西門子PCS7系統(tǒng)在海綿鈦生產(chǎn)中的應(yīng)用

馬 城

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650100)

0 引言

我國有豐富的鈦資源，在已探明儲(chǔ)量中，我國占世界總量的40%多，且90%以上集中在西部。云南鈦礦資源十分豐富，且相對(duì)集中，全省已探明鈦鐵礦床30個(gè)，其中大型15個(gè)，中型5個(gè)，小型10個(gè)。鈦鐵礦儲(chǔ)量55610 kt，其中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量32650 kt，并具有儲(chǔ)量大、品位高、易開采、選礦工藝簡單等特點(diǎn)。

為充分開發(fā)本土鈦資源，該工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)10 kt商品海綿鈦。生產(chǎn)方法采用國內(nèi)外成熟的克勞爾法，利用高鈦渣生產(chǎn)粗四氯化鈦，通過提純，利用金屬鎂還原生產(chǎn)海綿鈦。整個(gè)生產(chǎn)過程工藝流程復(fù)雜，工藝參數(shù)控制要求嚴(yán)格，各工藝參數(shù)的控制精度直接影響中間產(chǎn)品、最終產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量。該生產(chǎn)工藝自動(dòng)化控制程度高，全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，先進(jìn)的及高精度的自動(dòng)化控制解決方案，為產(chǎn)出高品質(zhì)商品海綿鈦創(chuàng)造了重要條件。

1 工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 PCS7過程控制系統(tǒng)

該工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)。PCS7是一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，它將傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起，即具有DCS系統(tǒng)的分散控制、集中管理的特征功能，同時(shí)也保持了與SIMATICS7系列可編程控制器的通用性。系統(tǒng)大量采用了新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)配置上，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)所有硬件配置基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，所有的軟件全部集成在SIMATIC管理器下，具有統(tǒng)一的軟件平臺(tái)。模塊化結(jié)構(gòu)，通用的硬件模塊，系統(tǒng)配置靈活，易于擴(kuò)展，特別適用于分散的過程控制應(yīng)用場合。強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件和高度統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，充分體現(xiàn)了全集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)應(yīng)用范圍變廣，是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型過程控制系統(tǒng)。

1.2 工程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

海綿鈦生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，共分為3個(gè)主體生產(chǎn)車間，即四氯化鈦生產(chǎn)車間、海綿鈦生產(chǎn)車間、鎂生產(chǎn)車間。3個(gè)主體生產(chǎn)車間生產(chǎn)工藝流程相對(duì)獨(dú)立，但又具有一定的關(guān)聯(lián)性。海綿鈦生產(chǎn)全廠控制系統(tǒng)依據(jù)3個(gè)主體車間分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后通過光纖環(huán)網(wǎng)連接構(gòu)成一個(gè)龐大的控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)為14501點(diǎn)(包含備用通道點(diǎn)數(shù))，系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，共有西門子S7-400 CPU 414H冗余控制器17對(duì)，S7-400 CPU 417H冗余控制器2對(duì)，S7-400 CPU 414H單控制器1臺(tái)，ET200M遠(yuǎn)程I/O站90個(gè)，操作站共28臺(tái)，工程師站4臺(tái)，冗余配置的WinCC服務(wù)器4對(duì)，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器5臺(tái)。圖1中上層光纖環(huán)網(wǎng)為系統(tǒng)Terminal BUS(終端總線)，采用Ethernet TCP/IP協(xié)議，下層光纖環(huán)網(wǎng)為 System BUS(系統(tǒng)總線)，采用 Industrail Ethernet Electrical-ISO協(xié)議，采用光纖環(huán)網(wǎng)通訊使控制系統(tǒng)的可靠性得到了保證。全廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 全廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of factory control system

1.3 四氯化鈦生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)

(1)各工序控制系統(tǒng)配置

四氯化鈦生產(chǎn)車間分為氯化和精制兩個(gè)工序，分別設(shè)置獨(dú)立的PLC機(jī)柜室及控制室。氯化工序控制系統(tǒng)配置一對(duì)冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通過Profibus-DP總線連接11個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站、20臺(tái)西門子M440變頻器。控制室設(shè)置2臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

