自动化化产工段系统中的应用

自动化化产工段系统中的应用

蔡祖传

上海宝信软件股份有限公司湛江分公司

摘要：介绍西门子过程控制PCS7系统在某焦化厂化产工段系统中的应用，并对其工艺原理、系统整体结构和网络通讯、自动控制原理的实现进行简要阐述。本系统成熟稳定，较好的解决了化工生产过程中数据的采集及管理、复杂的顺序控制及安全联锁等控制难点，实现了现场设备的精确、集中监控。

关键词：化产；PCS7；安全；冗余；西门子

前言

针对焦化化产工段的系统工艺复杂、控制回路多等特点，某焦化选用西门子PCS7系统作为其自动化集散控制系统，该系统支持多种国际现场总线标准，并选用工业以太网与现场总线技术结合，实现了现场仪表、分布式I/O、操作站/工程师站/服务器之间的相互通信，提高了数据传输的可靠性和抗干扰性，减少了大量线缆，提升了工作效率和项目质量。该焦化系统应用PCS7系统实现了焦化化产工段的全集成自动控制，有效地满足了焦化生产的可靠性和连续性，使得焦化化产工段效率进一步提高，人员成本也大大降低。

一、主要工艺概述

焦炉生产过程中生成的荒煤气在化学产品回收车间进行分离、冷却、输送，回收焦油、氨、硫、苯族烃等化学产品，同时净化煤气。其煤气流程如下：荒煤气→初冷器→电捕焦油器→鼓风机→预冷却塔→脱硫塔→喷淋式饱和器→终冷塔→洗苯塔→净化煤气。来自焦炉工段约80℃的荒煤气与焦油和氨水沿管廊吸气管道至气液分离器，气液分离后的荒煤气由上部出来，进入横管式初冷器分两段进行冷却，冷却后的荒煤气进入高压电捕焦油器，除掉煤气中夹带的焦油，再由鼓风机加压送至脱硫工段。此时分离出的氨水用循环氨水泵送到焦炉集气管和循环氨水管进行喷洒冷却荒煤气，剩余氨水送至剩余氨水槽，产生的焦油经过进一步沉降分解后用焦油泵送往油库工段焦油贮槽，作为初级产品销售。鼓风机后的荒煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的循环冷却水逆向接触，被冷至约35℃，预冷后的荒煤气进入脱硫塔，与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触以吸收荒煤气中的硫化氢，脱硫后煤气被送入硫铵工段。脱硫液经过一系列处理后生成硫磺，可装袋外销。为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果，排出少量废液送往配煤工段。由脱硫及硫回收工段送来的煤气经预热器进入喷淋式硫铵饱和器上段的喷淋室，在此煤气与循环母液充分接触，使其中氨被母液吸收，然后经硫铵饱和器内的除酸器分离酸雾后送至洗脱苯工段。在饱和器下部的母液，经过处理后生成结晶硫铵，再经干燥后包装送往硫铵仓库，作为成品待销。自硫铵工段来的煤气，进入终冷塔，分二段用循环冷却水与煤气逆向接触冷却煤气，将煤气冷到一定温度送至洗苯塔。同时，在终冷塔上段加入一定流量的碱液，进一步脱除煤气中的二氧化硫。下段排出的冷凝液送至酚氰污水处理工段，上段排出的含碱冷凝液送至硫铵工段蒸氨塔顶。从终冷塔出来的煤气进入洗苯塔，经贫油洗涤脱除煤气中的粗苯后，送往各煤气用户，也可供焦炉加热循环使用。

二、控制系统的构成及应用

焦化化产工段系统由控制站、工程师站、操作员站、服务器四部分组成。控制站中包含一个冗余的AS主站，以及若干的ET200M远程站，远程站中也采用冗余的IM153-2双模块配置。服务器和工程师站配有西门子专用CP1623/CP1613网卡，服务器和工程站利用冗余连接AS控制站的两个冗余的CP443以太网卡，实现实时数据通信。

2.1硬件配置

焦化化产回收工序由于牵涉到鼓风机运行，一些危险化学物质以及化学反应罐的控制，因此，其控制系统性能要求较高。控制系统配置西门子S7-400的硬件冗余系统，控制站与现场控制站之间采用了冗余现场总线Profibus-DP，采用冗余分布式I/O从站。这样就充分保证了当CPU、IM153-2或Profibus-DP总线出现故障时，整个系统不会停机，避免给用户因系统停机而导致生产受到意外损失。

AS主站S7-400H?由通过光纤电缆同步的两个冗余组态子系统组成，这两个子系统构成了一个容错自动化系统，该系统基于“主动冗余”原理使用双通道（2选1）结构进行操作。其特点以下：

１、平稳的主从切换，切换时间<100ms，切换期间输出保持，信息或者报警/中断不会丢失，实现无扰切换；

2、自动事件同步，保证所有的信息，报警或中断不丢失；

3、下载时，程序自动复制到两个CPU中；

4、在线维修，在运行状态下，可随意换下所有部件，维修后CPU自动进入冗余状态；

5、所有冗余功能由CPU处理不需要用户处理；

6、与主控制器的距离可达10km。

工作机理：冗余的2个CPU在工作时都处于运行状态，根据时间进行同步，一个CPU为主站，另一个CPU处于热备状态。一旦主CPU由于故障停机时，热备CPU无条件地切换成主CPU，以代替原CPU继续进行控制，对生产不会造成任何影响。

