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　　摘 要：在傳統的工業控制中，一般都是由上位監控軟件和下位編程軟件通過中間驅動程序來完成控制的，而SIMATIC PCS7 是新一代的過程控制系統。在很多控制領域，SIMATIC PCS7 憑借其先進的技術已經完全取代了傳統的控制系統，各種控制過程功能全面，維護簡單。本文介紹了SIMATIC PCS7 在甘肅省金川集團公司30kt/a高品質精制硫酸鎳生產系統中的應用，使得復雜的控制過程變得簡單、維護更加方便。

　　關鍵詞：SIMATIC PCS7 CFC SFC PID S7-400H 冗余 硫酸鎳生產

　　引言

　　SIMATIC PCS7是西門子的新一代控制系統，是以邏輯方式將以TELEPERM系列集散系統和S5、S7系列PLC為基礎的系統所獲得的經驗集中起來并進一步發展而成的。它結合最先進的電子制造技術、網絡通信技術、圖形圖像處理技術、現場總線技術、計算機技術和先進自動化控制理論，是為適應各種不同工業領域的所有控制任務而專門設計的。

　　1、精制硫酸鎳生產工藝控制簡介及對控制系統的要求

　　利用濕法冶金生產精制硫酸鎳，對硫酸鎳的生產工藝控制要求非常高。在以往的生產中，所有工序完全由人工來進行操作，因此造成工藝參數的波動性較大，影響產品的最終質量。生產精制硫酸鎳要求對生產工藝中關鍵的工序，如皂化過程兩種介質的流量、萃取箱的攪拌頻率控制和進入萃取箱的物種介質的流量、結晶過程中的循環水流量、蒸發的進液與補液等工藝參數和操作需進行閉環控制，以便實現對這幾道工序工藝參數的嚴格控制，達到生產工藝的嚴格控制，并且整個硫酸鎳生產過程均須在DCS系統進行集中顯示控制，生產過程參數、電動設備的操作、電動設備的運行參數都可在中央控制室實現集中顯示、報警與控制。另外，現場所使用的幾套有獨立自動控制系統的設備需和DCS中央控制室進行PROFIBUS通訊連接，在中央控制室進行監測，從而實現中央控制室對整個硫酸鎳生產過程的監測和控制。

　　2、 系統設計：

　　根據濕法防腐冶煉生產環境及工藝要求，要確保生產線設備不間斷運行。據此并考慮項目整體性價比，對控制系統中的主控制器、電源、網絡層、組態軟件等均采用冗余配置。控制系統硬件在設計時重點考慮其抗干擾能力強、系統硬件故障報警、所有模塊支持熱插拔、防護等級高等特性;控制系統軟件設計時重點考慮其可靠性高、抗病毒能力強、在控制系統出現故障時報警，并使主控制器在出現故障時自動調用內部相應組織塊作中斷處理后自動切換并繼續運行而不會導致停機等特性。系統設置一個ES站和兩個OS站，并配備相應的系統軟件和組態軟件，所有設備參數和狀態的監控均由控制系統完成，而且控制系統具備在線修改能力，新增內容或修改組態下載后不會干擾系統的正常運行。

　　系統采用PROFIBUS通訊和ETHERNET通訊兩種通訊方式，CPU和各分布式I/O及各遠程站（變頻器/三菱PLC/OMRON PLC/S7-200）之間通過PROFIBUS通訊，ES及OS和CPU之間通過ETHERNET通訊。

　　系統配置結構圖及硬件組態圖：

　　3、 軟件部分：

　　組態/編程軟件采用西門子公司新推出的過程控制系統SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7為儀表和控制（I&C）裝置提供全集成的工程系統，并支持系統范圍和工廠范圍的項目處理。該工程系統可用于從少量信號到大量信號的所有工廠區域。在工廠的每個工程階段，從初始配置到運行支持，在項目數據庫上的所有工作都利用相同的工具。而對于I&C的組態并不是孤立的。開放式輸入和輸出功能允許工程系統集成在整個工廠的現有基礎結構中。SIMATIC PCS7的各種部件是彼此協調的。STEP7時基礎部件。SIMATIC PCS7用的工程師工具組是建立在這種基礎上，部件的無錯誤相互作用是通過SIEMENS系統一致性測試來保證的。我們結合PCS7軟件特性，分三個層級來處理（Plant View，Component View，Process Object View），這樣使得具體的組態過程直接面向工藝過程。具體設計如下：

　　（1）系統組織塊：

　　當工程項目在創建時，系統自動在BLOCKS中加入系統組織塊（OB1/OB32/

　　OB35/OB70/ OB72/OB80/OB81/OB82/OB83/OB85/OB86/OB88/OB100/OB121/OB122），使得系統在出現冗余錯誤或其它錯誤時能及時調用系統中斷，而不會導致CPU停機。

　　（2）工藝層級組態：

　　在Plant View中按照工藝分層對其中各設備分別作組態，如下圖：

　　（3）儀表數據采集及處理：

　　儀表數據根據其類型分別采用系統功能塊FC106/FC105及自定義FC塊作處理，并根據數據的響應時間分別放置于相應的OB塊中。并在軟件設計時，將儀表量程及上下限報警值設計在上位監控系統中，可以給用戶后期維護提供方便。

