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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，大多數(shù)設備為進口設備。空分裝置采用德國林德公司工藝技術和設備，主要為合成氨裝置提供合格的氧氣和氮氣。膨脹機是空分裝置的重要設備之一，在生產中是不可缺少的。其主要作用是將來自氮壓機二段的氮氣經增壓機加壓，經增壓機后冷卻器冷卻后進入循環(huán)換熱器。在循環(huán)換熱器中被冷卻到后抽出，然后經過膨脹機前過濾器，快關閥以及膨脹機噴嘴，最后推動膨脹機葉輪旋轉對外做功，氣體溫度、壓力降低，同時有少量被液化，經分離器分離后，液體部分送到低壓塔做為少量回流液。氣相部分則進入換熱器復熱，最后進入中壓氮總管。兩臺膨脹機是德國ATLAS COPCO公司生產的離心式壓縮機，兩臺互為備用，一臺使用另一臺后備。其控制系統(tǒng)由德國西門子（SIEMENS）公司SIMATIC S5 PLC和4臺HB控制器等組成，完成了膨脹機監(jiān)測、控制、邏輯和安全保護等功能。隨著使用時間增長，控制系統(tǒng)故障頻率也增多，不僅嚴重影響了正常生產，而且造成了經濟、能源浪費和企業(yè)效益損失。

1控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
  
    S5系列 PLC是德國西門子公司八十年代推出的小型可編程序控制器，采用結構緊湊的模塊化設計，性能可靠。隨著使用時間的增長，控制系統(tǒng)各類故障不斷出現(xiàn)。軟硬故障都出現(xiàn)過，故障產生的原因和部位也較為多樣。2001年，我廠設備大檢修膨脹機控制系統(tǒng)下電，待上電后，電源、CPU模塊、I/O等模塊各指示燈正常，輸入信號正常但指示不正確，經檢查后認為程序出錯，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；曾經出現(xiàn)通訊故障和人機界面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，人機界面MP-30黑屏，通過判斷人機界面出現(xiàn)問題。尋找該型號產品，此產品已停止生產，無法用其它產品代替，兩臺膨脹機只好用一臺人機界面進行監(jiān)測和控制。
 
    由于設備出現(xiàn)故障頻率增多，維修有一定困難且維修費用也較高，同時要求維修人員具有較高的專業(yè)技術，并且有一定的外語和計算機功底，只有對整個系統(tǒng)了解和熟悉后才能對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用，確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定。另一方面由于產品的不斷更新?lián)Q代，該產品已經停產，配件早已不生產，備件已無法供應,出現(xiàn)問題很難解決。所以對膨脹機控制系統(tǒng)升級改造十分必要。

2 改造方案的確定和實施
 
    針對系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題，經過認真分析研究，確定對膨脹機控制系統(tǒng)進行改造。這次改造仍采用西門子高性能成熟的SIMATIC S7-400H（簡稱S7-400H）產品來替代原有的S5-115U進行對膨脹機控制系統(tǒng)進行改造。將原來用于膨脹機噴嘴調節(jié)和防喘振調節(jié)的四臺HB控制器去掉，改到S7-400H系統(tǒng)中實現(xiàn)，其它功能和操作方式基本不變。現(xiàn)場儀表和操作盤不做任何改動。用兩臺MP370人機界面代替原MP30-A人機界面。同時增加一臺PLC工程師，用于維護和臨時修改程序。S7-400H PLC系統(tǒng)采用西門子提供的STEP 7 v5.3 SP3編程軟件對其進行編程組態(tài)。人機界面MP370采用西門子公司的SIMATIC WinCC6.0 SP3組態(tài)軟件進行編程組態(tài)。
 
    2.1硬件部分
 
    根據(jù)可靠性和性能以及I/O點數(shù)要求，膨脹機控制系統(tǒng)配置冗余S7-414H一套、MP370人機界面兩套、 PLC系統(tǒng)由S7414-2DP的CPU 帶2個遠程I/O站組成。 同時增加一臺PLC工程師，用于維護和臨時修改程序。
 
    膨脹機控制系統(tǒng)S7-400H機柜由西門子公司集成，機柜安裝在原膨脹機控制柜位置。將原來的信號電纜接在改造后的I/O卡件上。安裝好機柜、硬件、接地和通訊電纜等，檢查合格后上電。
 
    2.2軟件部分
 
    對改造后的S7-400H PLC控制系統(tǒng)進行編程組態(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編程軟件對其控制和邏輯等功能進行編程組態(tài)。該控制系統(tǒng)具有原控制系統(tǒng)以下功能：
 