现场控制站采用切换式DP?从站中的I/O冗余信号模板成对安装在带有有源底板总线的分布式I/O设备ET200M中，如下图所示：

在这种方式下，即使连接I/O从站CPU故障也不会影响I/O模块的可用性。

焦化化产工段自动化系统中，控制站的西门子S7-400H和ET200M模块均带有带电热插拔特性，允许控制站中的模块在系统运行的情况下插拔，能够实现在不断电、不中断系统运行、不影响其他模块工作的条件下进行在线更换，从而最大限度的降低模块故障对生产的影响，大大提高了系统的可靠性，这对于连续不断的生产过程而言非常重要。

系统所有的分布式远程I/O分站和低压保护装置、执行机构、变频器、现场控制器等通Profibus-DP现场总线与系统控制器进行通信，最高通信速率可达12Mb/s。PCS7真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变得更广。

2.2软件概述

SIMATICPCS7过程控制系统是一个全集成、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。SIMATICPCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。全集成自动化系统控制网络总图操作员站和服务器采用客户机/服务器结构，客户机与服务器之间通过100MHz以太网通讯。PCS7系统的工程师站同时挂在两个网络上，即连接客户机/服务器的100MHz以太网和连接自动化系统的CPU的100MHz工业以太网。工程师站可以完成控制画面和控制策略的组态。项目程序和画面的修改都在工程师站中进行，并可下载到相关目标系统中（如服务器、操作员系统或控制站），有效避免了多人或者多处修改而造成程序不更新或者同一操作画面在不同服务器布局不一致的问题。

2.3网络通信

焦化化产工段工业光纤以太网采用双环网，具有网络冗余功能，环形网络的设计使得工厂总线的网络结构的安全性更高，网络任意一点断开不会影响其设备的正常工作。焦化化产工段采用西门子公司的X200型网络交换机实现网络冗余设置，通信速率可达100Mb/s。另外每个环网内配置一个ESM网管型交换机，通过交换机内部集成的网络管理器可以实现快速网络冗余设置。现场高速数据通信网负责DCS控制器主站与从站及DCS与远程分布式I/O之间的数据通信，选用了Profibus-DP通信方式，其优点是适合实时性要求高、多个从站设备位置分散、快速周期性数据交换等场合，通信速率不小于10Mb/s。焦化化产工段的终端总线采用C/S架构，操作员站从服务器中读取数据，所有的数据都记录在服务器中。使用访问控制权限进行登录时，操作员将获得特定的权限，可以操作只属于自己部分的操作界面，如果一台操作员站出现问题，该操作员可以在其他操作员站进行登录获得操作权限。操作员站和操作员站、服务器与服务器之间互为冗余，任一操作员站或服务器出现故障，备用的操作员站或服务器可实现全部系统监控和操作功能，以下为通信示意图：

2.4软件编程

焦化化产工段采用西门子PCS7对系统进行组态和编程。应用程序采用PCS7特有的功能强大的CFC块进行程序的编制。PCS7中自带的功能块几乎可以实现所有的控制功能。程序中只有少量机、泵控制采用了自己编制的FB、FC块，其他都采用PCS7标准库中的功能块。采用PCS7自带的功能块进行程序编制时，在图形化组态工具CFC中，按照工艺规范将标准化功能块与其它块进行组合。只需先从目录中选择预定义的块或功能图，然后在工作区中进行定位，以图形方式进行连接并组态参数即可。程序编译后，会生成与操作和监视相关的过程变量数据，如消息和变量等会自动上传到上位机监视程序中，并且会根据所用的功能块自动生成图标，变量会自动连接，如此节省了大量上位机编程的时间。

PCS7系统支持在线趋势记录的组态，操作人员可以任意选择想查看的工艺点的趋势曲线，任意选择时间范围，并可以将该曲线打印出来，这大大方便了操作员的操作和热工人员的维护。

焦化化产工段画面组态采用PCS7中自带的WinCC实现。在应用程序编制的过程中画面上的变量已经自动产生并连接好，报警也在CFC块编制时一并编制，组态画面时只需要把总体画面按照实际布局情况画好即可。

结束语：

西门子全集成自动控制系统PCS7具有过程控制系统的所有特性和功能，过程控制简单安全，方便信息网络和现场总线及仪表的集成。设计模块化，系统的扩展性强，是焦化化产工段生产过程中理想的集成运行平台，整个系统性能稳定可靠，具有很高的推广价值。

参考文献：

[1]张长缨.西门子PCS7系统在焦化化产控制系统中的设计和应用，2015，7

[2]王鹏.干熄焦智能控制系统的应用，2014，9

[3]李辉.PCS7系统在干熄焦生产中的应用，2017，3