精制工序控制系統(tǒng)配置一對(duì)冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通過Profibus-DP總線連接12個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站及26臺(tái)西門子M440變頻器。設(shè)置工程師站1臺(tái)作為氯化、精制工序控制系統(tǒng)編程組態(tài)的平臺(tái)?？刂剖以O(shè)置2臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

氯化、精制工序2套控制器分別通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網(wǎng)絡(luò)，4臺(tái)操作員站連接到Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。氯化、精制共用1對(duì)冗余配置的WinCC服務(wù)器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。操作員站的過程數(shù)據(jù)來源于WinCC服務(wù)器，這樣的配置可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)單臺(tái)服務(wù)器或者操作員站故障時(shí)不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成任何影響。

(2)各工序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

氯化工序控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:各原料倉的料量檢測、原料輸送設(shè)備的聯(lián)鎖控制、各原料的配料控制、氯化爐定量給料控制、氯化爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)、氯化爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、循環(huán)水流量調(diào)節(jié)、中間槽、循環(huán)泥漿槽、底流槽溫度檢測及液位控制、變頻器控制等。

精制工序控制系統(tǒng)主要是以下功能:低價(jià)氯化鈦制備流程自動(dòng)化控制、蒸餾釜液位、壓力、溫度控制，蒸餾塔、精餾塔溫度、壓力控制，中間儲(chǔ)罐液位控制、精餾塔出料流量控制，蒸餾釜底流水解、沉降、蒸發(fā)流程自動(dòng)化控制等。

1.4 海綿鈦生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)

(1)各工序控制系統(tǒng)配置

海綿鈦生產(chǎn)車間分為還原、蒸餾、破碎包裝3個(gè)主要工序分別設(shè)置獨(dú)立的PLC機(jī)柜室及控制室。還原工序控制系統(tǒng)配置7對(duì)冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接23個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站，25個(gè)DP從站。通過西門子無線交換機(jī)連接氯化抬包車上的4個(gè)S7-300從站。設(shè)置工程師站1臺(tái)作為還原工序控制系統(tǒng)編程組態(tài)的平臺(tái)?？刂剖以O(shè)置2臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)-服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

蒸餾工序控制系統(tǒng)配置9對(duì)冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接34個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站，40個(gè)DP從站。設(shè)置工程師站1臺(tái)作為蒸餾及破碎包裝工序控制系統(tǒng)編程組態(tài)的平臺(tái)。控制室設(shè)置2臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

破碎包裝工序控制系統(tǒng)配置1臺(tái)S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接4個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站，15個(gè)DP從站。工程師站與蒸餾工序共用。設(shè)置2個(gè)控制室，分別為等外鈦控制室和成品鈦控制室，各配置2臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

還原、蒸餾、破碎包裝工序控制器分別通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網(wǎng)絡(luò)，8臺(tái)操作員站連接到Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。還原、蒸餾各配置1對(duì)冗余的WinCC服務(wù)器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。破碎包裝工序與蒸餾工序共用WinCC服務(wù)器。

(2)各工序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

還原工序是海綿鈦生產(chǎn)中的關(guān)鍵過程，還原工序控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:四氯化鈦儲(chǔ)罐和高位槽的液位和壓力控制，向還原反應(yīng)器中加入四氯化鈦的計(jì)量控制，還原過程的溫度、壓力控制，氯化鎂排放控制，各還原爐電能消耗計(jì)量等。其中四氯化鈦的計(jì)量控制可實(shí)現(xiàn)在還原反應(yīng)過程中各階段不同流量要求的自動(dòng)加料控制，當(dāng)四氯化鈦加入量達(dá)到本階段設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提示需排放氯化鎂并顯示氯化鎂排放量，同時(shí)氯化鎂排放量通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浆F(xiàn)場的氯化鎂抬包車上顯示，現(xiàn)場操作員根據(jù)排放信息排放氯化鎂。氯化鎂排放的爐號(hào)、實(shí)際排放量、排放時(shí)間等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，并在操作員站顯示。

