西門子S7—400在精細(xì)化工過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張偉++李玉章

摘 要：隨著我國工業(yè)自動化水平的提高，過程工業(yè)自動化的應(yīng)用越來越廣泛。論文以新華制藥MAA水解反應(yīng)系統(tǒng)為背景，闡述了西門子S7-400在系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)敘述了西門子S7-400軟件的特點(diǎn)、及其在系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)已在淄博新華制藥安乃近廠房順利投產(chǎn)且穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：西門子S7-400；過程工業(yè)自動化；MAA水解反應(yīng)系統(tǒng)

1 項目簡介

隨著國家對工業(yè)自動化需求的提高，精細(xì)化工中很多崗位仍然繼續(xù)采用傳統(tǒng)的人工操作方式，這就不能滿足我國工業(yè)自動化的發(fā)展要求，本項目為精細(xì)化工過程中甲酸甲酯產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，此過程稱為MAA水解反應(yīng)過程，主要包括如下七個階段：進(jìn)濃硫酸過程、進(jìn)甲化液過程、進(jìn)濃甲醇過程、升溫過程、蒸甲酯過程、蒸甲醇過程、蒸水過程。進(jìn)料過程要求定量進(jìn)料，蒸甲酯、蒸甲醇、蒸水過程要求將溫度控制在指定溫度范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的操作方式為人工通過開關(guān)手動閥門打料，人工通過調(diào)節(jié)手動閥門的開度大小來控制溫度，本系統(tǒng)通過改造之后，實現(xiàn)了系統(tǒng)自動打料、自動控溫的功能。

2 項目工藝介紹

該項目工藝如圖1所示，MAA水解反應(yīng)中所需三種物料：濃硫酸、濃甲醇、甲化液，濃硫酸、濃甲醇來源于本車間內(nèi)的濃硫酸儲罐和濃甲醇儲罐，甲化液來源于另外車間，通過控制電動開關(guān)閥來實現(xiàn)系統(tǒng)自動打料，進(jìn)料之前排氣閥打開，三種物料全部進(jìn)入到MAA水解反應(yīng)罐a中之后，排氣閥關(guān)閉，蒸汽調(diào)節(jié)閥開到100%，對罐體進(jìn)行加熱升溫，打開稀甲酯進(jìn)料閥a，打開稀甲酯進(jìn)料閥b，打開鹽水閥。當(dāng)反應(yīng)罐a罐內(nèi)溫度達(dá)到55℃時，升溫階段結(jié)束，開始進(jìn)入到蒸甲酯階段。系統(tǒng)采用PID算法調(diào)節(jié)溫度，通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥將反應(yīng)罐a的內(nèi)溫控制在108℃左右（偏差不超過2℃），通過調(diào)節(jié)冷水調(diào)節(jié)閥將冷凝器溫度（頂溫）控制在60℃左右（偏差不超過2℃）。內(nèi)溫的控制是為了保證水解反應(yīng)可以充分進(jìn)行的情況下，最大可能地節(jié)約所需能源，頂溫的控制是為了生產(chǎn)所需產(chǎn)品，頂溫的控制是核心，因為它保證了所冷凝出來的物料是否為目標(biāo)物料。蒸甲酯過程持續(xù)7小時候后，系統(tǒng)彈框提示是否進(jìn)入到下一階段，點(diǎn)擊確定之后（不點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)繼續(xù)處在蒸甲酯階段），系統(tǒng)自動進(jìn)入到蒸甲醇階段，關(guān)閉稀甲酯進(jìn)料閥a，關(guān)閉稀甲酯進(jìn)料閥b，打開稀甲醇進(jìn)料閥，此時，內(nèi)溫控制在115℃左右，頂溫控制在92℃左右。蒸甲醇過程持續(xù)4小時候后，系統(tǒng)彈框提示是否進(jìn)入到下一階段，點(diǎn)擊確定之后（不點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)繼續(xù)處在蒸甲醇階段），系統(tǒng)自動進(jìn)入到蒸水階段，此時，內(nèi)溫控制在118℃左右，頂溫控制在98℃左右，此反應(yīng)階段持續(xù)1小時后，反應(yīng)結(jié)束，同時自動打開排氣閥。