　　（4）通訊處理：

　　因項目的通訊量較大，部分站的通訊距離較遠，為防止遠程站出問題而導致整個通訊網絡癱瘓，所以加入RS485中繼器進行隔離。并在設置通訊速率時考慮距離較遠均設置為500kbps。將通訊放置在OB32塊中，可以防止因通訊數據量大而導致網絡堵塞。其中對于變頻器的許多控制要通過通訊來實現，在變頻器中加入支持Profibus協議的通訊卡，完全可以實現變頻器的啟停控制及各種運行參數的采集。

　　（5）連續功能圖（CFC）

　　CFC是SIMATIC PCS7用的面向過程的圖形組態工具。利用CFC可將自動化解決方案直接轉換成可執行的程序。為此，現成的功能塊可置于CFC圖形上，參數化和功能強大的自動路由選擇相連接，集成報警配置和符合IEC1131-3的全面測試和起動功能。

　　（6）順序控制SFC及PID控制：

　　在冶金行業，大部分的工藝過程都是非連續操作的控制過程，也就是在連續控制的工廠中，只有部分任務經常由順序控制系統控制。對于部分的順序控制，我們直接調用PCS7中的SFC（順序功能圖）塊來完成。SFC是用于順序控制的生產過程包括生產順序控制的簡單圖形。即我們根據工藝控制要求，在SFC塊中只需要輸入相應的邏輯條件，就可以完成其順序控制過程，而不需要我們編寫復雜的控制程序。在硫酸鎳的生產過程中，結晶機降溫曲線的控制要求特別嚴格，工藝要求：降溫時分快速降溫和慢速降溫，并要在規定時間內降到工藝要求溫度。降溫途徑是通過調節閥進冷卻循環水來完成。我們可以將SFC和CFC（連續功能圖）結合起來，是工廠配置一種理想組合，SFC和wincc一起，為順序控制的操作員控制和可視化提供了集成的解決方案。

　　PID控制，在冶金/化工行業都是很重要的控制過程。而PID程序的編制及上位系統的設計都是很麻煩的過程。對此，我們直接調用PCS7 Library中的標準塊來完成，經過編譯后可直接在上位系統中生成PID標準控制界面。結晶工序中調節閥的開度、皂化、萃取工序中的流量、頻率控制都使用了PID控制進行調節。（如圖示）

　　（6）上位監控畫面：

　　上位監控系統的控制菜單都是通過在Plant View中建立，編譯后自動生成，而不需要我們再手動去一一建立。且PCS7的上位監控畫面布局都是標準的上、中、下布局方式。（如圖示）

　　選用SIMATIC PCS7實現硫酸鎳生常過程控制完全達到設計要求，SIMATIC PCS7的采用使得精制硫酸鎳的生產控制過程安全可靠，具有良好的可操作性。良好的控制性能使各工序工藝（萃取、結晶） 指標顯著提高，明顯的提高了產品的質量。強大的通訊功能使各獨立的生產單元設備（離心、除油、包裝、水處理、過濾機）協調統一，集中監測，達到了硫酸鎳生產過程集中監測的目的。先進的控制理念使龐大的生產工藝控制過程簡單、維護簡單。

　　4、結束語：

　　隨著自動化技術的不斷發展和計算機技術的飛速進步，自動化控制的概念也發生著巨大的變化。在傳統的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、分離的技術和不同廠家的產品來搭配起來的，比如一個大型工廠（目前金川公司控制系統的設計與實現）經常是由過程控制系統、可編程控制器、監控計算機、SCADA 系統和人機界面產品共同進行控制的。為了把所有這些產品組合在一起，需要采用各種類型和不同廠商的接口軟件和硬件來連接、配置和調試。全集成自動化思想就是用一種系統或者一個自動化平臺完成原來由多種系統搭配起來才能完成的所有功能——這就是PCS7的解決方案。應用這種解決方案，可以大大簡化系統的結構，減少大量接口部件，應用全集成自動化可以克服上位機和工業控制器之間、連續控制和邏輯控制之間、集中控制與分散控制之間的界限。同時，全集成自動化解決方案還可以為所有的自動化應用提供統一的技術環境，這主要包括：

　　◆ 統一的數據管理

　　◆ 統一的通信

　　◆ 統一的組態和編程軟件

　　基于這種環境，各種各樣不同的技術可以在一個用戶接口下，集成在一個有全局數據庫的總體系統中。工程技術人員可以在一個平臺下對所有應用進行組態和編程。由于應用一個組態平臺，工程變得簡單，培訓費用也大大降低。

　　該系統已在生產線上得到實際使用，在該系統中PCS7控制系統充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場調試的優點，給整個系統的穩定性帶來較大的益處。這種方法對其它生產線或設備的控制有一定的參考作用。

　　參考文獻

　　1、西門子PCS7過程控制系統

　　2、SIEMENS SIMATIC S7-400H 可編程控制器

　　3、《金川集團30kt/a高品質精制硫酸鎳科研報告》，北京有色工程設計院。