基于PCS7的干燥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高偉

【摘? 要】論文以SCR催化劑生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中的干燥爐控制系統(tǒng)項(xiàng)目為背景，以SCR催化劑干燥工序中的干燥設(shè)備控制為研究和設(shè)計(jì)對(duì)象，針對(duì)干燥工藝控制的特殊要求，采用西門(mén)子公司的PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)干燥爐的控制系統(tǒng)。論文設(shè)計(jì)了干燥工藝順序控制程序，按SCR催化劑干燥的特定工藝要求順序執(zhí)行干燥過(guò)程，溫度控制采用PID分組參數(shù)控制方法，為達(dá)到對(duì)干燥爐的精確控制，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的調(diào)節(jié)閥控制塊。通過(guò)PCS7軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)各干燥爐的參數(shù)監(jiān)控、干燥順控程序管理、記錄過(guò)程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生成報(bào)表、查詢(xún)數(shù)據(jù)等功能。

【Abstract】This paper takes the drying furnace control system project in the production line of SCR catalyst production enterprise as the background， takes the drying equipment control in the drying process of SCR catalyst as the research and design object， and adopts Siemens PCS7 process control system to design the drying furnace control system according to the special requirements of drying process control. This paper designs the drying process sequence control program， executes the drying process according to the sequence required by the specific process of SCR catalyst drying， and adopts PID grouping parameter control method for temperature control. In order to achieve the accurate control of the drying furnace， a special control valve control module is designed. This paper designs the host computer program through PCS7 software to realize the functions， including parameter monitoring of each drying furnace， drying sequence control program management， recording process data and production data， generating reports， querying data， etc.

【關(guān)鍵詞】PCS7;干燥爐;過(guò)程控制系統(tǒng)

【Keywords】PCS7; drying furnace; process control system

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）11-0182-03

1 引言

隨著電廠脫硝SCR催化劑市場(chǎng)的飽和，鋼鐵、玻璃、水泥、化工等行業(yè)企業(yè)需求不斷地增加，全國(guó)催化劑廠家的不斷競(jìng)爭(zhēng)，造成各家催化劑企業(yè)的成本壓力不斷增加，市場(chǎng)對(duì)SCR催化劑的需求不再以量大為特征，個(gè)性化、小規(guī)模、供貨周期短等因素，使得SCR催化劑企業(yè)不但從管理方面、產(chǎn)品研發(fā)方面，還從生產(chǎn)設(shè)備方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。本文根據(jù)SCR生產(chǎn)的實(shí)際需求，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和精度性為目標(biāo)，適應(yīng)個(gè)性化、小批量多變生產(chǎn)，降低系統(tǒng)能耗、結(jié)合原有干燥爐的硬件，將控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終滿(mǎn)足了優(yōu)化生產(chǎn)工藝的需求。

2 SCR催化劑干燥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 SCR催化劑干燥控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)采用快干型SCR催化劑工藝。干燥時(shí)間在48h左右，相比傳統(tǒng)催化劑干燥系統(tǒng)縮短了大量的時(shí)間，其單個(gè)體積較小，干燥溫度最高達(dá)到115℃，干燥效率較高，為了在快速干燥過(guò)程中不出現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，在原料中加入了很多的化學(xué)原料以保證快干中不易出現(xiàn)缺陷。在干燥過(guò)程中對(duì)溫度的控制要求較高，一旦溫控沒(méi)有被嚴(yán)格控制，便會(huì)造成放熱反應(yīng)，溫度會(huì)急劇上升到800℃，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。因而，設(shè)備的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的干燥設(shè)備更為復(fù)雜，系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)對(duì)蒸汽換熱器進(jìn)行循環(huán)換熱，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制換熱器的蒸汽，從而控制干燥溫度，快速關(guān)斷閥用于緊急關(guān)斷蒸汽。因此，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、控制精度和安全聯(lián)鎖都提出了較高的要求。

