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引言
 
    蘭州石化公司化肥廠大化肥裝置1997年建成投產(chǎn)，大多數(shù)設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備?？辗盅b置采用德國(guó)林德公司工藝技術(shù)和設(shè)備，主要為合成氨裝置提供合格的氧氣和氮?dú)?。膨脹機(jī)是空分裝置的重要設(shè)備之一，在生產(chǎn)中是不可缺少的。其主要作用是將來自氮壓機(jī)二段的氮?dú)饨?jīng)增壓機(jī)加壓，經(jīng)增壓機(jī)后冷卻器冷卻后進(jìn)入循環(huán)換熱器。在循環(huán)換熱器中被冷卻到后抽出，然后經(jīng)過膨脹機(jī)前過濾器，快關(guān)閥以及膨脹機(jī)噴嘴，最后推動(dòng)膨脹機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)外做功，氣體溫度、壓力降低，同時(shí)有少量被液化，經(jīng)分離器分離后，液體部分送到低壓塔做為少量回流液。氣相部分則進(jìn)入換熱器復(fù)熱，最后進(jìn)入中壓氮總管。兩臺(tái)膨脹機(jī)是德國(guó)ATLAS COPCO公司生產(chǎn)的離心式壓縮機(jī)，兩臺(tái)互為備用，一臺(tái)使用另一臺(tái)后備。其控制系統(tǒng)由德國(guó)西門子（SIEMENS）公司SIMATIC S5 PLC和4臺(tái)HB控制器等組成，完成了膨脹機(jī)監(jiān)測(cè)、控制、邏輯和安全保護(hù)等功能。隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，控制系統(tǒng)故障頻率也增多，不僅嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，而且造成了經(jīng)濟(jì)、能源浪費(fèi)和企業(yè)效益損失。

1控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
  
    S5系列 PLC是德國(guó)西門子公司八十年代推出的小型可編程序控制器，采用結(jié)構(gòu)緊湊的模塊化設(shè)計(jì)，性能可靠。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，控制系統(tǒng)各類故障不斷出現(xiàn)。軟硬故障都出現(xiàn)過，故障產(chǎn)生的原因和部位也較為多樣。2001年，我廠設(shè)備大檢修膨脹機(jī)控制系統(tǒng)下電，待上電后，電源、CPU模塊、I/O等模塊各指示燈正常，輸入信號(hào)正常但指示不正確，經(jīng)檢查后認(rèn)為程序出錯(cuò)，取出EPROM，清空RAM中的程序，將EPROM卡插入PLC中，將EPROM卡上的程序拷回PLC，故障消除；曾經(jīng)出現(xiàn)通訊故障和人機(jī)界面MP30-A黑屏現(xiàn)象，西門子公司兩次來人處理。至于其它PLC硬件故障較為直觀發(fā)現(xiàn)，更換模塊解決問題。2004年檢修后上電，人機(jī)界面MP-30黑屏，通過判斷人機(jī)界面出現(xiàn)問題。尋找該型號(hào)產(chǎn)品，此產(chǎn)品已停止生產(chǎn)，無法用其它產(chǎn)品代替，兩臺(tái)膨脹機(jī)只好用一臺(tái)人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。
 
    由于設(shè)備出現(xiàn)故障頻率增多，維修有一定困難且維修費(fèi)用也較高，同時(shí)要求維修人員具有較高的專業(yè)技術(shù)，并且有一定的外語和計(jì)算機(jī)功底，只有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)了解和熟悉后才能對(duì)常見的故障做到判斷迅速、排除迅速，并盡可能地降低維修費(fèi)用，確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定。另一方面由于產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，該產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)，配件早已不生產(chǎn)，備件已無法供應(yīng),出現(xiàn)問題很難解決。所以對(duì)膨脹機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)改造十分必要。

