以隔離防爆；同時增強了監(jiān)控系統(tǒng)的冗余，特別是IO冗余。同時?；煜榛S的工程師還提出了控制網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控。 　　 這里，就IO冗余和控制網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)監(jiān)控作一些分析。 　　 1. IO 冗余下圖為IO冗余結構示意圖，冗余卡件的使用，使得當一個卡件或通道故障時相應的IO信號仍然能夠保持正常。 本項目中，用到了AI冗余、AO冗余、DO冗余和Modbus冗余，這里以AI冗余為例說明。AI冗余分為帶有冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式： 和接入非冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式： 在本項目中，模擬量輸入為4線制或2線制4－20mA信號，傳感器不冗余，AI卡件為6ES7 331-7KF02-0AB0，故采用了第二種方式中的間接電流測量方式。 　　 1.1 硬件設計 下圖為接線原理圖: 由于一個信號要接入兩個卡件，所以我們采用了冗余端子，AI冗余端子結構如下（僅為示意圖，冗余端子可由有資質(zhì)的柜廠訂做或者向有資質(zhì)的第三方購買）：（R1、R2為250歐姆） 當信號為4－20mA 2線制時，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應通道） 當信號為4－20mA 4線制時，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應通道） 1．2 組態(tài)設置 設置控制器過程影像分區(qū)： 卡件冗余設置： 輸入設置，在本項目中測量類型應為1－5V電壓類型而非4－20mA電流型： 地址設置，過程影像區(qū)設為PIP1： 注：以上設置只對主卡件（低地址）設置，可以認為備用卡件不存在。 1．3 CFC 　　 在CFC中，只需對冗余IO的低地址進行組態(tài)，可以認為高地址的卡件不存在；且冗余IO的驅(qū)動塊必須放在和卡件過程影像區(qū)對應的OB中，否則有可能出現(xiàn)信號不穩(wěn)定。本項目中，卡件過程影像區(qū)為PIP1，對應的OB為OB35,所以驅(qū)動塊應放在OB35中。如下圖所示： 2. Plant Bus環(huán)網(wǎng)監(jiān)控 　　 2．1 OSM狀態(tài)監(jiān)視 　 2．1．1 OSM設置 　　 運行PST工具s7wnpstx.exe（該工具可以從西門子網(wǎng)站上免費下載），設置OSM的地址。具體步驟可參見其幫助信息，這里不一一說明。 打開IE EXPLORER，輸入http://192.168.0.201/，打開如上網(wǎng)頁，Login ID為admin，Password默認為admin。在如下的OSM配置頁面內(nèi)可以對OSM進行具體配置，如，是否監(jiān)視電源輸入，是否監(jiān)視兩個光纖口的狀態(tài)，等等。 2．1．2 OPC設置 添加OPC SNMP節(jié)點OSM，做相應設置并Export Tags for Wincc（具體步驟略）。 經(jīng)過以上步驟，在Wincc項目中生成了OPC連接Simatic_OpcsvrConn，如下圖所示： 參數(shù)SNMP_OSM.snOsmFaultState的值在OSM正常時為1，故障時為2。 2．1．3 注冊OSM OCX控件 　　 在Graphics Designer 中，注冊OSM_Control_1_active X.ocx（該控件可從西門子網(wǎng)站下載），并在相應畫面中添加該控件，且設置如下。 運行后，可監(jiān)視OSM狀態(tài)。點擊該圖標，OSM具體狀態(tài)如下。 2．2 環(huán)網(wǎng)監(jiān)控 　　 2．2．1 OPC Scout 　　 運行OPC Scout，把OSM的相關參數(shù)添加到OPC，并生成連接OPC_SimaticNet，如下圖（具體步驟略）。 2．2．2 畫面組態(tài) 　　 參數(shù)OSMsnRmState在環(huán)網(wǎng)正常時的值為1，環(huán)網(wǎng)故障時為2，因此可在畫面中組態(tài)以判斷環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。 　　 在相應畫面添加一個Ellipse代表環(huán)網(wǎng)，其Flashing屬性的Flashing Line Active設置如下動態(tài)連接，就可以監(jiān)視環(huán)網(wǎng)狀態(tài)了。 　　 動態(tài)屬性設置如下： 畫面監(jiān)視如下： 2．