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舒雄鷹

1  引言
可編程控制器（PLC）在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用PLC不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，而且還能完成各種閉環(huán)控制，其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)量小、能方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信等特點(diǎn)得到了廣泛的青睞，對(duì)于提高企業(yè)自動(dòng)化水平、降低能源消耗、減少污染發(fā)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?fàn)t集氣系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，加以說明。
2  工藝簡(jiǎn)介
焦?fàn)t壓力控制系統(tǒng)是焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要對(duì)穩(wěn)定，根據(jù)爐型與爐況的不同，一般要求集氣管壓力穩(wěn)定在80～100Pa范圍內(nèi)。
 

圖1  焦?fàn)t集氣系統(tǒng)工藝流程

本系統(tǒng)有兩套焦?fàn)t系統(tǒng)，一焦系統(tǒng)爐型為小58型，孔數(shù)為30*2，年產(chǎn)焦炭20萬噸，煤氣發(fā)生量10 000m3h；二焦系統(tǒng)爐型為JN43-80II型，孔數(shù)33*2，年產(chǎn)焦炭43萬噸，煤氣發(fā)生量為21 000m3h。如圖1所示，焦?fàn)t集氣系統(tǒng)工藝過程為：從炭化室溢出的850℃左右的荒煤氣在橋管處經(jīng)循環(huán)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(dǎo)出后，進(jìn)入立管式初冷器，從初冷器出來的煤氣由煤氣鼓風(fēng)機(jī)加壓后通過壓力管道將大部分送往下道工序，當(dāng)煤氣量過小時(shí)風(fēng)機(jī)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?fàn)t的集氣管并聯(lián)成一根總管進(jìn)入氣液分離器，這樣勢(shì)必造成集氣管之間的壓力耦合，對(duì)其中任一對(duì)象的調(diào)節(jié)都將影響到另一對(duì)象，進(jìn)而影響整個(gè)管路系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此，對(duì)該系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)十分困難。
3  系統(tǒng)硬件配置
焦?fàn)t集氣系統(tǒng)檢測(cè)與控制項(xiàng)目主要有：各點(diǎn)溫度、壓力參數(shù)檢測(cè)（包括機(jī)側(cè)及焦側(cè)集氣管、氣液分離器出口、初冷器出口、風(fēng)機(jī)前后、洗滌塔出口）、集氣管壓力控制、風(fēng)機(jī)吸力控制、煤氣放散控制等。
根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)與控制要求，控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示，系統(tǒng)由兩個(gè)控制站和三個(gè)操作員操作監(jiān)視站組成總線型網(wǎng)絡(luò)。控制站采用德國(guó)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(huán)控制模板、SM431模擬量輸入模板及SM421/SM422數(shù)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(huán)控制模板、SM331模擬量輸入模板及SM321/SM322數(shù)字量輸入/輸出模板。操作員操作監(jiān)視站采用工控機(jī)IPC，配置SIMATIC CP5613通信卡與PLC通信。系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)選用美國(guó)Intellution公司的FIX MMI7.0，提供操作員監(jiān)視、操作、系統(tǒng)報(bào)警及報(bào)表生成等功能。
 

