基于西门子S7-300PLC的片碱生产控制系统

　[Key word]systerm、configuration-exploiture、Application

[关键词]系统  组态开发  应用

摘要：

　　新疆石河子开发区天业化工有限责任公司（简称天业化工）于2003筹建20万t/a聚氯乙烯工程，其一期10万t/a聚氯乙烯项目已于2004年11顺利投产运行，与之配套的5万t/a片碱装置是引进瑞士博特公司的双向逆流制碱生产工艺及设备技术，在生产自动化控制上我公司采用西门子s7-300系统，依据工艺条件成功开发了编程组态系统，投产至今，自动控制系统平稳稳定。该装置为公司平衡生产、增长利润发挥着巨大作用。

一、 工艺流程概述：

　　膜式法生产片碱可分为两个阶段：
（1）碱液从32%浓度浓缩至61%，这个阶段可在降膜蒸发器中进行。加热源采用中压蒸汽及二次蒸汽并在真空下进行蒸发；NaOH 经由P-1泵进入EV-1, 浓度有32%升至50%，再经P-2泵进入EV-2,浓度从50%升至61%。

（2）61%碱液再通过降膜浓缩器，以熔融盐为热载体，在常压下将碱液浓缩成熔融碱（浓度为98%），再经片碱机制成片状固碱。



二、硬件配置及网络构成：
1）　　　S7-300开发编程软件一套；
2）　　　WINCC组态软件一套；
3）　　　CP5611网卡2块；
4）　　　电源: 6ES7307-1EA00-0AA0          2块；
5）　　　CPU315-2DP 2块；
6）　　　IM153冗余组                       2套；
7）　　　通讯模块：CP342-5                  4块；
8）　　　AI模件：6ES7331-7NF00-0AB0        6块；
9）　　　AO模件：6ES7332-5HD00-0AB0        4块；
10）　　　DI模件：6ES7321-1BL00-0AA0       3块；
11）　　　DO模件：6ES7321-1BH01-0AA0       2块；;
12）　　　DIN深型导轨                      3条；
DELL计算机：PVI2.4G 256RAM 40G 19LCD 2台；
激光打印机：HP1300                    1台；



三、系统特点：

　　　　１． 工程师站和操作员站的特点

　　1) 充分贯彻西门子公司全集成自动化的思想，系统具有统一的通讯、统一的组态工具、统一的数据库，消除了传统的DCS与PLC之间的鸿沟；

　　2) 监控软件WinCC (视窗控制中心)为基于 Windows XP/2000操作系统的开放 型全图形化人机操作界面，具有组态灵活，操作简单的特点；

　　3) Win CC拥有完备的工业图形库，如阀门、反应罐、模拟传统显示仪表、 管道等, 方便了工程师设计监控系统的过程画面；

　　4) 人机界面具有良好的开放性， 支持以太网、Profibus、RS232、RS422/485等通讯方式，支持TCP/IP、网络DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等标准通讯协议;

　　5) 操作员界面为全汉化界面，有利于工程项目的开发、编程和调试；

　　6) Win CC提供独特的组态向导， 详细的在线帮助，有利于在较短的时间内快速掌握;

　　　　２． 系统通信功能特点

　　1) MPI通信协议运行于Windows xp环境，用于上位机与控制器间的编程组态通讯；

　　2) PROFIBUS-DP通信协议运行于Windows XP环境，用于控制器与ET-200 扩展I/O间的实时通讯， 速度可达10M，距离可达9.6公里(电缆)或 90公里 (光缆)。

　　　　３． 控制器和I/O模板特点

　　1) S7系列控制器和 I/O卡件可靠性高，MTBF在数十万小时以上（最短MTBF ＝19.6年）；

　　2) 所有模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性；

　　　４． 控制组态软件特点

　　1) 系统提供完善的符合IEC1131标准组态工具，包括梯形图（LADER）、语句表（STL）、连续功能图（CFC）、顺序功能图（SFC）、结构化语言（SCL），且各种组态工具可混合使用，交叉引用非常方便快捷；

