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案例頻道1、生產工藝簡介
冶煉煙氣在除去一切有害雜質后，進入硫酸轉化系統。氣體進入硫酸轉化系統后，在一定溫度下，通過觸媒催化，使煙氣中的二氧化硫與氧化合生成三氧化硫，反應如下：
這一反應過程就叫二氧化硫的轉化，工業上俗稱硫酸轉化。已轉化為三氧化硫的二氧化硫與開始二氧化硫總量之百分比叫轉化率。“雙轉雙吸”硫酸轉化[1]工流程如圖1所示。
圖1 硫酸轉化工藝流程
轉化器是該系統的主體設備，分為五層結構，每一層加入不同的觸媒，實現二氧化硫向三氧化硫的轉化；熱交換器的作用是冷卻轉化氣和加熱爐氣；自動閥和手動閥的作用是控制氣體流量；1#電加熱爐和2#電加熱爐分別用于加熱一層和四層進口溫度。經轉化后的煙氣送吸收塔（一吸收塔或二吸收塔）進行硫酸吸收處理，最終得純度高的硫酸。
溫度控制是轉化器日常操作的中心環節，必須精心調節，嚴格控制各段溫度在一定的范圍內，以充分發揮轉化器的效能。溫度控制遵循的原則是：
① 根據所用觸媒的特性，將反應溫度確定在起熱溫度以上，耐熱極限溫度以下，即觸媒的活性溫度之內；
② 要保證有較高的轉化率；
③ 要保證有較快的反應速度，以盡量減少觸媒用量。
在正常情況下，轉化器各段進口溫度應分別由各段付線旁路閥放入較冷煙氣量的大小來調節；若將旁路閥全關閉，溫度仍下降時，可適當減少通氣量；若溫度仍不能維持時，可從外補充能量，如開電爐。
2 系統控制結構
硫酸轉化自動控制系統的結構如圖2所示，主要由現場控制層和車間監控層構成。
現場控制層將現場設備與控制器連接，同時與PLC各種功能模塊進行通訊，使PLC能及時有效地對生產進行實時控制。生產過程的各種過程變量通過分散過程控制裝置轉化為操作監視的數據，而操作的各種信息也通過分散過程控制裝置送到執行機構。
車間監控層對現場設備進行實時監控，顯示各種實時數據和現場設備狀態，完成各種物理量設定功能，操作方式（手動/自動）切換功能，對自動閥等設備進行PID控制，對故障進行自動報警并顯示處于報警狀態的控制點，定時打印生產報表。
本系統中PLC與ET200之間的數據通訊協議采用PROFIBUS-DP，PLC與上位機及上位機之間的通訊采用PROFIBUS-FMS實現。使用PROFIBUS現場總線的優點主要表現在以下幾點[2-3]：
① 通過PROFIBUS-DP，可將PLC與現場設備距離拉開，實現分布式I/O控制，避免高溫、高酸等惡劣環境對PLC的損壞。同時避免大量信號線的長距離布線；
② 通過PROFIBUS-DP，可以將Siemens S7-400系列的PLC和Siemens S7-300系列的模塊（其它老系統）進行組合，既利用了S7-400系列PLC的高速高穩定性，又充分利用了S7-300系列模塊的廉價性；
③ 通過PROFIBUS-FMS，本系統和其它集散控制系統可實現數據的共享，并實現與上位機及實時數據庫的通訊，且易于擴展。
3 系統硬件、軟件的設計
3.1 系統硬件設計
SIMATIC S7-400是用于中高檔性能范圍的可編程控制器，其模塊化的設計容易擴展，廣泛的通訊能力，容易實現的分布式結構以及用戶友好的操作，使SIMATIC S7-400成為中、高檔性能控制領域中首選的理想解決方案。本系統選用SIEMENS S7-400控制器，其中央處理單元模塊為CPU 414-2 DP，其型號為6ES7 414-2XG03-0AB0 V3.0，并用ET200進行擴展，實現分布式I/O控制[4]。
電源模塊為PS 407 4A電源模塊，其型號為6ES7 407-0DA01-0AA0，用于對SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網絡電壓轉換為所需的5V DC和24V DC工作電壓。
通訊模塊為CP 443-5 Ext通訊模塊，其型號為6GK7 443-5DX03-0XE0。CP 443-5擴展型通訊模塊是PROFIBUS總線系統中SIMATIC S7-400所需的模塊，它能為用戶提供多種PROFIBUS總線系統的通訊服務：PROFIBUS-DP通訊、PG/OP通訊、S7通訊、S5兼容的通訊。