2.2 SCR催化劑干燥爐的結(jié)構(gòu)

干燥爐就是一個(gè)箱式干燥器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，干燥爐箱體前有爐門(mén)，可開(kāi)啟后裝入需干燥的產(chǎn)品，由廢氣處理設(shè)備的余熱鍋爐提供的蒸汽通過(guò)換熱器由循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)為干燥爐內(nèi)的產(chǎn)品提供熱源，調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入換熱器的蒸汽量從而控制循環(huán)的風(fēng)的溫度，干燥過(guò)程中所需的新鮮空氣由循環(huán)風(fēng)管道上的新鮮空氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制[1]。干燥過(guò)程中不同工藝段所產(chǎn)生的廢氣不同，低溫時(shí)無(wú)有機(jī)物產(chǎn)生，低溫時(shí)的氣體將直接排放到大氣中，隨著溫度的升高，干燥爐中的產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物，這些有機(jī)物必須經(jīng)過(guò)高溫焚燒并降溫后才能排到大氣中，溫度高時(shí)產(chǎn)生的氣體將送到廢氣處理設(shè)備進(jìn)行處理，含有機(jī)物的氣體經(jīng)過(guò)高溫焚燒后去除了有機(jī)物，高溫的氣體經(jīng)余熱鍋爐換熱產(chǎn)生蒸汽提供給干燥爐的換熱器，為干燥提供熱源，經(jīng)過(guò)余熱鍋爐的氣體降低了溫度，達(dá)標(biāo)的排入大氣中，換熱器產(chǎn)生的冷凝水到冷凝水回收系統(tǒng)統(tǒng)一收集進(jìn)行再利用。

通過(guò)公共廢氣管道線(xiàn)、蒸汽管線(xiàn)、冷凝水回水管線(xiàn)、控制管線(xiàn)等將14個(gè)干燥爐連接成一套系統(tǒng)。

2.3 SCR催化劑干燥爐控制系統(tǒng)的構(gòu)成

干燥操作系統(tǒng)選用PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)，自動(dòng)化站AS采用H CPUs熱備冗余系統(tǒng)[2]，上位機(jī)OS采用上位機(jī)冗余，這樣從監(jiān)控到控制都實(shí)現(xiàn)了冗余，當(dāng)上位機(jī)OS中任何一臺(tái)發(fā)生故障后都不會(huì)影響操作人員對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控，當(dāng)故障排除投入運(yùn)行后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行同步實(shí)現(xiàn)2臺(tái)上位機(jī)上的數(shù)據(jù)保持一致?？刂普続S中2臺(tái)西門(mén)子417-4H的CPU進(jìn)行熱備份實(shí)現(xiàn)冗余，正常運(yùn)行時(shí)2個(gè)CPU同時(shí)工作，自動(dòng)進(jìn)行事件同步，在編程和下載程序時(shí)只考慮單個(gè)CPU，程序可自動(dòng)拷貝到另一個(gè)CPU當(dāng)中，主從CPU可以無(wú)擾動(dòng)切換，故障排除后自動(dòng)再投入運(yùn)行。

干燥爐控制系統(tǒng)軟件分為2個(gè)部分。一部分為上位機(jī)，它包括工程師站項(xiàng)目組態(tài)軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件;另一部分為自動(dòng)化站控制軟件即控制程序。上位機(jī)的監(jiān)控軟件和控制程序都是在工程師站ES上安裝的PCS7軟件SIMATIC Manager中進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，因公司其他設(shè)備使用的過(guò)程控制系統(tǒng)軟件為PCS7 V7.0 SP2版本，因此，本次設(shè)計(jì)使用的版本是西門(mén)子PCS7 V7.0 SP2。

上位機(jī)部分由一臺(tái)工程師站兼作操作員站的ES/OS和一臺(tái)操作員站OS組成，這2臺(tái)上位機(jī)組態(tài)為冗余。ES/OS在項(xiàng)目初期用于整個(gè)項(xiàng)目的組態(tài)、軟件編程等工作，項(xiàng)目完成后主要作為操作員站，用于干燥系統(tǒng)的監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)作為ES用于維護(hù)。OS主要用于操作員進(jìn)行工藝監(jiān)控。