3 OSM及環(huán)網(wǎng)的報警 　　 可以通過Global Script把SNMP_OSM.snOsmFaultState和OSMsnRmState的值讀取到某個DB塊中，再通過CFC可以對OSM狀態(tài)及環(huán)網(wǎng)狀態(tài)進行監(jiān)視并進行聲音報警設置等。 五、項目運行 　　 該苯胺裝置已于2006年10下旬進行試車，監(jiān)控系統(tǒng)運行正常。 　　 六、應用體會 　　 全集成的過程控制系統(tǒng)PCS7為用戶提供了統(tǒng)一的平臺，它的開放性和組態(tài)功能的強大在本項目中得到了充分應用。 　　 SIMATIC PCS7是西門子公司結合最先進的計算機軟、硬件技術，在西門子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統(tǒng)的基礎上，面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統(tǒng)。 SIMATIC PCS7采用優(yōu)秀的上位機軟件WinCC作為操作和監(jiān)控的人機界面，利用開放的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和系統(tǒng)通訊，采用S7自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。 　　 SIMATIC PCS7是基于全集成自動化思想的系統(tǒng)，其集成的核心是統(tǒng)一的過程數(shù)據(jù)庫和唯一的數(shù)據(jù)庫管理軟件，所有的系統(tǒng)信息都存儲于一個數(shù)據(jù)庫中而且只需輸入一次，這樣就大大增強了系統(tǒng)的整體性和信息的準確性。 　　 SIMATIC PCS7的通訊系統(tǒng)采用的是工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場總線。工業(yè)以太網(wǎng) 用于系統(tǒng)站之間的數(shù)據(jù)通訊。 　　 SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言?，F(xiàn)場設備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等標準接口，并且應用以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線等開放網(wǎng)絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統(tǒng)和其它廠廠商的控制系統(tǒng)。 　　 全集成自動化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡總圖操作員站和服務器采用客戶機/服務器結構，客戶機與服務器之間通過100MHz以太網(wǎng)通訊.服務器與AS417H自動化系統(tǒng)的CPU之間采用光纜介質(zhì)連接，通過100MHz的工業(yè)以太網(wǎng)來交換數(shù)據(jù).PCS7系統(tǒng)的工程師站同時掛在兩個網(wǎng)絡上，即連接客戶機/服務器的100MHz以太網(wǎng)和連接自動化系統(tǒng)的CPU的100MHz工業(yè)以太網(wǎng)。工程師站可以完成控制畫面和控制策略的組態(tài)。 　　 AS417H自動化系統(tǒng)與遠程I/O子站的通訊采用PROFIBUS-DP。AS417H通過PROFIBUS-DP的專用雙絞線直接與遠程I/O子站相連接.其它AS417H將通過冗余的光纜和冗余的接口模塊與各自的遠程I/O子站進行通訊，滿足分散控制系統(tǒng)技術規(guī)范書中（1.5工廠及裝置簡況）提出的要求。 　　 SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言SCL。SCL是一種類PASCAL的高級語言，它采用IEC－1131的標準。利用SCL可以很方便地編制用戶功能塊。用SCL生成的功能塊可在CFC中被多次調(diào)用。用戶可以把過程的數(shù)學模型和優(yōu)化控制策略用SCL編成功能塊，直接下載到控制器中運行。這樣，可以把過程的優(yōu)化控制放在控制器中，全面實現(xiàn)對工藝過程的優(yōu)化控制。如能熟練使用連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言SCL就可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。許多工藝控制上的難點就會迎刃而解。 附件 苯胺裝置正面圖： 精餾塔和循環(huán)硫化床： 還原畫面：（由于牽涉到技術秘密，天祥化工廠不允許拷貝運行的畫面，這里以組態(tài)界面代替） 系統(tǒng)連鎖畫面：