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舒雄鷹

1  引言
可編程控制器（PLC）在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用PLC不僅能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，而且還能完成各種閉環(huán)控制，其可靠性高、抗干擾能力強、維護量小、能方便地與計算機聯(lián)網(wǎng)通信等特點得到了廣泛的青睞，對于提高企業(yè)自動化水平、降低能源消耗、減少污染發(fā)揮了重要的作用。下面以西門子S7系列PLC在山西臨汾焦化廠焦爐集氣系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，加以說明。
2  工藝簡介
焦爐壓力控制系統(tǒng)是焦爐自動控制系統(tǒng)的重要對穩(wěn)定，根據(jù)爐型與爐況的不同，一般要求集氣管壓力穩(wěn)定在80～100Pa范圍內(nèi)。
 

圖1  焦爐集氣系統(tǒng)工藝流程

本系統(tǒng)有兩套焦爐系統(tǒng)，一焦系統(tǒng)爐型為小58型，孔數(shù)為30*2，年產(chǎn)焦炭20萬噸，煤氣發(fā)生量10 000m3h；二焦系統(tǒng)爐型為JN43-80II型，孔數(shù)33*2，年產(chǎn)焦炭43萬噸，煤氣發(fā)生量為21 000m3h。如圖1所示，焦爐集氣系統(tǒng)工藝過程為：從炭化室溢出的850℃左右的荒煤氣在橋管處經(jīng)循環(huán)氨水噴灑冷卻至80~85℃左右，通過吸力管道引入氣液分離器，煤氣由氣液分離器上方導(dǎo)出后，進入立管式初冷器，從初冷器出來的煤氣由煤氣鼓風(fēng)機加壓后通過壓力管道將大部分送往下道工序，當煤氣量過小時風(fēng)機出口的煤氣引一部分通過回流管引入初冷器前。從圖1中可看出，兩座焦爐的集氣管并聯(lián)成一根總管進入氣液分離器，這樣勢必造成集氣管之間的壓力耦合，對其中任一對象的調(diào)節(jié)都將影響到另一對象，進而影響整個管路系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此，對該系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)十分困難。
3  系統(tǒng)硬件配置
焦爐集氣系統(tǒng)檢測與控制項目主要有：各點溫度、壓力參數(shù)檢測（包括機側(cè)及焦側(cè)集氣管、氣液分離器出口、初冷器出口、風(fēng)機前后、洗滌塔出口）、集氣管壓力控制、風(fēng)機吸力控制、煤氣放散控制等。
根據(jù)系統(tǒng)檢測與控制要求，控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示，系統(tǒng)由兩個控制站和三個操作員操作監(jiān)視站組成總線型網(wǎng)絡(luò)。控制站采用德國西門子S7系列PLC，一焦控制站為SIMATIC S7-400，配置413-2DP CPU模板、CP443-5通信處理器、FM455C閉環(huán)控制模板、SM431模擬量輸入模板及SM421/SM422數(shù)字量輸入/輸出模板。二焦控制站為SIMATIC S7-300，配置315-2DP CPU模板、CP343-5通信處理器、FM355C閉環(huán)控制模板、SM331模擬量輸入模板及SM321/SM322數(shù)字量輸入/輸出模板。操作員操作監(jiān)視站采用工控機IPC，配置SIMATIC CP5613通信卡與PLC通信。系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)選用美國Intellution公司的FIX MMI7.0，提供操作員監(jiān)視、操作、系統(tǒng)報警及報表生成等功能。
 