自動(dòng)化站由一套冗余的西門(mén)子S7-400系統(tǒng)組成，2塊417H CPU（含同步模塊）、2塊以太網(wǎng)通訊卡[3]。400CPU通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展8個(gè)分散式I/O站點(diǎn)，為使干燥爐系統(tǒng)可靠性增加，采用每2個(gè)干燥爐使用1個(gè)I/O站點(diǎn)，7個(gè)站點(diǎn)14個(gè)干燥爐，剩下1個(gè)站點(diǎn)用于公共部分如廢氣、直排管道等部分。整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)部分組成，一部分為系統(tǒng)總線(xiàn)由以態(tài)網(wǎng)組成，這一層網(wǎng)絡(luò)用于連接上位機(jī)與自動(dòng)化站;另一部分為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)由冗余PROFIBUS DP構(gòu)成，整個(gè)干燥爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在工程師站ES上安裝的PCS7軟件下進(jìn)行。在PCS7的SIMATIC Manager中創(chuàng)建項(xiàng)目。SIMATIC Manager有2種視圖模式，一種是組件視圖;另一種是工廠視圖。在組件視圖中主要完成硬件組態(tài)（包括AS硬件組態(tài)和OS硬件組態(tài)）、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、組態(tài)數(shù)據(jù)配置與下載;工廠視圖主要完成工廠層級(jí)的設(shè)置、程序的設(shè)計(jì)（包括AS程序和OS程序），本次的項(xiàng)目名為PLANT、干燥爐控制系統(tǒng)的項(xiàng)目名為DRYER。

為實(shí)現(xiàn)工藝控制要求，需要設(shè)計(jì)干燥工藝順序控制程序、干燥程序結(jié)束時(shí)間推算塊、閥門(mén)控制塊，以及對(duì)干燥爐內(nèi)溫度的精確控制，上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)干燥工藝順序控制程序的管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄查詢(xún)打印等功能。

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

自動(dòng)化站AS選用西門(mén)子S7 400系列CPU417-4H冗余控制器，IO模塊選用S7 300系列模塊，整個(gè)控制需要RACK：機(jī)架、底板、PS電源，CPU：中央處理器，CP：通訊處理器，ET200M：擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備安裝S7-300模塊，IM153.2：總線(xiàn)接口模塊，RTD：熱電阻，DI：數(shù)字量輸入，AI：模擬量輸入，DO：數(shù)字量輸出等器件。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選用冗余的以太網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)選用冗余的PROFIBUS DP。通過(guò)進(jìn)一步考慮可靠性，DP站點(diǎn)采用2個(gè)干燥爐掛在一個(gè)機(jī)架上，這樣將整體的14個(gè)干燥爐和公共部分分配到8個(gè)分布式I/O站上去，這樣分配即使某個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響到其他站點(diǎn)的干燥爐運(yùn)行，可將出問(wèn)題后的損失降到最低。

一臺(tái)干燥爐的信號(hào)設(shè)計(jì)：通過(guò)PT100溫度傳感器采集的模擬輸入溫度RTD信號(hào)3個(gè)，通過(guò)RTK閥門(mén)電位器采集的模擬閥位信號(hào)（0～10V電壓信號(hào)）4個(gè)，通過(guò)濕度傳感器采集的模擬濕度信號(hào)（4～20mA電流信號(hào)）1個(gè)，控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的數(shù)字輸出控制信號(hào)12個(gè)，通過(guò)閥門(mén)反饋的數(shù)字輸入信號(hào)5個(gè)。

整套干燥系統(tǒng)由14臺(tái)干燥爐和公共系統(tǒng)組成，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)為：RTD信號(hào)42個(gè)，0～10V信號(hào)56個(gè)、4～20mA信號(hào)14個(gè)、開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)168個(gè)，開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)70個(gè)。考慮公共管線(xiàn)的信號(hào)與10%的備用點(diǎn)位以及CPU、接口模塊、通訊模塊等，系統(tǒng)的硬件考慮統(tǒng)計(jì)如表1所示。

