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PCS7系統在氟化工行業中的應用
PCS7系統在氟化工行業中的應用
近年來我國的氟化工工業發展迅猛，繼無水氟化氫和二氟一氯甲烷的大發展之后，四氟乙烯和聚四氟乙烯樹脂的生產又將迎來一個新的高潮。生產氟化工行業基礎原料的工業已得到全面技術改造，但是氟樹脂尤其是PTFE生產技術并沒有得到重大突破，這主要是由于聚合釜內反應溫度比較難控制。
國外PTFE聚合釜反應溫度控制在12℃左右，此溫度下聚合的PTFE產品質量好、產量高。但是國內PTFE廠商大多數只能把反應溫度控制在5℃左右。相比之下，產品產量和質量都明顯不足。本文采用西門子集散控制系統PCS7及串級控制，使得反應溫度平穩控制在8℃，提高了產品的產量和質量。
二、工藝簡介
自外管來的氣相TFE單體進單體冷凝器，使用HCFC一22冷凍介質將WE單體冷凝成液體。液相TFE進單體計量槽計量后人單體蒸發器，然后氣化后的TFE進單體過濾器，凈化除去阻聚劑，過濾器中吸附劑采用活性碳。脫除阻聚劑后的TFE送聚合釜進行聚合反應。PTFE聚合助劑經配制槽配制后，用助劑泵(采用變頻調速)送至聚合釜，工業流程如圖1所示。本工程的生產過程中涉及到的易燃易爆原料為四氟乙烯(TFE)單體。在正常大氣壓下，TFE蒸氣和空氣在加進阻聚劑時TFE蒸氣在空氣中所占體積的爆炸范圍為:13.4%--45.4%。未加阻聚劑的TFE單體會自發聚合成二聚物，從而導致爆炸。TFE單體在加人氧氣和增壓后產生過氧化物，干狀下也會分解爆炸。該反應為放熱反應，如果不控制好，極其容易發生爆炸。
為了控制釜內的反應溫度，PTFE聚合釜用-15℃冷凍鹽水進行冷卻，可及時移走異常工況條件下聚合的反應熱。
針對以上情況，為了控制好反應釜的溫度，采用由西門子公司SIMATIC PCS7和現場總線儀表構成的現場總線控制系統。
三、硬件配置
鑒于聚合釜單元在裝置中所處的重要位置，我們充分考慮了系統的安全可靠性，采用以S7-400H為主控制器構成的PCS7冗余控制方案，CPU采用CPU417H,I/0處理單元采用E1200M。為保證系統可靠性，電源和通信采用冗余配置方案，Profibus-DP總線采用光纖通信，保證了系統安全等級的需求。采用雙控制器、雙電源模塊、雙通信模塊，系統具有無擾動切換功能。容錯型和安全型可滿足供電中斷和故障保護等特殊要求，提高系統可靠性。
3.1、上位機系統
本系統的上位機系統采用客戶機/服務器結構，服務器用于保存整個生產過程的數據，客戶機作為操作員接口，用于對工藝過程的操作和監視。上位機系統和控制系統是通過100MHz的工業以太網絡連接，上位機系統由以下主要設備組成：
①操作員站：6臺，安裝在中央控制室；
②服務器：2臺，安裝在中央控制室；
③工程師站：1臺，安裝在中央控制室。
3.2、模件配置
每個ET 200M分布式vo站的有源背板總線上插有兩個IM153通信接口模塊，分別通過兩條獨立的Profibus-DP現場總線與AS-400中央控制站進行實時通信。在系統運行過程中，當其中某一個IM153通信接口模塊發生故障時，系統能自動地切換到另一個IM153通信接口模塊，并可帶電熱插拔更換故障的通信接口模塊，不會影響系統正常運行。
3.3、控制系統
S7-400H按照“熱備份"模式(無沖擊、出現故障自動切換)的活動冗余原理運行。根據這個原理，只要*，兩個子單元都是活動的。如果發生故障，起作用的控制器全面接管過程控制。為了確保無沖擊切換、快速可靠地資料交換，需要使用中央控制器鏈接川。
本方案采用冗余控制站的特點:冗余自動化控制站(AS417-4-2H)用于實現現場設備的運行狀態監測、數據采集及處理、自動閉環回路控制、電氣設備開關控制等系統控制功能。所有控制模塊均封裝在一個牢固而緊湊的塑料殼體內，攜有后備電池盒和存儲器插槽以集成的MPI和Profibus-DP接口。
