西門子PCS7控制系統(tǒng)在擠壓造粒機組上的應(yīng)用

【摘要】某煤制烯烴項目聚丙烯裝置選用德國CWP公司生產(chǎn)的ZSK350捏合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠壓機，采用西門子PCS7控制系統(tǒng)進行控制，主要介紹了西門子PCS7控制系統(tǒng)硬件配置和系統(tǒng)構(gòu)成、故障安全F功能塊的使用。

【關(guān)鍵詞】PCS7；硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；故障安全；F功能塊

前言

某煤制烯烴項目聚丙烯裝置選用德國CWP公司生產(chǎn)的ZSK350捏合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠壓機， 產(chǎn)量：27-45 t/h。以美國陶氏化學(xué)公司的Unipol聚丙烯工藝生產(chǎn)的丙烯為主要原料生產(chǎn)聚丙烯粒狀樹脂產(chǎn)品，與添加劑以一定配比摻混后， 進入筒體，經(jīng)高溫熔融后，在主電機的驅(qū)動下，筒體中的旋轉(zhuǎn)螺桿攪動并將熔體送至模板，高速旋轉(zhuǎn)的切粒刀將熔體切成小顆粒，經(jīng)切粒水帶到干燥部分，經(jīng)干燥后，進入振動篩篩選，最后將合格的顆粒送入料倉等待包裝。

1.PCS7系統(tǒng)的硬件配置和系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 PCS7系統(tǒng)概述

SIMATIC PCS7是西門子公司結(jié)合最先進的計算機軟、硬件技術(shù)，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(chǔ)上，面向所有過程控制應(yīng)用場合的先進過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用西門子S7-417H加ET200M分布式I/O的結(jié)構(gòu)模式，輸入輸出模塊為S7-300模塊，通訊系統(tǒng)采用的是工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus現(xiàn)場總線，系統(tǒng)內(nèi)嵌WinCC用于操作和監(jiān)控的人機界面組態(tài)。

PCS7系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

①SIMATIC Manager，它是PCS7的核心應(yīng)用程序，使用它可建立PCS 7項目的所有應(yīng)用程序，是建立整個項目的起點。

②HW Config，用以組態(tài)一個系統(tǒng)的全部硬件，例如CPU、電源以及通訊處理器等。

③CFC和SFC編輯器，用以建立連續(xù)功能圖和順序控制圖。

④PCS7 OS編輯器，用以操作員站（OS）的組態(tài)。

其中SIMATIC Manager 提供三種不同的窗口，這些窗口主要特點就是它們包含的對象在實際中只存在一次，但可以在各種不同的窗口中顯示和操作。每一種窗口基本上都具有相同的結(jié)構(gòu)：在左窗格中是樹形結(jié)構(gòu)，在右窗格中是詳細的窗口。根據(jù)當(dāng)前任務(wù)，每一種窗口都有其自己的特殊優(yōu)點：

組件窗口（Component view）表示每個對象的物理存儲位置，例如功能圖和功能圖的物理存儲位置，在組件窗口中，可以立即看到功能圖和CPU的對應(yīng)關(guān)系。

工廠窗口（Plant view）顯示工廠的層次結(jié)構(gòu)，可以將工廠分為幾個工段或單元，并知道某個工廠工段包含哪些功能圖和過程圖像。

過程對象窗口（Process object view）顯示工廠窗口的每個對象的詳細情況，這尤其適用于將類似的參數(shù)值分配給大量的對象，為其添加注釋或?qū)⒅ミB。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

由于聚丙烯裝置連續(xù)性生產(chǎn)，負荷不能進行頻繁的調(diào)整，裝置的中間物料存儲能力相對較小，造粒機組的連續(xù)穩(wěn)定運行是非常重要的。某煤制烯烴項目30萬噸/年聚丙烯裝置中的擠壓造粒機采用西門子S7-417FH（高可靠性和故障安全型）控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、控制器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、可靠性高的特點，能最大程度的避免由于控制系統(tǒng)故障而引起的機組停機，從而減少了裝置的生產(chǎn)波動，提高了經(jīng)濟效益。

1.3 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.4 控制器的構(gòu)成

擠壓造粒機組控制系統(tǒng)采用硬件冗余的工作方式。CPU采用西門子公司高級容錯控制器S7-417FH（容錯型），下載和組態(tài)程序時只需要對一臺CPU下載，兩臺CPU之間會自動進行數(shù)據(jù)同步。兩個互為熱備的CPU 417H，通過光纖電纜連接，實現(xiàn)了兩個CPU之間的數(shù)據(jù)和信息的快速同步，同時光纜能提供很高的抗干擾能力。