AS硬件組態(tài)需在PCS7 V7.0 SP2平臺(tái)下的組件視圖下的“HW Config”軟件中進(jìn)行。AS部分要組態(tài)冗余的417-4H冗余控制器和由冗余控制器通過(guò)冗余的PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)擴(kuò)展8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O站，組態(tài)時(shí)需對(duì)417-4H冗余控制器分配IP地址，主控制器IP設(shè)為192.168.0.1，冗余控制器IP設(shè)為192.168.0.2，8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O站DP地址分配分別為5～12，每個(gè)分布式I/O由ET200M擴(kuò)展，ET200M由2塊IM153-2組成，它們分別連接到機(jī)架0和機(jī)架1上的CPU引出的PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上，每個(gè)分布式I/O上掛接了不同數(shù)量AI、DI、DO模塊。AS硬件組態(tài)完成后如圖3所示。

3.2 控制系統(tǒng)控制站程序的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)AS控制程序主要有工藝順控程序、開(kāi)關(guān)閥控制程序、調(diào)節(jié)閥控制程序、風(fēng)機(jī)控制程序以及溫度PID調(diào)節(jié)控制程序。工藝順控程序主要完成將數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先存儲(chǔ)的工藝數(shù)據(jù)讀出，并按工藝數(shù)據(jù)控制各器件，按預(yù)定的要求進(jìn)行控制，推算結(jié)束時(shí)間，同時(shí)，可對(duì)順序控制程序進(jìn)行暫停、跳轉(zhuǎn)、重新調(diào)整等;開(kāi)關(guān)閥及風(fēng)機(jī)按順控程序的指令進(jìn)行動(dòng)作;控制程序中最關(guān)鍵的程序?yàn)镻ID調(diào)節(jié)控制程序。由于工藝的需要，在低溫和高溫時(shí)的PID相應(yīng)要求和控制精度不同，工藝順控程序在不同階段給PID不同的參數(shù)用于適應(yīng)工藝控制要求。

控制程序中PID采用PCS7標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的連續(xù)型PID控制器CTRL_PID（FB61）進(jìn)行溫度控制，采用PCS7中自定義功能塊功能，在SCL中進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需的工藝順控程序、開(kāi)關(guān)閥控制程序、風(fēng)機(jī)控制程序等專(zhuān)用功能塊[4]，其中的1臺(tái)干燥爐的控制程序的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，完成一臺(tái)干燥爐程序后并調(diào)試通過(guò)后，將其建立成模型，通過(guò)導(dǎo)入

模型的方式，實(shí)現(xiàn)其他干燥爐的程序。

3.3 控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)主要使用的是PCS7中的WINCC軟件，與單純的WINCC軟件有所不同，該WINCC中的變量、報(bào)警、記錄、網(wǎng)絡(luò)、配置、部件的圖塊及控制面板等都是在PCS7中做好組態(tài)后編譯得到，大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，干燥爐的上位機(jī)畫(huà)面如圖1所示，其中工藝流程畫(huà)面為手工繪制，風(fēng)機(jī)、閥門(mén)、PID控制塊等都是通過(guò)編譯得到，特別注意的是，在PCS7中自定的塊，圖塊也需要進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，只有這樣才能通過(guò)編譯得到。

4 整套控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的干燥爐控制系統(tǒng)是在原有干燥爐基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，在原控制系統(tǒng)的控制旁增加一套新的400H CPU、通訊卡及上位機(jī)，先將待改造升級(jí)的1個(gè)站點(diǎn)與2臺(tái)干燥爐接入新的PCS7系統(tǒng)，其他干燥爐保持原有的運(yùn)行模式，接入的站點(diǎn)調(diào)試運(yùn)行成功后，再接入另一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試，以此類(lèi)推最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的改造升級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)整套控制系統(tǒng)的分析及工藝需求的探討，在沒(méi)有原系統(tǒng)原始程序的條件下，先改造其中2臺(tái)爐，成功后再對(duì)其他爐進(jìn)行改造升級(jí)，整個(gè)改造升級(jí)過(guò)程僅會(huì)短時(shí)影響2臺(tái)爐的生產(chǎn)，最大限度地減小對(duì)生產(chǎn)的影響，避免了整體升級(jí)改造對(duì)企業(yè)帶來(lái)的生產(chǎn)損失，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化生產(chǎn)、研發(fā)產(chǎn)品的快速批量生產(chǎn)、產(chǎn)品的定制等功能，為該催化劑企業(yè)有效參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)作出了巨大的貢獻(xiàn)。

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