SIMATIC PCS7過程控制系統允許過程工業和制造工業中全部工廠工序的*自動化。系統具有高度擴展能力、堅固的設計、強大的綜合通信能力、擴展的集成系統功能和易于執行的中央和分散結構。AS417-4-2H更采用了最新的冗余技術，兩個CPU中之間通過高速光纖同步專線相連，其容錯結構對用戶來說是透明的，它可以同標準PCS7系統那樣進行處理、編程和設計。
3.4、電源系統
電源系統將由24V的直流電源構成冗余的24V供電系統，直流電源都將具有足夠的容量和適當的電壓，能滿足設備負載的要求。任一路電源故障都將會報警，二路冗余電源將自動切換，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統的任一部分掉電。
直流電源系統由8臺20A西門子SITOP電源構成冗余供電系統。整個系統供電使用10kV的UPS系統。
四、網絡配置
在本方案中采用光纖傳輸快速交換式工業以太網(100Mbps)作為連接操作員站、工程師和自動化系統站的系統總線。
快速交換式工業以太網在物理層上采用高防護等級的光纖傳輸，網絡為雙環光纖冗余結構。工業以太網卡件上帶有CPU可獨立處理通信信號，為工業用戶提供高水平的通信方案。
快速交換式工業以太網在工業以太網的通信協議基礎上，將通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全雙工并行(FDX)通信模式，允許站點同時發送和接收數據，通信速率可提高一倍。SIMATIC NET在快速以太網上還采用了交換技術，利用交換機模塊將整個網絡分成若干子網，每個子網都可以獨立地形成一個數據通信段，可以大大地提高通信效率。由于普通以太網網段上數據通信阻塞的存在，使得實際通信效率只有40%，采用了全雙工并行通信技術和交換技術后，使得網絡通信能力得以充分的利用。
五、軟件設計
系統的組態軟件為SIMATIC Manager，所有的組態工作均在工程師站上完成。系統采用集中的、從上到下的組態方式，其中包含上位機的操作員站和工程師配置，下位機的CPU設置，對應的1/0通道的建立，與他們相連接網絡配置。具有集中的、友好的人機界面。過程控制與監視的組態采用的是圖形化組態，方便易用。人機接口部分的組態軟件是WinCC。
過程控制與監視的組態包括硬件系統搭建、控制策略實現、各種記錄配置、報表生成及數據歸檔。以下簡要介紹在該控制系統中的幾個軟件設計。
5.1、WinCC組態
以下是TFE聚合反應生成PTFE的部分組態如圖2所示。Siemens PCS7系統采用具有標準化、開放性、性能優秀、功能強大的關系型，分布式數據庫平臺作為數據
圖2 PTFE組態圖
采集、數據處理、數據分析和生產過程控制管理系統的數據庫支撐系統。關系型、分布式數據庫平臺不同于一般的數據庫支撐系統，它能保證系統數據的完整性、一致性和系統各個部分數據的同步性，具備多種形式的數據查詢、數據關聯和數據索引方式。
Siemens PCS7系統采用了Microsoft的SQL Server2000作為數據庫管理系統，該系統能實現完整的數據管理功能，包括能支持在異種網上提供透明的數據管理，確保了數據庫的數據完整性。
5.2、CFC實現串級控制
CFC是一種簡潔的圖形組態工具，它采用了IEC-1131的標準。用CFC有助于節省時間和費用，同時大大地簡化了系統的組態和維護。用CFC進行組態時是以功能塊為基礎的，系統配置了很多預編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現。每個功能塊都有一個參數表，可根據實際工藝要求選擇不同的參數。功能塊之間的連接可以在不同的CFC之間的不同的頁面上進行，連接標記由系統自動標出。因此，采用CFC可以完成很復雜的大型控制任務。CFC主要用于連接過程的自動化控制任務的組態。