模擬量輸入模塊共選用了3種模塊，分別為SM331；AI8×12位（其型號為6ES7 331-7KF02-0AB0）、SM331；AI8×RTD（其型號為6ES7 331-7PF00-0AB0）、SM331；AI8×TC/4×RTD.EX（其型號為6ES7 331-7SF00-0AB0），這些模塊是現場模擬量輸入接口。現場模擬量是指轉化器各層的進出口煙壓和煙溫、轉換器各層的觸煤溫度、熱交換器進出口的煙壓和煙溫等。
模擬量輸出模塊為SM332；A○4×12位，其型號為6ES7 332-5HD01-0AB0，是控制現場設備的接口，如調節轉換器一層和四層入口煙溫電動調節蝶閥。
數字量輸入模塊為SM321；DI16×24VDC，其型號為6ES7 321-1BH02-0AA0，用于現場開關量，如自動/手動切換、運行/停止按鈕、正轉按鈕、反轉按鈕、限位開關等。
數字量輸出模塊為SM322；D○8×Relay.230VAC/5A，其型號為6ES7 322-1HF10-0AA0，是控制現場設備的接口，如控制皮帶加料機的正轉開/停和反轉開/停、輸送機的開/停、通風機的開/停等。
車間監控層主要設備是上位計算機，具有DCS的工程師站和操作員站的功能，為了節約成本，該集散控制系統采用通過密碼識別功能，將工程師站和操作員站合用一臺上位計算機。上位計算機可以選用工控計算機（IPC）或商用計算機（PC）。
3.2 系統軟件設計
本系統主要包括下位機數據采集／控制和上位機監控兩個應用程序。
（1）下位機數據采集／控制程序
下位機數據采集／控制程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7軟件平臺上完成硬件組態、地址和站址的分配以及控制程序的設計開發的。程序采用梯形圖邏輯，其中有各種程序塊，包括邏輯塊(組織塊0B、功能塊FB、功能FC)和數據塊(DB)等。
下位機數據采集／控制程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7軟件平臺上完成硬件組態、地址和站址的分配以及控制程序的設計開發的。程序采用梯形圖邏輯，其中有各種程序塊，包括邏輯塊(組織塊0B、功能塊FB、功能FC)和數據塊(DB)等。
如圖3所示，在主程序OB1中調用FC1（P_data_collecting）壓力信號數據采集程序塊、FC2（TI_data_collecting）換熱器溫度信號數據采集程序塊、FC3（T2_data_collecting）轉化器溫度信號數據采集程序塊、FC20（Heating_control）1-2#加熱爐控制程序塊。其中FC1、FC2、FC3程序塊采集的數據分別存取到數據塊DB1、DB2、DB3中。
（2）上位機監控程序
上位機監控程序基于SIMATIC WinCC V5.0[5]編制而成，主要有工藝流程圖、參數表、PID調節畫面、趨勢圖、報警、報表打印等功能。WinCC與PLC之間通過Profibus協議進行銜接，通過調用PLC中的地址進行數據交換，從而實現對PLC的監視和控制。
為了節約成本，該集散控制系統采用密碼識別功能，將工程師站和操作員站合用一臺上位計算機，所以為了系統的安全性，防止系統被破壞，必須對不同的用戶授予不同的權限。在本系統的設計中，使用了WinCC的“用戶管理器”編輯器來實現對不同用戶的權限的管理，這樣可以控制訪問每一個生產過程、記錄和WinCC的操作，以防止沒有授權的存取；還可以根據變量動態設定存取級別。本系統設置了用戶管理、變量輸入、過程控制和畫面編輯四個授權級別。
4 結語
該系統應用于某銅冶煉廠自動化系統改造工程，實現了硫酸轉化系統的“集中管理，分散控制”，提高了硫酸轉化率，增加了處理量，保證了生產穩定，使該廠在成功地實現爐型改變和生產擴大的同時，保證了排出煙氣滿足環保標準，獲得了良好的經濟效益和社會效益。
參考文獻
[1] 王世娟．硫酸轉化工藝進展綜述[J]．南通職業大學學報, 2001, 15（4）：47-49．
[2] 李
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號