PCS7的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設(shè)計論文
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1系統(tǒng)分析
1．1被控對象分析
蒸發(fā)器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發(fā)器上部進(jìn)入蒸發(fā)器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設(shè)閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設(shè)閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設(shè)閥門V1203；從蒸發(fā)器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設(shè)閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。蒸發(fā)器為真空操作，蒸發(fā)器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。
1．2工藝流程分析蒸發(fā)器的工藝流程可以具體描述為：
1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發(fā)器E1201注入稀液，并使蒸發(fā)器液位穩(wěn)定在80％左右。
2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發(fā)器通入過熱蒸汽，使蒸發(fā)器溫度達(dá)到108℃，并保持穩(wěn)定。
3）待濃縮液濃度達(dá)到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續(xù)出料，使?jié)饪s液流量達(dá)到4．63kg／s，并保持流量平穩(wěn)。
2系統(tǒng)總體方案設(shè)計
2．1控制要求與技術(shù)指標(biāo)
（1）控制要求
基礎(chǔ)過程控制（BPCS）的任務(wù)是保證蒸發(fā)器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據(jù)工藝要求可以將BPCS的控制任務(wù)分解為：建立蒸發(fā)器液位、提升蒸發(fā)器溫度、蒸發(fā)器提升負(fù)荷運(yùn)行、濃縮液濃度控制、蒸發(fā)器溫度控制、蒸發(fā)器液位控制、濃縮液流量控制。
（2）系統(tǒng)安全要求
現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)包括基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)和安全儀表系統(tǒng)（SIS）。蒸發(fā)過程可能會出現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)壓力過大而引起事故，因此SIS系統(tǒng)的設(shè)計非常重要。
2．2控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計
考慮到安全可靠和經(jīng)濟(jì)適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與pcs7BOX構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，兩個CPU同時具有基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（BPCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）的功能，正常運(yùn)行狀態(tài)下PCS7BOX執(zhí)行BPCS功能，PLCS7416－2F執(zhí)行SIS功能。BPCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統(tǒng)DCS和SIS之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，節(jié)省了成本與安裝費(fèi)用，系統(tǒng)中備件品種少，經(jīng)濟(jì)性好，并且可以互為代用，便于維護(hù)。BPCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨(dú)立，冗余系統(tǒng)的存在與否不影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)擴(kuò)展此系統(tǒng)，使此系統(tǒng)一方面可與管理系統(tǒng)對接，另一方面具有了良好的可擴(kuò)展性，能方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，同時使此系統(tǒng)的維護(hù)也變得更加方便。
3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
3．1儀表供配電設(shè)計
為保證供電的安全和可靠，設(shè)計供電系統(tǒng)時，應(yīng)按照用電儀表的電壓等級和電源類型進(jìn)行設(shè)計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設(shè)置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統(tǒng)中同樣設(shè)置總供電箱、分供電箱。供電系統(tǒng)可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負(fù)荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。
3．2輸入／輸出模塊配置
BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。確定了BPCS所需配置的I／O點(diǎn)數(shù)后，即可進(jìn)行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產(chǎn)品ET200M。
3．3系統(tǒng)控制柜設(shè)計
接下來是系統(tǒng)控制柜的設(shè)計，包括主控制柜和分控制柜的設(shè)計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統(tǒng)輸入輸出模塊的接線原理圖。
3．4系統(tǒng)組態(tài)
在SIMATICManager中完成系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統(tǒng)的硬件組態(tài)，右邊是SIS系統(tǒng)的硬件組態(tài)。通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。
4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
4．1控制程序總體設(shè)計
根據(jù)程序的功能以及程序執(zhí)行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：
1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執(zhí)行一次，通過該組織塊可以實(shí)現(xiàn)初始化操作。
2）主程序OB1。OB1由操作系統(tǒng)不斷地循環(huán)調(diào)用。通過OB1可以進(jìn)行系統(tǒng)常規(guī)處理，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，比如更新程序中的標(biāo)志，并進(jìn)行相應(yīng)處理。
3）循環(huán)中斷OB35。循環(huán)中斷組織塊按照設(shè)定的時間間隔執(zhí)行中斷程序。在循環(huán)中斷中完成模擬量采集、數(shù)字濾波、PID運(yùn)算，最后是控制量輸出。
4．2控制程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
（1）S7CFC編程語言
CFC（ContinuousFunctionChart，連續(xù)功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復(fù)雜的閉環(huán)和開環(huán)控制等領(lǐng)域。編程的時候?qū)⑿枰墓δ軌K復(fù)制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。
（2）定時中斷的整體結(jié)構(gòu)
在定時中斷中進(jìn)行模擬量采集、數(shù)字濾波、PID運(yùn)算以及控制信號輸出，同時實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況來確定。
4．3推理程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
經(jīng)過分析，可以看出被控對象的特點(diǎn)是多回路、多參數(shù)、強(qiáng)耦合。因此控制策略為：將復(fù)雜大系統(tǒng)分解成相對獨(dú)立的簡單子系統(tǒng)進(jìn)行處理，控制律力求簡單實(shí)用。其中，根據(jù)對被控對象的分析，發(fā)現(xiàn)濃縮液濃度不可在線測量。為了實(shí)現(xiàn)濃度的準(zhǔn)確控制，采用了推理控制策略，利用可實(shí)時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進(jìn)行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調(diào)用。BPCS部分主要采用連續(xù)功能圖CFC實(shí)現(xiàn)。
4．4系統(tǒng)安全SIS設(shè)計
作為保證生產(chǎn)安全的重要措施，安全控制系統(tǒng)主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程要求安全儀表系統(tǒng)和信號報警遵循失效安全原則，使工業(yè)設(shè)備在發(fā)生故障的時候轉(zhuǎn)入預(yù)定義的安全狀態(tài)。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯(lián)鎖等安全控制。緊急停車聯(lián)鎖在蒸發(fā)器裝置的機(jī)械設(shè)備故障、某些過程參數(shù)越限、系統(tǒng)自身故障或稀液進(jìn)料中斷時，對系統(tǒng)實(shí)施緊急停車。緊急停車聯(lián)鎖能自動產(chǎn)生一系列預(yù)先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態(tài)。
4．5系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計
控制系統(tǒng)使用西門子WinCC組態(tài)軟件對操作員站進(jìn)行了組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)器的實(shí)時控制及調(diào)整、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與管理。WinCC使生產(chǎn)過程的狀態(tài)能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達(dá)出來，同時能夠記錄生產(chǎn)過程中發(fā)生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態(tài)可打印的報表。
5系統(tǒng)運(yùn)行與驗(yàn)證控制
系統(tǒng)在組態(tài)完成后，進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行的曲線。圖中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后從上到下的曲線依次是蒸發(fā)器液位、蒸發(fā)器溫度、濃縮液流量以及濃縮液濃度。從曲線圖中可以看出，各工藝參數(shù)均能滿足技術(shù)指標(biāo)，且濃度估測準(zhǔn)確，證實(shí)本控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。
作者：袁凱 姜建芳 單位：南京理工大學(xué)自動化學(xué)院