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舒雄鷹

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

圖1  焦爐集氣系統工藝流程

本系統有兩套焦爐系統，一焦系統爐型為小58型，孔數為30*2，年產焦炭20萬噸，煤氣發生量10 000m3h；二焦系統爐型為JN43-80II型，孔數33*2，年產焦炭43萬噸，煤氣發生量為21 000m3h。如圖1所示，焦爐集氣系統工藝過程為：從炭化室溢出的850℃左右的荒煤氣在橋管處經循環氨水噴灑冷卻至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出后，進入立管式初冷器，從初冷器出來的煤氣由煤氣鼓風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節都將影響到另一對象，進而影響整個管路系統的穩定，因此，對該系統壓力的調節十分困難。
3  系統硬件配置
焦爐集氣系統檢測與控制項目主要有：各點溫度、壓力參數檢測（包括機側及焦側集氣管、氣液分離器出口、初冷器出口、風機前后、洗滌塔出口）、集氣管壓力控制、風機吸力控制、煤氣放散控制等。
根據系統檢測與控制要求，控制系統硬件配置如圖2所示，系統由兩個控制站和三個操作員操作監視站組成總線型網絡。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閉環控制模板、SM431模擬量輸入模板及SM421/SM422數字量輸入/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閉環控制模板、SM331模擬量輸入模板及SM321/SM322數字量輸入/輸出模板。操作員操作監視站采用工控機IPC，配置SIMATIC CP5613通信卡與PLC通信。系統監控和數據采集系統(SCADA)選用美國Intellution公司的FIX MMI7.0，提供操作員監視、操作、系統報警及報表生成等功能。
 

圖2  控制系統硬件配置圖

除了在一焦、二焦控制室設置操作員操作監視站外，還在調度室設置一臺監視站，用于調度人員監視整個焦化廠兩套焦爐系統的生產過程。整個系統由PROFIBUS LAN電纜聯網，構成PROFIBUS總線型網絡。按照SIMATIC S7通信協議實現各站之間的數據通信。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  軟件系統設計
軟件系統設計包括PLC組態及參數配置、系統監控程序設計、網絡通信配置、操作員站及調度室站人機界面系統設計等幾個部分。PLC組態及參數配置、監控系統編程均在SIEMENS STEP7環境下完成，其中系統監控程序采用STL(STATEMENT LIST PROGRAMMING LANGUAGE)編程語言編寫，程序功能包括系統初始化、參數量程變換、參數監視及異常處理、集氣系統壓力控制等。
網絡配置包括PLC端和PC機端兩部分，分別由SIMATIC NCM7網絡通信軟件包及FIX S7-Driver完成。人機界面系統設計由FIX MMI軟件實現，包括畫面設計、過程數據庫建立以及監控軟件功能塊的編制等。
(1)  壓力控制系統
集氣壓力控制系統如圖3所示，系統由3個閉環控制回路組成：1#集氣管壓力控制回路、2#集氣管壓力控制回路及風機吸力控制回路。1#、2#集氣管壓力控制回路用以調節集氣管本身閥門的開度，風機吸力和煤氣放散控制回路調節整個吸力管道的壓力，集氣管壓力由集氣管壓力調節閥門開度及管道系統壓力共同決定。
 

圖3  焦爐壓力控制系統圖

焦爐集氣系統集氣管壓力對于焦爐生產過程的正常進行至關重要，直接關系到產品的質量、能源的消耗量、爐體的維護以及環境污染等問題，應盡量保持其穩定。對此，我們在總結已有操作經驗的基礎上，采用多層規則控制思想對各集氣管壓力進行設定值控制。
 

圖4  控制系統軟件結構

控制軟件結構如圖4所示，采用兩層規則控制結構：工況判斷層和策略執行層。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，策略執行層則根據工況判斷層得出的條件，執行相應的控制策略。當兩個系統的壓力在小范圍內波動時，各系統分別進行常規PID定值控制，維持本系統及整個集氣系統的平衡；當壓力在大范圍波動，導致集氣管壓力不平衡時，則根據出現的不平衡狀態，執行集氣管壓力控制系統與風機吸力控制系統的設定值控制。即通過改變三系統的壓力設定值，加強各系統的反應速度，使整個系統迅速達到新的平衡。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#集氣管壓力設定值，進一步減小2#集氣管壓力調節閥開度，經過一定時間的延遲后，再加大風機吸力（即降低風機回流系統的設定值），使系統恢復平衡。
本系統采用SIMATIC FM355/455閉環控制模板提供的16路閉環控制器作為PID調節器，通過對FB31 PID_FM功能模塊的調用實現對控制通道控制、操作參數的讀寫。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，如指定設定值、改變操作量、切換控制器運行狀態等。對應于模板上每一個控制通道需指定相應的數據塊Instance DB，該DB包含控制通道所需所有參數，對其進行操作便可實現對模板上控制通道參數的在線操作。控制模塊設定值的寫入通過置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，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點信號所觸發的計時，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)  網絡通信
西門子S7系列PLC提供了工業以太網、PROFIBUS網絡、MPI網絡等多種聯網方式，考慮到系統的通信距離、網絡規模及網絡易用性，可采用標準PROFIBUS總線型網絡實現網絡通信。PROFIBUS網絡符合EN50 170標準，采用屏蔽雙絞線作為通信介質，網絡最大通信距離可達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。網絡允許SIMATIC S7/M7/C7、SIMATIC PG/PC、SIMATIC S5等多種系統互聯，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現場總線上，采用S7 FUNCTION作為通信協議。網絡通信功能由各站通信處理器的組態配置軟件完成，首先在STEP7 NetPro網絡組態環境中為各站設置相應的連接ID、連接類型(Connection Type)及通信速率等參數，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，本系統沒有選用西門子的工業監控軟件WINCC，而采用美國Intellution公司的FIX 7.0作為本系統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驅動器S7-Driver進行數據交換，以便對FIX過程數據庫進行定時刷新，實現操作員站、調度室站與PLC之間的通信。
FIX I/O驅動器S7-Driver與CP5613的數據交換是通過在計算機內存中建立一張設備映像表（DIT）的方式實現的，該表中的所有數據映射為相應PLC中的各種類型數據，如DB、DI、M等。
(3)  人機界面系統
FIX 7.0工業監控軟件提供了數據采集和數據處理兩方面的功能，將傳統的控制室變成了計算機和一個圖形屏幕，其SCADA和MMI功能實現了對工業過程的監視、控制及報警。
為了使操作人員能夠方便及時地對生產過程進行全面監控，設計人員開發了生產流程、集氣管壓力調整、實時趨勢、歷史趨勢及系統報警等操作監視畫面。
報表功能則利用Intellution的DDE(Dynamic Data Exchange 動態數據交換)服務在Microsoft Excel與FIX系統之間交換各種過程數據來生成，提供定時和隨機兩種打印方式。另外，為了提高系統的安全性，提供了安全組態及登錄機制，賦予不同操作管理人員不同級別的系統訪問權。
5  結語
本系統采用西門子S7 PLC實現對焦爐集氣系統的自動檢測與控制，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則設定值控制，實現了集氣管壓力的穩定控制。系統實際運行后，效果良好，在凈化環境、提高產品質量等方面達到了設計要求，具有穩定可靠、易于維護和擴展性好等特點。