　　2) 系统提供近500个CFC标准功能块库，提高了系统组态效率，缩短了工程周期；

　　　５． 冗余系统功能特点

　　1) 控制器冗余系统可以实现双控制器冗余切换的功能，当主控的CPU出现故障时，另一个CPU自动地接替主控CPU的工作， 切换时间为秒级。

　　2) 通信冗余功能包括：采用PROFIBUS-DP协议的ET200M I/O站冗余通讯接口和电缆，实现与 双控制器（CPU）的 冗余通讯；

　本系统几个典型的调节回路

1． 流量-温度串级调控

　　为保证恒定EV-2效体浓度，必须保证要正常、稳定的效体温度，而效体温度又受进碱流量的影响，本回路采用串级，交叉限副调节系统，温度是整个控制过程中主要质量指标之一。在系统中以温度调节为主环，流量调节为副环，加入了一流量单交叉限幅，进碱量不仅仅取决于温度调节器输出信号，而且受到了流量瞬时值的限制，按照经验结论，流量值乘以经验系数作为上、下限幅值，有效地把温度控制在规定指标之内。

   EV-1效体温度 、终浓缩温度均以同样控制方式。

2．流量-液位串级调控

　　保证稳定、适宜的效体液位，对设备使用寿命非常关键。液位高,势必对丝网、二次蒸汽管道造成严重腐蚀；液位低，会对下游的泵造成气蚀。液位的波动也将造成整个系统的震荡，操作人员不易控制，产品质量也将无法保证。采用流量-液位关联控制，效体的液位被稳定地控制在设定值。（下图是05.07.23日系统控制的液位曲线）



3．片碱机变频控制

　　片碱机是产品最后一道工序的关键设备，以博特公司的控制理念，自主设计、编写程序，实现了瑞士博特片碱机装置国内企业自主编程组态，可靠稳定运行的先例。本回路为一个定值单回路调节系统。其设定值根据现场实际情况需求而升高或降低，变频器的输出频率，相应增大或减小，升降转速，以“变”求“稳”。为保证过硬产品质量、设备安全可靠，分别把转鼓冷却水量、转鼓机封水压作为保护连锁信号，在断水情况下紧急停车，有效的保护了关键设备。
系统各项工艺指标：

1.3.2离子膜法氢氧化钠（片状固体GB/T—1201001199—89））






　　通过与国家执行标准的数据比较，我公司生产的片碱浓度属一级品，其他各项数据都比优级品规定的指标还低；优质产品，离不开稳定的液位控制回路，恒定的温度调节回路，更加离不开具有人性化设计理念的联锁控制。控制系统在优质产品生产过程中发挥了尤为重要作用，通过多半年的运行，我们更加清醒地认识到，控制装置在的举足轻重，当然产品质量与博特设备及工艺技术也是息息相关。

缺点与不足

　　氢氧化钠在制片生产中，温度在380℃以上，属于高温强腐蚀介质，所以效体液位计寿命周期较短，自开车至今，我公司一效液位计已更换1台（镍膜片）；包装系统采用机械称，半自动包装，可动件较多，故障率高，影响着装置的开工效率。我们从影响生产稳定的主要源头入手，将国外的设备研究、分析，通过用国产件替代，技术改造等方式完善装置，与生产实际相适应。相信通过我们的努力，瑞士博特装置越加趋于完善、更加适合现场工况条件，为公司经济效益的增长发挥应有的作用。

结束语　
　
　　该控制系统投用多半年来，性能稳定、运行可靠，界面友好，操作简单，维护工作量很小，受到了操作和维护人员的欢迎；投用后，系统配置灵活，便于设计和调试，性能价格比优越，系统扩展容易且维护工作量小，是企业进行技术改造和中小型生产过程首选的自控系统。正常运行证明：完全符合预期的要求。

参考文献：

SIMATIC WINCC V5.0   西门子（中国）有限公司技术资料办
SIMATIC S7-300/400     西门子（中国）有限公司技术资料办
         
作者简介：

张俊平，26岁，大专，毕业于西安理工大高等技术学院，助理工程师，车间副主任。