圖2  控制系統(tǒng)硬件配置圖

除了在一焦、二焦控制室設(shè)置操作員操作監(jiān)視站外，還在調(diào)度室設(shè)置一臺監(jiān)視站，用于調(diào)度人員監(jiān)視整個焦化廠兩套焦爐系統(tǒng)的生產(chǎn)過程。整個系統(tǒng)由PROFIBUS LAN電纜聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成PROFIBUS總線型網(wǎng)絡(luò)。按照SIMATIC S7通信協(xié)議實現(xiàn)各站之間的數(shù)據(jù)通信。由于控制室之間距離較遠，在兩段電纜之間用RS485中繼器連接。
4  軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件系統(tǒng)設(shè)計包括PLC組態(tài)及參數(shù)配置、系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信配置、操作員站及調(diào)度室站人機界面系統(tǒng)設(shè)計等幾個部分。PLC組態(tài)及參數(shù)配置、監(jiān)控系統(tǒng)編程均在SIEMENS STEP7環(huán)境下完成，其中系統(tǒng)監(jiān)控程序采用STL(STATEMENT LIST PROGRAMMING LANGUAGE)編程語言編寫，程序功能包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)量程變換、參數(shù)監(jiān)視及異常處理、集氣系統(tǒng)壓力控制等。
網(wǎng)絡(luò)配置包括PLC端和PC機端兩部分，分別由SIMATIC NCM7網(wǎng)絡(luò)通信軟件包及FIX S7-Driver完成。人機界面系統(tǒng)設(shè)計由FIX MMI軟件實現(xiàn)，包括畫面設(shè)計、過程數(shù)據(jù)庫建立以及監(jiān)控軟件功能塊的編制等。
(1)  壓力控制系統(tǒng)
集氣壓力控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由3個閉環(huán)控制回路組成：1#集氣管壓力控制回路、2#集氣管壓力控制回路及風(fēng)機吸力控制回路。1#、2#集氣管壓力控制回路用以調(diào)節(jié)集氣管本身閥門的開度，風(fēng)機吸力和煤氣放散控制回路調(diào)節(jié)整個吸力管道的壓力，集氣管壓力由集氣管壓力調(diào)節(jié)閥門開度及管道系統(tǒng)壓力共同決定。
 

圖3  焦爐壓力控制系統(tǒng)圖

焦爐集氣系統(tǒng)集氣管壓力對于焦爐生產(chǎn)過程的正常進行至關(guān)重要，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能源的消耗量、爐體的維護以及環(huán)境污染等問題，應(yīng)盡量保持其穩(wěn)定。對此，我們在總結(jié)已有操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用多層規(guī)則控制思想對各集氣管壓力進行設(shè)定值控制。
 