圖2  控制系統(tǒng)硬件配置圖

除了在一焦、二焦控制室設(shè)置操作員操作監(jiān)視站外，還在調(diào)度室設(shè)置一臺(tái)監(jiān)視站，用于調(diào)度人員監(jiān)視整個(gè)焦化廠兩套焦?fàn)t系統(tǒng)的生產(chǎn)過程。整個(gè)系統(tǒng)由PROFIBUS LAN電纜聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成PROFIBUS總線型網(wǎng)絡(luò)。按照SIMATIC S7通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)各站之間的數(shù)據(jù)通信。由于控制室之間距離較遠(yuǎn)，在兩段電纜之間用RS485中繼器連接。
4  軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括PLC組態(tài)及參數(shù)配置、系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信配置、操作員站及調(diào)度室站人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。PLC組態(tài)及參數(shù)配置、監(jiān)控系統(tǒng)編程均在SIEMENS STEP7環(huán)境下完成，其中系統(tǒng)監(jiān)控程序采用STL(STATEMENT LIST PROGRAMMING LANGUAGE)編程語言編寫，程序功能包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)量程變換、參數(shù)監(jiān)視及異常處理、集氣系統(tǒng)壓力控制等。
網(wǎng)絡(luò)配置包括PLC端和PC機(jī)端兩部分，分別由SIMATIC NCM7網(wǎng)絡(luò)通信軟件包及FIX S7-Driver完成。人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)由FIX MMI軟件實(shí)現(xiàn)，包括畫面設(shè)計(jì)、過程數(shù)據(jù)庫建立以及監(jiān)控軟件功能塊的編制等。
(1)  壓力控制系統(tǒng)
集氣壓力控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由3個(gè)閉環(huán)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(fēng)機(jī)吸力控制回路。1#、2#集氣管壓力控制回路用以調(diào)節(jié)集氣管本身閥門的開度，風(fēng)機(jī)吸力和煤氣放散控制回路調(diào)節(jié)整個(gè)吸力管道的壓力，集氣管壓力由集氣管壓力調(diào)節(jié)閥門開度及管道系統(tǒng)壓力共同決定。
 

圖3  焦?fàn)t壓力控制系統(tǒng)圖

焦?fàn)t集氣系統(tǒng)集氣管壓力對(duì)于焦?fàn)t生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行至關(guān)重要，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能源的消耗量、爐體的維護(hù)以及環(huán)境污染等問題，應(yīng)盡量保持其穩(wěn)定。對(duì)此，我們?cè)诳偨Y(jié)已有操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用多層規(guī)則控制思想對(duì)各集氣管壓力進(jìn)行設(shè)定值控制。
 