2 改造方案的確定和實(shí)施
 
    針對(duì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題，經(jīng)過認(rèn)真分析研究，確定對(duì)膨脹機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。這次改造仍采用西門子高性能成熟的SIMATIC S7-400H（簡(jiǎn)稱S7-400H）產(chǎn)品來替代原有的S5-115U進(jìn)行對(duì)膨脹機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。將原來用于膨脹機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)和防喘振調(diào)節(jié)的四臺(tái)HB控制器去掉，改到S7-400H系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其它功能和操作方式基本不變。現(xiàn)場(chǎng)儀表和操作盤不做任何改動(dòng)。用兩臺(tái)MP370人機(jī)界面代替原MP30-A人機(jī)界面。同時(shí)增加一臺(tái)PLC工程師，用于維護(hù)和臨時(shí)修改程序。S7-400H PLC系統(tǒng)采用西門子提供的STEP 7 v5.3 SP3編程軟件對(duì)其進(jìn)行編程組態(tài)。人機(jī)界面MP370采用西門子公司的SIMATIC WinCC6.0 SP3組態(tài)軟件進(jìn)行編程組態(tài)。
 
    2.1硬件部分
 
    根據(jù)可靠性和性能以及I/O點(diǎn)數(shù)要求，膨脹機(jī)控制系統(tǒng)配置冗余S7-414H一套、MP370人機(jī)界面兩套、 PLC系統(tǒng)由S7414-2DP的CPU 帶2個(gè)遠(yuǎn)程I/O站組成。 同時(shí)增加一臺(tái)PLC工程師，用于維護(hù)和臨時(shí)修改程序。
 
    膨脹機(jī)控制系統(tǒng)S7-400H機(jī)柜由西門子公司集成，機(jī)柜安裝在原膨脹機(jī)控制柜位置。將原來的信號(hào)電纜接在改造后的I/O卡件上。安裝好機(jī)柜、硬件、接地和通訊電纜等，檢查合格后上電。
 
    2.2軟件部分
 
    對(duì)改造后的S7-400H PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程組態(tài)，組態(tài)包括控制功能和顯示功能兩部分。
 
    2.2.1控制功能部分
 
    S7-400H PLC系統(tǒng)采用STEP 7 v5.3 SP3編程軟件對(duì)其控制和邏輯等功能進(jìn)行編程組態(tài)。該控制系統(tǒng)具有原控制系統(tǒng)以下功能：
 
    膨脹機(jī)的開停和控制：就地/控制室盤選擇開關(guān)，選擇在控制室還是在就地啟動(dòng)/停止膨脹機(jī)。調(diào)整膨脹機(jī)膨脹量，控制好入塔空氣溫度，氧氣取出量，加工空氣量和壓力。通過膨脹量來控制主冷液位的高低，轉(zhuǎn)速、噴嘴、防喘振閥控制。膨脹機(jī)出入口氣體溫度、內(nèi)外軸承溫度、油過濾器后的油溫正常、出入口氣體壓力、潤(rùn)滑油進(jìn)軸承油溫、密封氣壓力、膨脹機(jī)軸振動(dòng)、導(dǎo)流器與膨脹機(jī)出口壓力差、檢查油箱油液位以及油泵運(yùn)行情況等監(jiān)測(cè)指示功能。
 
    聯(lián)鎖保護(hù)功能：系統(tǒng)出現(xiàn)保護(hù)性故障時(shí)，具有報(bào)警、停機(jī)功能，軸瓦溫度、軸振動(dòng)軸位移、油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、出入口氣體溫度、壓力以及轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障等原因報(bào)警跳車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，并記錄報(bào)警信息。
輔助系統(tǒng)控制：包括輔助油泵啟?？刂?，油電加熱器的控制。
 
    此外，S7-400H PLC增加了S5 PLC無法實(shí)現(xiàn)的功能，而這些功能原來由HB控制器實(shí)現(xiàn)：
 
    a 噴嘴控制功能
 
    在程序中組態(tài)噴嘴調(diào)節(jié)器[注：HC3402（或HC3452）原來是HB調(diào)解器]，完成噴嘴控制功能，組態(tài)控制選擇方式，手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換，快開/快關(guān)按鈕等功能。 開車時(shí)對(duì)噴嘴開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
 
    b防喘振閥控制功能
 
    在程序中組態(tài)防喘振調(diào)節(jié)器[注：HC3405（或HC3455）原來是HB調(diào)解器]，該控制器具有：當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的全手動(dòng)功能將自動(dòng)被屏蔽。當(dāng)機(jī)組有運(yùn)行信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到全自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組有信號(hào)停止時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)，并且輸出100%。當(dāng)進(jìn)行緊急放空操作時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)，并且輸出100%，同時(shí)使得電磁閥失電。此功能僅限于機(jī)組極其不穩(wěn)定的時(shí)候才可以應(yīng)用。當(dāng)機(jī)組處于安全狀態(tài)時(shí)，可以將全自動(dòng)切換到半自動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行人工操作，但當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)半自動(dòng)將自動(dòng)被全自動(dòng)代替。通過調(diào)節(jié)防喘振調(diào)節(jié)器來控制膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速。
 