    膨脹機的開停和控制：就地/控制室盤選擇開關，選擇在控制室還是在就地啟動/停止膨脹機。調整膨脹機膨脹量，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，轉速、噴嘴、防喘振閥控制。膨脹機出入口氣體溫度、內外軸承溫度、油過濾器后的油溫正常、出入口氣體壓力、潤滑油進軸承油溫、密封氣壓力、膨脹機軸振動、導流器與膨脹機出口壓力差、檢查油箱油液位以及油泵運行情況等監(jiān)測指示功能。
 
    聯(lián)鎖保護功能：系統(tǒng)出現(xiàn)保護性故障時，具有報警、停機功能，軸瓦溫度、軸振動軸位移、油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、出入口氣體溫度、壓力以及轉速出現(xiàn)故障等原因報警跳車時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，并記錄報警信息。
輔助系統(tǒng)控制：包括輔助油泵啟停控制，油電加熱器的控制。
 
    此外，S7-400H PLC增加了S5 PLC無法實現(xiàn)的功能，而這些功能原來由HB控制器實現(xiàn)：
 
    a 噴嘴控制功能
 
    在程序中組態(tài)噴嘴調節(jié)器[注：HC3402（或HC3452）原來是HB調解器]，完成噴嘴控制功能，組態(tài)控制選擇方式，手動/自動轉換，快開/快關按鈕等功能。 開車時對噴嘴開度進行調節(jié)。
 
    b防喘振閥控制功能
 
    在程序中組態(tài)防喘振調節(jié)器[注：HC3405（或HC3455）原來是HB調解器]，該控制器具有：當機組運行時，系統(tǒng)的全手動功能將自動被屏蔽。當機組有運行信號時，系統(tǒng)將自動切換到全自動狀態(tài)。當機組有信號停止時，系統(tǒng)將自動切換到手動狀態(tài)，并且輸出100%。當進行緊急放空操作時，系統(tǒng)將自動切換到手動狀態(tài)，并且輸出100%，同時使得電磁閥失電。此功能僅限于機組極其不穩(wěn)定的時候才可以應用。當機組處于安全狀態(tài)時，可以將全自動切換到半自動狀態(tài)進行人工操作，但當系統(tǒng)進入危險區(qū)時半自動將自動被全自動代替。通過調節(jié)防喘振調節(jié)器來控制膨脹機轉速。
 
    2.2.2顯示功能部分
 
    改造后人機界面MP370用SIMATIC WinCC6.0 SP3組態(tài)軟件進行編程組態(tài)，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，功能強大，操作簡單。WinCC軟件功能更加強大，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)庫存儲過程動態(tài)數(shù)據(jù)，為以后管理機訪問數(shù)據(jù)庫打下基礎，同時支持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，而不管當前顯示何種畫面，回到所需的畫面；局部功能鍵可以在每個畫面中觸發(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，啟動條件畫面，啟動準備畫面，工藝過程值畫面，防喘振控制畫面，噴嘴調節(jié)畫面，回溫畫面，停車信息畫面，報警信息畫面，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)鎖設定點畫面，A/B防喘振曲線畫面，回溫啟停操作和啟動過程值畫面等。
 
    PLC工程師站通過工業(yè)以太網與S7-400H PLC通訊,連續(xù)不斷的從生產過程中獲得大量的信息，并及時為工藝操作人員顯示設備狀態(tài)，提供彩色畫面詳圖、棒圖、曲線圖、報警表、以及動態(tài)流程圖，因此操作人員可以通過上述畫面檢查各種信號的詳細情況，修改設定值、改變操作方式，從而起到指導實時操作和控制的作用。
 
    2.3聯(lián)機調試
 
    當完成硬件安裝，控制柜接線和軟件編程組態(tài)工作后，對系統(tǒng)功能進行調試，檢查控制功能和邏輯，聯(lián)鎖保護等功能是否和原來一樣。調試合格后，做好系統(tǒng)程序和用戶程序備份，交付生產使用。

3 改造后控制系統(tǒng)的優(yōu)點
 
    3.1 SIMATIC S7-400H的特點
 
    SIMATIC S7-400H除了具有S5系統(tǒng)的全部優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點：采用了新的系統(tǒng)和軟件，CPU按級別分類均向上兼容，封閉結構的模板設計，提高在惡劣環(huán)境下運行的適應能力。方便的信號模板接口，模板結構緊湊，元件高度集中。最優(yōu)的通訊和網絡接口，良好的用戶界面。可自由選擇模板的插槽。可以不使用冷卻風扇，非分段機架中的多重計算。模板安裝非常簡便，背板總線集成在機架內，方便、機械式的模板更換經過現(xiàn)場考驗的連接系統(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可以擴展。高速指令處理，用戶友好的參數(shù)設置，用戶友好的操作員控制和監(jiān)視功能（HMI），CPU的終端功能和自測試智能診斷系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)視系統(tǒng)功能并記錄錯誤和系統(tǒng)的特殊事件。
 
    3.2改造前后控制系統(tǒng)比較：
 
    改造前S5-115U結構配置簡圖如圖1所示