3 項目硬件需求

本項目采用西門子S7-400PLC對系統(tǒng)進(jìn)行信息采集和設(shè)備控制，本設(shè)備需要控制較多的氣動閥門，既有開關(guān)閥門也有調(diào)節(jié)閥門。需要讀取較多的模擬量，包括流量計、溫度計、壓力計等。另外，為提高系統(tǒng)運(yùn)行對生產(chǎn)安全的可靠性，本系統(tǒng)要求對異常信號給出報警。系統(tǒng)需要設(shè)備數(shù)目及作用如表1所示。

4 控制系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn)

項目的結(jié)構(gòu)如圖2所示，CPU通過DP口分別與三個分站進(jìn)行信息交換，通過MPI＼DP口與IND 560進(jìn)行信息交換，通過CP443-1連接到交換機(jī)上，工程師站和操作員站通過各自電腦的1網(wǎng)端連接到交換機(jī)上，實現(xiàn)兩個工作站的上位機(jī)同時和下位機(jī)進(jìn)行信息交流。工程師站和操作員站通過2網(wǎng)端相互連接，實現(xiàn)兩個工作站之間的信息轉(zhuǎn)遞。

工程項目中S7-400的硬件配置圖如圖3所示：

5 西門子S7-400的過程功能控制在系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 本系統(tǒng)對過程控制的需求

在本工程控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)對工藝要求較高，在控制過程中，涉及到控制閥門較多，而且中間涉及到調(diào)節(jié)閥開度的設(shè)定，對于閥門開啟關(guān)斷時間均有較高的自動控制，并且此工藝的生產(chǎn)過程必須嚴(yán)格按照順序一步一步執(zhí)行，本項目為精細(xì)化工過程中甲酸甲酯產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，此過程稱為MAA水解反應(yīng)過程，主要包括如下七個階段：進(jìn)濃硫酸過程、進(jìn)甲化液過程、進(jìn)濃甲醇過程、升溫過程、蒸甲酯過程、蒸甲醇過程、蒸水過程。這七個過程有著嚴(yán)格的先后順序，不能打亂。西門子S7-400軟件中的順序功能控制（SFC功能塊）正好可以實現(xiàn)這個順序控制功能。

5.2 西門子S7-400中過程制功能塊SFC介紹

SFC工作原理

（1）可以在SFC編輯器內(nèi)使用圖形工具創(chuàng)建順序控制系統(tǒng)。根據(jù)固定規(guī)則將SFC的元素放入順控程序中。無需關(guān)注諸如算法或者設(shè)備資源分配等詳細(xì)信息，只需注意組態(tài)的技術(shù)方面。

（2）在創(chuàng)建了包括一系列步和轉(zhuǎn)移的順控程序后，繼續(xù)組態(tài)SFC、順控程序、步和轉(zhuǎn)移的對象屬性，并在其中定義相應(yīng)屬性。組態(tài)下列各項：

SFC的工作參數(shù)；

順控程序的啟動條件；

步的動作；

轉(zhuǎn)移的步使能條件。

（3）當(dāng)完成此組態(tài)后，用SFC編譯可執(zhí)行機(jī)器代碼，然后將其下載到AS中，并使用SFC測試功能進(jìn)行測試。

SFC圖表：

如果從未使用過SFC編輯器，則最好先從SFC圖表開始。為此，需要了解下列各個主題：

創(chuàng)建、組態(tài)、編譯和下載順序控制系統(tǒng)；

順序控制系統(tǒng)在AS中如何工作；

如何在測試模式下，在順序控制系統(tǒng)中使用各種命令（如：啟動和中止）。

SFC類型和SFC實例：

一旦了解了如何使用SFC圖表實現(xiàn)順序控制系統(tǒng)，即可開始使用SFC類型和SFC實例。然后可以確定兩種順序控制系統(tǒng)中的哪一種更適合于特定任務(wù)。

SFC類型和SFC實例引入了使用順序控制系統(tǒng)的新方式。使用SFC圖表時，可以直接開始工作，因為SFC圖表可以立即生成并隨后進(jìn)行編譯、下載和測試。

使用SFC類型，為了順序控制系統(tǒng)可以多次被使用，可以以模板的形式創(chuàng)建與特定應(yīng)用無關(guān)的順序控制系統(tǒng)。

隨后，創(chuàng)建SFC實例，使其適用于特定應(yīng)用場合，并且與基本自動化塊互連。

為了將SFC實例和基本自動化相連，必須提供用于SFC類型的標(biāo)準(zhǔn)接口?？梢詳U(kuò)展此接口以包括新的輸入/輸出，或者從工藝角度將所需的輸入/輸出創(chuàng)建為SFC類型的特征參數(shù)。

