摘 要：在傳統(tǒng)的工業(yè)控制中，一般都是由上位監(jiān)控軟件和下位編程軟件通過中間驅(qū)動(dòng)程序來完成控制的，而SIMATIC PCS7 是新一代的過程控制系統(tǒng)。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(tǒng)的控制系統(tǒng)，各種控制過程功能全面，維護(hù)簡(jiǎn)單。本文介紹了SIMATIC PCS7 在甘肅省金川集團(tuán)公司30kt/a高品質(zhì)精制硫酸鎳生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得復(fù)雜的控制過程變得簡(jiǎn)單、維護(hù)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是西門子的新一代控制系統(tǒng)，是以邏輯方式將以TELEPERM系列集散系統(tǒng)和S5、S7系列PLC為基礎(chǔ)的系統(tǒng)所獲得的經(jīng)驗(yàn)集中起來并進(jìn)一步發(fā)展而成的。它結(jié)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(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)自動(dòng)化控制理論，是為適應(yīng)各種不同工業(yè)領(lǐng)域的所有控制任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的。

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

利用濕法冶金生產(chǎn)精制硫酸鎳，對(duì)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進(jìn)行操作，因此造成工藝參數(shù)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(duì)生產(chǎn)工藝中關(guān)鍵的工序，如皂化過程兩種介質(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(jié)晶過程中的循環(huán)水流量、蒸發(fā)的進(jìn)液與補(bǔ)液等工藝參數(shù)和操作需進(jìn)行閉環(huán)控制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)這幾道工序工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制，達(dá)到生產(chǎn)工藝的嚴(yán)格控制，并且整個(gè)硫酸鎳生產(chǎn)過程均須在DCS系統(tǒng)進(jìn)行集中顯示控制，生產(chǎn)過程參數(shù)、電動(dòng)設(shè)備的操作、電動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)都可在中央控制室實(shí)現(xiàn)集中顯示、報(bào)警與控制。另外，現(xiàn)場(chǎng)所使用的幾套有獨(dú)立自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)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(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)中央控制室對(duì)整個(gè)硫酸鎳生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)和控制。

2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)濕法防腐冶煉生產(chǎn)環(huán)境及工藝要求，要確保生產(chǎn)線設(shè)備不間斷運(yùn)行。據(jù)此并考慮項(xiàng)目整體性價(jià)比，對(duì)控制系統(tǒng)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(tǒng)硬件在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮其抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)硬件故障報(bào)警、所有模塊支持熱插拔、防護(hù)等級(jí)高等特性;控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮其可靠性高、抗病毒能力強(qiáng)、在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警，并使主控制器在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)調(diào)用內(nèi)部相應(yīng)組織塊作中斷處理后自動(dòng)切換并繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)導(dǎo)致停機(jī)等特性。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)ES站和兩個(gè)OS站，并配備相應(yīng)的系統(tǒng)軟件和組態(tài)軟件，所有設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)控均由控制系統(tǒng)完成，而且控制系統(tǒng)具備在線修改能力，新增內(nèi)容或修改組態(tài)下載后不會(huì)干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)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(yuǎn)程站（變頻器/三菱PLC/OMRON PLC/S7-200）之間通過PROFIBUS通訊，ES及OS和CPU之間通過ETHERNET通訊。

系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖及硬件組態(tài)圖：

3、 軟件部分

組態(tài)/編程軟件采用西門子公司新推出的過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7為儀表和控制（I&C）裝置提供全集成的工程系統(tǒng)，并支持系統(tǒng)范圍和工廠范圍的項(xiàng)目處理。該工程系統(tǒng)可用于從少量信號(hào)到大量信號(hào)的所有工廠區(qū)域。在工廠的每個(gè)工程階段，從初始配置到運(yùn)行支持，在項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)上的所有工作都利用相同的工具。而對(duì)于I&C的組態(tài)并不是孤立的。開放式輸入和輸出功能允許工程系統(tǒng)集成在整個(gè)工廠的現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中。SIMATIC PCS7的各種部件是彼此協(xié)調(diào)的。STEP7時(shí)基礎(chǔ)部件。SIMATIC PCS7用的工程師工具組是建立在這種基礎(chǔ)上，部件的無錯(cuò)誤相互作用是通過SIEMENS系統(tǒng)一致性測(cè)試來保證的。我們結(jié)合PCS7軟件特性，分三個(gè)層級(jí)來處理（Plant View，Component View，Process Object View），這樣使得具體的組態(tài)過程直接面向工藝過程。具體設(shè)計(jì)如下：

（1）系統(tǒng)組織塊

當(dāng)工程項(xiàng)目在創(chuàng)建時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)在BLOCKS中加入系統(tǒng)組織塊（OB1/OB32/OB35/OB70/ OB72/OB80/OB81/OB82/OB83/OB85/OB86/OB88/OB100/OB121/OB122），使得系統(tǒng)在出現(xiàn)冗余錯(cuò)誤或其它錯(cuò)誤時(shí)能及時(shí)調(diào)用系統(tǒng)中斷，而不會(huì)導(dǎo)致CPU停機(jī)。

（2）工藝層級(jí)組態(tài)

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

（3）儀表數(shù)據(jù)采集及處理

儀表數(shù)據(jù)根據(jù)其類型分別采用系統(tǒng)功能塊FC106/FC105及自定義FC塊作處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間分別放置于相應(yīng)的OB塊中。并在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將儀表量程及上下限報(bào)警值設(shè)計(jì)在上位監(jiān)控系統(tǒng)中，可以給用戶后期維護(hù)提供方便。