在該反應釜中，構建了以釜內溫度為外環，釜內壓力為內環的串級PID控制方案。由于壓力是控制溫度中的一個主要中間變量，所以把壓力作為副控制參數，又因為主要擾動變量是氣體的流量，把該擾動量的主要作用在對象上，這樣就可以更快地克服擾動。副環的作用也就能夠得到很好的發揮。構成該串級控制系統如圖3所示。
5.3、順序控制
SFC也是一種圖形組態工具，它也采用了IEC-1131的標準。SFC主要用于小型的批量操作等順序控制的自動化任務。這種圖形化的組態工具在組態時，首先畫出順控的順序圖，順序圖中，可選擇順序、并行分支、交替分支和回路等局部結構。圖中用大小兩種方塊分別表示步驟(step)和轉移條件(transition)。順控的順序圖一旦建立，只需把步驟中要執行的任務和轉移條件中的條件寫人，順控的組態任務即得到完成。在組態時，由于很多步驟中的任務和轉移條件都與CFC有關，因此，可把CFC中的信號引人SFC中。CFC與SFC的交替使用，可以很方便地實現復雜的順控任務。
整個控制中大部分都是順序控制，所以利用SFC編程相當容易實現，也是部分SFC程序。為了實現控制方案，往往可以使用多種編程方法相結合。
流量擾動環境擾動
六、設計應用中的一些注意的問題
6.1、系統接地
本系統的接地方式如圖5所示。各個電子柜的屏蔽條A，系統地M，它們通過電源電纜線匯總到ZEP條后接地。在PCS7系統的每一個主要部件，如輸人輸出卡件、卡件安裝機架、現場接線端子板等均設有接地端子。接地電阻要求小于4歐姆。
6.2、WinCC冗余
通常，兩個WinCC站或過程數據服務器*以并行方式運行，也就是說，每個站都有其自身的過程接口和自身的數據歸檔。如果兩個WinCC站中的一個發生故障，另一個站就承擔報文和過程數據的歸檔任務，因而保證了數據的連續完整性。
服務器在運行時間彼此監控以便在早期識別出發生故障的伙伴服務器。如果一個服務器出現故障，客戶機將被自動從發生故障的服務器切換到仍然活動的服務器。這就確保了所有的客戶機始終是可用于監控和操作過程的。在故障期間，活動的服務器將繼續歸檔WinCC項目的所用信息以及過程資料。在出故障的服務器重新在線之后，所有信息的內容、過程值以及用戶的檔案都將自動復制到返回的服務器上。
6.3、ET200M分布式I/O站
現場控制站的ET200M分布式I/O站通過Profibus-DP現場總線與AS-400中央控制器進行實時通信，它主要功能是:采集現場I/O信號，通過ET200M的I/O信號接口模塊將現場數字量或模擬量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發送來的控制信號送至現場。
ET 200M分布式I/0站的直流電源采用了N+1冗余設計。直流電源的數量選型原則是在每個ET200M分布式I/O站配接一臺直流電源的基礎上再加裝一臺同樣的直流電源，而且此直流電源可允許并聯使用，將所有配置的直流電源并聯后再給所有的ET200M分布式I/O站系統供電。在系統運行過程中，當其中某一臺直流電源發生故障時，并聯的直流電源還能保證足夠的功率輸出，而且不必停機就更換已經壞了的直流電源。因此，現場控制站的直流電源具有良好的容錯性能。
七、結束語
本系統投入運行后，工作穩定，操作方便。由于采用了串級控制系統，各回路控制品質明顯超過原模擬系統。聚合釜的溫度也由原來的溫度提高到8℃，產品的產量和質量都有了很大的提高，從而獲得了顯著的經濟效益。
參考文獻
1 劉錯，周海.深人淺出西門子S7-300[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.
2 蘇昆哲，深人淺出西門子WinCC[M」北京:北京航空航天大學出版社，2004.
第一作者高本東，男,1979年生，現為華東理工大學信息學院在讀碩士研究生;主要研究領域為工業網絡及工業現場控制。