隨后，編譯程序，將其下載到AS并測試SFC實例。這也將間接測試SFC類型。

5.3 西門子S7-400中過程控制功能塊SFC在本系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)

首先，系統(tǒng)SFC功能塊打到自動狀態(tài)下，檢測到自動信號之后，系統(tǒng)進(jìn)入到冷態(tài)開車階段：關(guān)閉排氣閥、關(guān)閉濃硫酸進(jìn)料閥、關(guān)閉甲化液進(jìn)料閥、關(guān)閉濃甲醇進(jìn)料閥、關(guān)閉稀甲酯進(jìn)料閥a，b、關(guān)閉稀甲醇進(jìn)料閥。系統(tǒng)檢測到所有閥門關(guān)到位信號后，進(jìn)入到數(shù)據(jù)錄入階段，工作人員輸入本次生產(chǎn)的批號、甲化液的量、濃硫酸的配比、濃甲醇的配比，點(diǎn)擊確定后，系統(tǒng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)確認(rèn)階段，濃硫酸的量和濃甲醇的量是系統(tǒng)通過甲化液的量和濃硫酸、濃甲醇的配比計算得來的，濃硫酸的量=甲化液的量*75%/98%，濃甲醇的量=甲化液*35%/95%工作人員確定進(jìn)料量后，系統(tǒng)進(jìn)入到進(jìn)硫酸階段，達(dá)到設(shè)定量后，系統(tǒng)自動關(guān)閉濃硫酸閥。

然后系統(tǒng)進(jìn)入到進(jìn)甲化液階段，達(dá)到設(shè)定量后，系統(tǒng)自動關(guān)閉甲化液閥。然后系統(tǒng)進(jìn)入到進(jìn)濃甲醇階段，達(dá)到設(shè)定量后，系統(tǒng)自動關(guān)閉濃甲醇閥。然后系統(tǒng)進(jìn)入到升溫階段，蒸汽閥全部打開對罐體進(jìn)行升溫，到達(dá)理想溫度后，進(jìn)入到蒸甲酯階段，此時系統(tǒng)自動投切PID，打開稀甲酯進(jìn)料閥a，b，把頂溫和內(nèi)溫控制在設(shè)定溫度下，7小時之后，進(jìn)入到蒸甲醇階段關(guān)閉稀甲酯進(jìn)料閥a，b，打開稀甲醇進(jìn)料閥。3小時之后，進(jìn)入到蒸水階段，蒸水1小時后，整個流程結(jié)束。

6 項目運(yùn)行、應(yīng)用體會

該系統(tǒng)在淄博新華制藥順利投產(chǎn)，運(yùn)行情況穩(wěn)定且良好，能夠較好地實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，工人反映控制系統(tǒng)使用方便。

在項目實際調(diào)試過程中，SIEMENS產(chǎn)品的使用具有靈活性、開放性，遇到問題能很快地在網(wǎng)上得到答案。在軟冗余的實現(xiàn)過程中，可通過對資料的搜集簡單學(xué)習(xí)，對軟冗余的原理等有較好的理解，并且無論在硬件配置還是軟件編程方面，均比較容易理解，架構(gòu)清晰。通過簡單鏈接就能夠順利摸清各個功能塊的具體用途并順利使用。通過與其他產(chǎn)品的PLC使用情況相比，SIEMENS的PLC可以完整地實現(xiàn)邏輯功能，模擬量輸入數(shù)據(jù)處理和輸出數(shù)據(jù)控制均非常準(zhǔn)確，尤其是SM331-7KF02的強(qiáng)大信號功能，為系統(tǒng)調(diào)試提供了多方式的信號類型，提到的功能均可實現(xiàn)，保證了項目的按時完成。

在這里要特別感謝西門子電話客服工作人員的熱心幫助和相關(guān)人士提供的資料，為項目的完成提供了非常大的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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[2]西門子公司內(nèi)部刊物.S7-300&400功能手冊[EB/OL].http：//support.automation.siemens.com/CN/llisapi.dll？func=cslib.csinfo&lang=zh&objid=1137637&caller=view，2010.

作者簡介：張偉，重慶，青島科技大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。

李玉章，山東德州，青島科技大學(xué)，碩士。