圖4  控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

控制軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用兩層規(guī)則控制結(jié)構(gòu)：工況判斷層和策略執(zhí)行層。工況判斷層用于對(duì)當(dāng)前1#、2#集氣管壓力檢測(cè)值進(jìn)行分析判斷，策略執(zhí)行層則根據(jù)工況判斷層得出的條件，執(zhí)行相應(yīng)的控制策略。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)的壓力在小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，各系統(tǒng)分別進(jìn)行常規(guī)PID定值控制，維持本系統(tǒng)及整個(gè)集氣系統(tǒng)的平衡；當(dāng)壓力在大范圍波動(dòng)，導(dǎo)致集氣管壓力不平衡時(shí)，則根據(jù)出現(xiàn)的不平衡狀態(tài)，執(zhí)行集氣管壓力控制系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)吸力控制系統(tǒng)的設(shè)定值控制。即通過改變?nèi)到y(tǒng)的壓力設(shè)定值，加強(qiáng)各系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使整個(gè)系統(tǒng)迅速達(dá)到新的平衡。例如，當(dāng)1#集氣管壓力偏高，而2#集氣管壓力偏低時(shí)，控制策略為：先提高2#集氣管壓力設(shè)定值，進(jìn)一步減小2#集氣管壓力調(diào)節(jié)閥開度，經(jīng)過一定時(shí)間的延遲后，再加大風(fēng)機(jī)吸力（即降低風(fēng)機(jī)回流系統(tǒng)的設(shè)定值），使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。
本系統(tǒng)采用SIMATIC FM355/455閉環(huán)控制模板提供的16路閉環(huán)控制器作為PID調(diào)節(jié)器，通過對(duì)FB31 PID_FM功能模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)控制通道控制、操作參數(shù)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(yùn)行時(shí)對(duì)各控制通道進(jìn)行在線操作，如指定設(shè)定值、改變操作量、切換控制器運(yùn)行狀態(tài)等。對(duì)應(yīng)于模板上每一個(gè)控制通道需指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊Instance DB，該DB包含控制通道所需所有參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行操作便可實(shí)現(xiàn)對(duì)模板上控制通道參數(shù)的在線操作。控制模塊設(shè)定值的寫入通過置LOAD_OP=1完成。整個(gè)控制模塊由200ms定時(shí)中斷OB35定時(shí)掃描。
編程中延時(shí)模塊用定時(shí)器（Timer）實(shí)現(xiàn)，時(shí)間值存于ACCU1-L寄存器中。需要注意的是西門子PLC定時(shí)器通常是用于外部節(jié)點(diǎn)信號(hào)所觸發(fā)的計(jì)時(shí)，因此在軟件編程中使用定時(shí)器延時(shí)必須在使用相應(yīng)定時(shí)器指令之前，給標(biāo)志位RLO一個(gè)脈沖信號(hào)，否則定時(shí)器將不會(huì)啟動(dòng)。
(2)  網(wǎng)絡(luò)通信
西門子S7系列PLC提供了工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、MPI網(wǎng)絡(luò)等多種聯(lián)網(wǎng)方式，考慮到系統(tǒng)的通信距離、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)易用性，可采用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS總線型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)符合EN50 170標(biāo)準(zhǔn)，采用屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)最大通信距離可達(dá)9.6km（段間由RS485中繼器連接），最多允許127個(gè)站連接，通信速率從9.6Kbps到1.5Mbps可選。網(wǎng)絡(luò)允許SIMATIC S7/M7/C7、SIMATIC PG/PC、SIMATIC S5等多種系統(tǒng)互聯(lián)，通信功能包括PG/PC通信、S7通信、S5通信及標(biāo)準(zhǔn)FMS通信。
本系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線上，采用S7 FUNCTION作為通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信功能由各站通信處理器的組態(tài)配置軟件完成，首先在STEP7 NetPro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)環(huán)境中為各站設(shè)置相應(yīng)的連接ID、連接類型(Connection Type)及通信速率等參數(shù)，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(tǒng)沒有選用西門子的工業(yè)監(jiān)控軟件WINCC，而采用美國(guó)Intellution公司的FIX 7.0作為本系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器S7-Driver進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以便對(duì)FIX過程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)操作員站、調(diào)度室站與PLC之間的通信。
FIX I/O驅(qū)動(dòng)器S7-Driver與CP5613的數(shù)據(jù)交換是通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中建立一張?jiān)O(shè)備映像表（DIT）的方式實(shí)現(xiàn)的，該表中的所有數(shù)據(jù)映射為相應(yīng)PLC中的各種類型數(shù)據(jù)，如DB、DI、M等。
(3)  人機(jī)界面系統(tǒng)
FIX 7.0工業(yè)監(jiān)控軟件提供了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面的功能，將傳統(tǒng)的控制室變成了計(jì)算機(jī)和一個(gè)圖形屏幕，其SCADA和MMI功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)過程的監(jiān)視、控制及報(bào)警。
為了使操作人員能夠方便及時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行全面監(jiān)控，設(shè)計(jì)人員開發(fā)了生產(chǎn)流程、集氣管壓力調(diào)整、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)及系統(tǒng)報(bào)警等操作監(jiān)視畫面。
報(bào)表功能則利用Intellution的DDE(Dynamic Data Exchange 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)服務(wù)在Microsoft Excel與FIX系統(tǒng)之間交換各種過程數(shù)據(jù)來生成，提供定時(shí)和隨機(jī)兩種打印方式。另外，為了提高系統(tǒng)的安全性，提供了安全組態(tài)及登錄機(jī)制，賦予不同操作管理人員不同級(jí)別的系統(tǒng)訪問權(quán)。
5  結(jié)語
本系統(tǒng)采用西門子S7 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t集氣系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制，針對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，充分利用PLC強(qiáng)大靈活的控制運(yùn)算功能對(duì)集氣管壓力實(shí)施兩層規(guī)則設(shè)定值控制，實(shí)現(xiàn)了集氣管壓力的穩(wěn)定控制。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行后，效果良好，在凈化環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有穩(wěn)定可靠、易于維護(hù)和擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。