圖4  控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

控制軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用兩層規(guī)則控制結(jié)構(gòu)：工況判斷層和策略執(zhí)行層。工況判斷層用于對當前1#、2#集氣管壓力檢測值進行分析判斷，策略執(zhí)行層則根據(jù)工況判斷層得出的條件，執(zhí)行相應(yīng)的控制策略。當兩個系統(tǒng)的壓力在小范圍內(nèi)波動時，各系統(tǒng)分別進行常規(guī)PID定值控制，維持本系統(tǒng)及整個集氣系統(tǒng)的平衡；當壓力在大范圍波動，導(dǎo)致集氣管壓力不平衡時，則根據(jù)出現(xiàn)的不平衡狀態(tài)，執(zhí)行集氣管壓力控制系統(tǒng)與風(fēng)機吸力控制系統(tǒng)的設(shè)定值控制。即通過改變?nèi)到y(tǒng)的壓力設(shè)定值，加強各系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使整個系統(tǒng)迅速達到新的平衡。例如，當1#集氣管壓力偏高，而2#集氣管壓力偏低時，控制策略為：先提高2#集氣管壓力設(shè)定值，進一步減小2#集氣管壓力調(diào)節(jié)閥開度，經(jīng)過一定時間的延遲后，再加大風(fēng)機吸力（即降低風(fēng)機回流系統(tǒng)的設(shè)定值），使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。
本系統(tǒng)采用SIMATIC FM355/455閉環(huán)控制模板提供的16路閉環(huán)控制器作為PID調(diào)節(jié)器，通過對FB31 PID_FM功能模塊的調(diào)用實現(xiàn)對控制通道控制、操作參數(shù)的讀寫。該模塊是FM355/455模板的編程接口，它允許用戶在模板運行時對各控制通道進行在線操作，如指定設(shè)定值、改變操作量、切換控制器運行狀態(tài)等。對應(yīng)于模板上每一個控制通道需指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊Instance DB，該DB包含控制通道所需所有參數(shù)，對其進行操作便可實現(xiàn)對模板上控制通道參數(shù)的在線操作。控制模塊設(shè)定值的寫入通過置LOAD_OP=1完成。整個控制模塊由200ms定時中斷OB35定時掃描。
編程中延時模塊用定時器（Timer）實現(xiàn)，時間值存于ACCU1-L寄存器中。需要注意的是西門子PLC定時器通常是用于外部節(jié)點信號所觸發(fā)的計時，因此在軟件編程中使用定時器延時必須在使用相應(yīng)定時器指令之前，給標志位RLO一個脈沖信號，否則定時器將不會啟動。
(2)  網(wǎng)絡(luò)通信
西門子S7系列PLC提供了工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、MPI網(wǎng)絡(luò)等多種聯(lián)網(wǎng)方式，考慮到系統(tǒng)的通信距離、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)易用性，可采用標準PROFIBUS總線型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)符合EN50 170標準，采用屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)最大通信距離可達9.6km（段間由RS485中繼器連接），最多允許127個站連接，通信速率從9.6Kbps到1.5Mbps可選。網(wǎng)絡(luò)允許SIMATIC S7/M7/C7、SIMATIC PG/PC、SIMATIC S5等多種系統(tǒng)互聯(lián)，通信功能包括PG/PC通信、S7通信、S5通信及標準FMS通信。
本系統(tǒng)PLC端和PC端分別通過CP343-5、CP5613通信處理器作為主站連接到PROFIBUS現(xiàn)場總線上，采用S7 FUNCTION作為通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信功能由各站通信處理器的組態(tài)配置軟件完成，首先在STEP7 NetPro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)環(huán)境中為各站設(shè)置相應(yīng)的連接ID、連接類型(Connection Type)及通信速率等參數(shù)，然后將生成的文件下載至各站即可完成各PLC站之間的通信連接。
由于成本問題，本系統(tǒng)沒有選用西門子的工業(yè)監(jiān)控軟件WINCC，而采用美國Intellution公司的FIX 7.0作為本系統(tǒng)SCADA及MMI。這樣在FIX與西門子CP5613通信處理器之間必須通過I/O驅(qū)動器S7-Driver進行數(shù)據(jù)交換，以便對FIX過程數(shù)據(jù)庫進行定時刷新，實現(xiàn)操作員站、調(diào)度室站與PLC之間的通信。
FIX I/O驅(qū)動器S7-Driver與CP5613的數(shù)據(jù)交換是通過在計算機內(nèi)存中建立一張設(shè)備映像表（DIT）的方式實現(xiàn)的，該表中的所有數(shù)據(jù)映射為相應(yīng)PLC中的各種類型數(shù)據(jù)，如DB、DI、M等。
(3)  人機界面系統(tǒng)
FIX 7.0工業(yè)監(jiān)控軟件提供了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面的功能，將傳統(tǒng)的控制室變成了計算機和一個圖形屏幕，其SCADA和MMI功能實現(xiàn)了對工業(yè)過程的監(jiān)視、控制及報警。
為了使操作人員能夠方便及時地對生產(chǎn)過程進行全面監(jiān)控，設(shè)計人員開發(fā)了生產(chǎn)流程、集氣管壓力調(diào)整、實時趨勢、歷史趨勢及系統(tǒng)報警等操作監(jiān)視畫面。
報表功能則利用Intellution的DDE(Dynamic Data Exchange 動態(tài)數(shù)據(jù)交換)服務(wù)在Microsoft Excel與FIX系統(tǒng)之間交換各種過程數(shù)據(jù)來生成，提供定時和隨機兩種打印方式。另外，為了提高系統(tǒng)的安全性，提供了安全組態(tài)及登錄機制，賦予不同操作管理人員不同級別的系統(tǒng)訪問權(quán)。
5  結(jié)語
本系統(tǒng)采用西門子S7 PLC實現(xiàn)對焦爐集氣系統(tǒng)的自動檢測與控制，針對焦爐集氣管壓力對象的實際特點，充分利用PLC強大靈活的控制運算功能對集氣管壓力實施兩層規(guī)則設(shè)定值控制，實現(xiàn)了集氣管壓力的穩(wěn)定控制。系統(tǒng)實際運行后，效果良好，在凈化環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面達到了設(shè)計要求，具有穩(wěn)定可靠、易于維護和擴展性好等特點。