（4）通訊處理

因項(xiàng)目的通訊量較大，部分站的通訊距離較遠(yuǎn)，為防止遠(yuǎn)程站出問題而導(dǎo)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(shè)置通訊速率時(shí)考慮距離較遠(yuǎn)均設(shè)置為500kbps。將通訊放置在OB32塊中，可以防止因通訊數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞。其中對(duì)于變頻器的許多控制要通過通訊來實(shí)現(xiàn)，在變頻器中加入支持Profibus協(xié)議的通訊卡，完全可以實(shí)現(xiàn)變頻器的啟?？刂萍案鞣N運(yùn)行參數(shù)的采集。

（5）連續(xù)功能圖（CFC）

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

（6）順序控制SFC及PID控制

在冶金行業(yè)，大部分的工藝過程都是非連續(xù)操作的控制過程，也就是在連續(xù)控制的工廠中，只有部分任務(wù)經(jīng)常由順序控制系統(tǒng)控制。對(duì)于部分的順序控制，我們直接調(diào)用PCS7中的SFC（順序功能圖）塊來完成。SFC是用于順序控制的生產(chǎn)過程包括生產(chǎn)順序控制的簡(jiǎn)單圖形。即我們根據(jù)工藝控制要求，在SFC塊中只需要輸入相應(yīng)的邏輯條件，就可以完成其順序控制過程，而不需要我們編寫復(fù)雜的控制程序。在硫酸鎳的生產(chǎn)過程中，結(jié)晶機(jī)降溫曲線的控制要求特別嚴(yán)格，工藝要求：降溫時(shí)分快速降溫和慢速降溫，并要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降到工藝要求溫度。降溫途徑是通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)冷卻循環(huán)水來完成。我們可以將SFC和CFC（連續(xù)功能圖）結(jié)合起來，是工廠配置一種理想組合，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程。而PID程序的編制及上位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是很麻煩的過程。對(duì)此，我們直接調(diào)用PCS7 Library中的標(biāo)準(zhǔn)塊來完成，經(jīng)過編譯后可直接在上位系統(tǒng)中生成PID標(biāo)準(zhǔn)控制界面。結(jié)晶工序中調(diào)節(jié)閥的開度、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(diào)節(jié)。（如圖示）

6）上位監(jiān)控畫面

上位監(jiān)控系統(tǒng)的控制菜單都是通過在Plant View中建立，編譯后自動(dòng)生成，而不需要我們?cè)偈謩?dòng)去一一建立。且PCS7的上位監(jiān)控畫面布局都是標(biāo)準(zhǔn)的上、中、下布局方式。（如圖示）

選用SIMATIC PCS7實(shí)現(xiàn)硫酸鎳生常過程控制完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，SIMATIC PCS7的采用使得精制硫酸鎳的生產(chǎn)控制過程安全可靠，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(jié)晶） 指標(biāo)顯著提高，明顯的提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。強(qiáng)大的通訊功能使各獨(dú)立的生產(chǎn)單元設(shè)備（離心、除油、包裝、水處理、過濾機(jī)）協(xié)調(diào)統(tǒng)一，集中監(jiān)測(cè)，達(dá)到了硫酸鎳生產(chǎn)過程集中監(jiān)測(cè)的目的。先進(jìn)的控制理念使龐大的生產(chǎn)工藝控制過程簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單。

4、結(jié)束語(yǔ)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，自動(dòng)化控制的概念也發(fā)生著巨大的變化。在傳統(tǒng)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(dú)立的、分離的技術(shù)和不同廠家的產(chǎn)品來搭配起來的，比如一個(gè)大型工廠（目前金川公司控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)）經(jīng)常是由過程控制系統(tǒng)、可編程控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、SCADA 系統(tǒng)和人機(jī)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，需要采用各種類型和不同廠商的接口軟件和硬件來連接、配置和調(diào)試。全集成自動(dòng)化思想就是用一種系統(tǒng)或者一個(gè)自動(dòng)化平臺(tái)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能——這就是PCS7的解決方案。應(yīng)用這種解決方案，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少大量接口部件，應(yīng)用全集成自動(dòng)化可以克服上位機(jī)和工業(yè)控制器之間、連續(xù)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(yīng)用提供統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境，這主要包括：

◆ 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理

◆ 統(tǒng)一的通信

◆ 統(tǒng)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)用戶接口下，集成在一個(gè)有全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的總體系統(tǒng)中。工程技術(shù)人員可以在一個(gè)平臺(tái)下對(duì)所有應(yīng)用進(jìn)行組態(tài)和編程。由于應(yīng)用一個(gè)組態(tài)平臺(tái)，工程變得簡(jiǎn)單，培訓(xùn)費(fèi)用也大大降低。

該系統(tǒng)已在生產(chǎn)線上得到實(shí)際使用，在該系統(tǒng)中PCS7控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。這種方法對(duì)其它生產(chǎn)線或設(shè)備的控制有一定的參考作用。

參考文獻(xiàn)

1、西門子PCS7過程控制系統(tǒng)

2、SIEMENS SIMATIC S7-400H 可編程控制器

3、《金川集團(tuán)30kt/a高品質(zhì)精制硫酸鎳科研報(bào)告》，北京有色工程設(shè)計(jì)院。