蒸餾工序控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:蒸餾過程的溫度、真空度、壓力控制，蒸餾過程中鎂板熔化、低真空階段、高真空蒸餾階段和蒸餾結(jié)束階段的程序控制，各蒸餾爐電能消耗計(jì)量等。

破碎包裝工序控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:皮帶輸送機(jī)、破碎機(jī)、篩分機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、混料機(jī)、中間料倉等的運(yùn)行控制及聯(lián)鎖控制，海綿鈦成品包裝計(jì)量控制，成品批次、等級(jí)、粒度記錄等。

2 鎂生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)配置

鎂生產(chǎn)車間分為鎂電解、氯氣壓縮、鎂精煉三個(gè)工序，設(shè)置1個(gè)PLC機(jī)柜室及控制室。鎂生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)配置一對(duì)冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接6個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站。設(shè)置工程師站1臺(tái)作為鎂生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)編程組態(tài)的平臺(tái)，控制室設(shè)置3臺(tái)雙屏操作員站，操作員站采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

鎂生產(chǎn)車間控制器通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網(wǎng)絡(luò)，3臺(tái)操作員站連接到Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。配置1對(duì)冗余的WinCC服務(wù)器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網(wǎng)絡(luò)。

2.2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

鎂生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:電解槽電解質(zhì)溫度控制、電解槽壓力、液位控制，氯氣壓縮流程自動(dòng)控制，坩堝爐溫度控制，精煉爐溫度、壓力控制，精煉爐液位檢測等。

3 控制系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)

全廠控制系統(tǒng)采用艾默生UPS(不間斷電源)供電，UPS系統(tǒng)由整流模塊、充電模塊、蓄電池、逆變模塊、自動(dòng)旁路開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)等組成。UPS系統(tǒng)將供電質(zhì)量較差的廠用電源首先經(jīng)整流裝置變換成直流電源，一路經(jīng)充電模塊向蓄電池充電，另一路采用高頻脈寬調(diào)制(SPWM)法在逆變裝置內(nèi)重新將直流電源變成高質(zhì)量的正弦波電源向負(fù)載供電。當(dāng)市電交流供電中斷或整流裝置元器件故障時(shí)，由蓄電池組經(jīng)電池開關(guān)向逆變裝置供電。當(dāng)逆變裝置故障輸出電壓異常或過載時(shí)，則切換到自動(dòng)旁路開關(guān)由廠用電直接向負(fù)載供電。各工序UPS容量為:氯化工序30 kVA、精制工序30 kVA、還原工序60 kVA、蒸餾工序90 kVA、破碎包裝工序30 kVA、鎂生產(chǎn)車間30 kVA。UPS可以向控制系統(tǒng)提供高質(zhì)量、安全可靠的電源。當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)系統(tǒng)可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，UPS的蓄電池可提供30 min以上對(duì)控制系統(tǒng)的供電，以保證全廠控制系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

目前各工序控制系統(tǒng)已通過全面的系統(tǒng)調(diào)試，各工序已陸續(xù)投入了生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行情況良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)維護(hù)量小，到目前為止從未出現(xiàn)過因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)故障而影響生產(chǎn)的情況。該項(xiàng)目中PCS7控制系統(tǒng)大量應(yīng)用了冗余技術(shù)，控制器、服務(wù)器、操作站、通訊網(wǎng)絡(luò)都做了冗余設(shè)計(jì)，單臺(tái)控制器、服務(wù)器、操作站的停機(jī)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。PCS7擁有豐富的功能塊庫，可滿足各種過程應(yīng)用，還可采用SCL、STL等語言開發(fā)用戶功能塊，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制策略。西門子PCS7過程控制系統(tǒng)在該項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，為產(chǎn)出高品質(zhì)商品海綿鈦提供了條件，為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］胡健.西門子S7-300/400PLC工程應(yīng)用［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2008.