S7-417H采用“熱備用”模式的主動冗余原理，一旦主CPU發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動無擾動地切換到從CPU，由從CPU繼續(xù)負責(zé)整個系統(tǒng)的控制，主/從CPU的切換時間為ms級。無故障時，兩個子單元都處于運行狀態(tài)。

417-4H控制器單元主要由以下幾部分構(gòu)成：CPU、電源、通訊卡、底板、I/O模塊等。CPU作為整個控制器的核心，其作用相當(dāng)于人的大腦，起到發(fā)送和接收指令的作用。處理器上有兩個通訊接口， MPI接口和PROFIBUS的DP接口。MPI接口支持MPI協(xié)議，用來和上位機進行通訊，實現(xiàn)編程、組態(tài)功能。PROFIBUS的DP接口支持PROFIBUS DP協(xié)議，實現(xiàn)CPU和I/O模件進行通訊，這兩個接口的通訊速率最大均可達到12M bit/s。電源采用PS407 10A電源模塊，對主機架進行供電。按照I/O模塊應(yīng)用的不同，常規(guī)控制采用通用型I/O卡件，對于重要的安全回路采用故障安全型卡件，可以自動識別回路中出現(xiàn)的短路、接地等情況，并會做出相應(yīng)的動作保護卡件、現(xiàn)場設(shè)備及人身的安全。

1.5 PLC與現(xiàn)場I/O的連接

PLC與現(xiàn)場I/O之間以兩個冗余現(xiàn)場總線PROFIBUS來實現(xiàn)冗余的通訊連接?，F(xiàn)場控制器與現(xiàn)場I/O站ET200M之間通過ET200M機架上的雙IM153模塊實現(xiàn)雙通道切換。I/O模塊采用S7-300模塊。

1.6 操作站與PLC的連接

操作站與PLC之間的通訊采用西門子100M光纖雙環(huán)網(wǎng)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全冗余功能。通過在S7-417FH的兩套中央機架上分別安裝一塊工業(yè)以太網(wǎng)卡CP443-1，并在操作站上也分別安裝工業(yè)以太網(wǎng)卡CP1613，實現(xiàn)了整個控制系統(tǒng)高可靠性的冗余光纖雙環(huán)網(wǎng)，確保操作站與PLC之間的通訊暢通。

根據(jù)操作的要求，設(shè)置三臺操作站，分別為工程師站（日常可作為操作員站使用）、操作員站、現(xiàn)場觸摸屏?，F(xiàn)場觸摸屏是通過光纜、KVM延長器將觸摸屏與操作員站連接，將操作員站的顯示、操作功能延伸到現(xiàn)場，供操作員在擠壓造粒機組開車時使用。

1.7 與DCS的通訊

聚丙烯裝置DCS使用的霍尼韋爾PKS控制系統(tǒng)位于中央控制室內(nèi)，與擠壓造粒機組控制系統(tǒng)距離較遠。生產(chǎn)上要求位于中央控制室內(nèi)的操作人員能夠監(jiān)測擠壓造粒機組的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)。因此要求PLC系統(tǒng)能夠?qū)D壓造粒機的數(shù)據(jù)上傳到DCS系統(tǒng)。

在西門子從站上安裝CP341通訊模塊，采用RS-485傳輸接口，實現(xiàn)擠壓造粒機組與中央控制室的聚丙烯裝置DCS之間的數(shù)據(jù)通訊。兩套控制系統(tǒng)之間采用Modbus通訊協(xié)議。

1.8 模塊配置

解決措施：由于機柜內(nèi)空間有限，不能對所有回路增加保險端子，對信號進行隔離。目前只能在24V總供電空開“3.3F1”與各個端子排中間增加空開，若某一端子排中的單一回路出現(xiàn)接地現(xiàn)象，只會導(dǎo)致對應(yīng)端子排空開跳閘，不會導(dǎo)致24V總供電空開“3.3F1”跳閘，降低機組跳車的可能性。如圖6所示，在空開“3.3F1”與端子“4.1X8”中間增加空開“4.3F1”

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作者簡介：杜偉（1986—），男，2009年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動化專業(yè)，神華包頭煤化工有限公司機電儀中心儀表專業(yè)助理工程師，主要從事儀表控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表的維護工作。