    2.2.2顯示功能部分
 
    改造后人機(jī)界面MP370用SIMATIC WinCC6.0 SP3組態(tài)軟件進(jìn)行編程組態(tài)，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單。WinCC軟件功能更加強(qiáng)大，作為一種全面開放的監(jiān)控軟件，不僅提供數(shù)據(jù)開放功能，而且集成的Sybase anywhere數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為以后管理機(jī)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)打下基礎(chǔ)，同時(shí)支持DDE、OLE、OCX、ActiveX、OPC和ODBC等功能 組態(tài)非常方便。
 
    WinCC組態(tài)軟件定義MP370操作面板畫面全局功能鍵和局部功能鍵。全局功能鍵始終觸發(fā)同樣的操作，而不管當(dāng)前顯示何種畫面，回到所需的畫面；局部功能鍵可以在每個(gè)畫面中觸發(fā)不同的操作。WinCC組態(tài)了MP370流程圖和操作畫面，畫面包括：主畫面，A透平畫面， B透平畫面，啟動(dòng)條件畫面，啟動(dòng)準(zhǔn)備畫面，工藝過程值畫面，防喘振控制畫面，噴嘴調(diào)節(jié)畫面，回溫畫面，停車信息畫面，報(bào)警信息畫面，軸溫畫面，油路及密封氣畫面，A/B氣路畫面，A/B 油路畫面，A/B過程值畫面，A/B聯(lián)鎖設(shè)定點(diǎn)畫面，A/B防喘振曲線畫面，回溫啟停操作和啟動(dòng)過程值畫面等。
 
    PLC工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)與S7-400H PLC通訊,連續(xù)不斷的從生產(chǎn)過程中獲得大量的信息，并及時(shí)為工藝操作人員顯示設(shè)備狀態(tài)，提供彩色畫面詳圖、棒圖、曲線圖、報(bào)警表、以及動(dòng)態(tài)流程圖，因此操作人員可以通過上述畫面檢查各種信號(hào)的詳細(xì)情況，修改設(shè)定值、改變操作方式，從而起到指導(dǎo)實(shí)時(shí)操作和控制的作用。
 
    2.3聯(lián)機(jī)調(diào)試
 
    當(dāng)完成硬件安裝，控制柜接線和軟件編程組態(tài)工作后，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試，檢查控制功能和邏輯，聯(lián)鎖保護(hù)等功能是否和原來一樣。調(diào)試合格后，做好系統(tǒng)程序和用戶程序備份，交付生產(chǎn)使用。

3 改造后控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
 
    3.1 SIMATIC S7-400H的特點(diǎn)
 
    SIMATIC S7-400H除了具有S5系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用了新的系統(tǒng)和軟件，CPU按級(jí)別分類均向上兼容，封閉結(jié)構(gòu)的模板設(shè)計(jì)，提高在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的適應(yīng)能力。方便的信號(hào)模板接口，模板結(jié)構(gòu)緊湊，元件高度集中。最優(yōu)的通訊和網(wǎng)絡(luò)接口，良好的用戶界面?？勺杂蛇x擇模板的插槽。可以不使用冷卻風(fēng)扇，非分段機(jī)架中的多重計(jì)算。模板安裝非常簡(jiǎn)便，背板總線集成在機(jī)架內(nèi)，方便、機(jī)械式的模板更換經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)的連接系統(tǒng)，TOP連接，規(guī)定的安裝深度和沒有槽位規(guī)則。如果用戶需要比中央控制器更多的功能，S7-400可以擴(kuò)展。高速指令處理，用戶友好的參數(shù)設(shè)置，用戶友好的操作員控制和監(jiān)視功能（HMI），CPU的終端功能和自測(cè)試智能診斷系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)視系統(tǒng)功能并記錄錯(cuò)誤和系統(tǒng)的特殊事件。
 
    3.2改造前后控制系統(tǒng)比較：
 
    改造前S5-115U結(jié)構(gòu)配置簡(jiǎn)圖如圖1所示