張志國

[摘? ? 要 ]文章主要介紹了制硝裝置以西門子PLC為控制核心的控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件采用WinCC操作系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程中的參數(shù)得以實(shí)時(shí)顯示及操作。文章著重介紹了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式和控制策略以及設(shè)備選型，經(jīng)過長期穩(wěn)定運(yùn)行效果顯著，具有很好的借鑒意義和推廣價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]PLC;WinCC;蒸發(fā)罐;硫酸鈉

[中圖分類號]TF341.4;TP273[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–03

Application of Siemens PLC Control System in the Production

Process of Nitric Oxide Plant

Zhang Zhi-guo

[Abstract]This paper mainly introduces the control system with Siemens PLC as the control core. WINCC operating system is used in the software of the upper computer control system， so that the parameters in the production process can be displayed and operated in real time. This paper introduces the long-term control strategy and control strategy， which is of great significance.

[Keywords]PLC; WinCC; evaporation tank; sodium sulfate

為解決某公司在碳酸鋰生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品十水硫酸鈉的問題，保護(hù)廠區(qū)生態(tài)環(huán)境，使生產(chǎn)資源得到科學(xué)合理的開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)公司的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)為了滿足市場需求，決定在公司現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)修建副產(chǎn)品無水硫酸鈉工程，從而從副產(chǎn)品十水硫酸鈉中回收無水硫酸鈉，實(shí)現(xiàn)十水芒硝制無水硫酸鈉，達(dá)到廠區(qū)生產(chǎn)過程中的資源綜合利用。

1 工藝流程概述

項(xiàng)目在碳酸鋰生產(chǎn)過程中產(chǎn)生十水硫酸鈉（芒硝），芒硝熱融后的硫酸鈉溶液采用三效真空蒸發(fā)制硝工藝，即熱溶后的硝水首先進(jìn)行真空蒸發(fā)結(jié)晶，然后進(jìn)行增稠、離心脫水干燥，干燥后的產(chǎn)品送至包裝。同時(shí)，在三效蒸發(fā)過程中濃縮的含氧化鋰母液送至氫氧化鋰生產(chǎn)裝置再利用，達(dá)到綜合利用的目的。

本工程生產(chǎn)裝置由三效蒸發(fā)、離心分離、干燥、包裝部分組成，布置在生產(chǎn)二車間內(nèi)。圖1、圖2為制硝工藝流程示意圖。

2 PLC控制系統(tǒng)

2.1 PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

PLC控制技術(shù)不僅具有記錄數(shù)據(jù)、控制順序、邏輯運(yùn)算等功能，還能夠運(yùn)用模擬量或者是數(shù)字量的方式進(jìn)行對外的數(shù)據(jù)的輸出和輸入，并且在程序中可以編制工藝過程的安全聯(lián)鎖，報(bào)警設(shè)定[1-2]。

2.2 PLC控制系統(tǒng)主要組成部分

本項(xiàng)目根據(jù)目前真空制硝生產(chǎn)工藝的監(jiān)控技術(shù)要求和生產(chǎn)現(xiàn)場有硝塵易腐蝕的特點(diǎn)，本著運(yùn)行可靠、操作簡便、成本低廉的原則，制硝裝置的生產(chǎn)自動(dòng)控制采用可編程序控制器（PLC），輔以部分就地指示儀表，實(shí)現(xiàn)對工藝生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化監(jiān)視和控制，比常規(guī)儀表更具有高控制精度及高可靠性、操作直觀方便、控制功能完善、控制策略多樣及組態(tài)靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展容易、調(diào)試維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 工程師站、操作員站

工程師站、操作員站配備高品質(zhì)計(jì)算機(jī)，采用操作管理層與控制層雙網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，操作員站采用全冗余的100/1000 Mbps以太網(wǎng)互冗余熱備份，以最大限度地保證生產(chǎn)過程的安全可靠。

2.2.2 過程控制站

PLC控制系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)制硝裝置過程控制站，該控制站用于完成數(shù)據(jù)采集、I/O處理、回路控制和順序控制等功能，電源、控制器、重要的控制回路I/O均按1：1冗余配置。

主控單元完成面向過程的全部監(jiān)測、調(diào)節(jié)和順序控制運(yùn)算功能。包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視、PID調(diào)節(jié)，各種復(fù)雜調(diào)節(jié)、各種閥門開關(guān)、各種電機(jī)起停的順序控制，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及連鎖保護(hù)。

2.2.3 電動(dòng)機(jī)控制

電動(dòng)機(jī)的控制信號以硬接線方式接至過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控;同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)體現(xiàn)就地、電器柜、系統(tǒng)三地控制，主輔連鎖。

2.3 硬件配置

本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)中，PLC的硬件配置主要采用西門子S7-400和S7-300系列I/O模塊。由西門子S7-400作為主機(jī)架，擴(kuò)展機(jī)架由S7-300的I/O模塊組成，I/O模塊主要包括熱電阻模擬量輸入模塊、常規(guī)模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊等。PLC控制系統(tǒng)硬件通過PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)連接，再經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)，通過以太網(wǎng)連接至工控機(jī)。

本項(xiàng)目制硝裝置的I/O點(diǎn)數(shù)分別為模擬量輸入AI為71個(gè)（其中鉑熱電阻Pt100信號為17個(gè)）;模擬量輸出AO為14，開關(guān)量輸入DI為121個(gè);開關(guān)量輸出DO為73個(gè)。

本工程項(xiàng)目中采用的西門子公司產(chǎn)品型號如下。

（1）中央處理器模塊412-2XJ05-0AB0，1∶1在線冗余。

（2）電源模塊407-0DA02-0AA0，用于給CPU及各模塊供電。

（3）通訊模塊443-1EX20-0XE0，用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊并進(jìn)行2個(gè)CPU之間的冗余通訊。

（4）接口模塊153-2BA02-0XB0，用于連接多層配置的機(jī)架。

（5）DI數(shù)字量輸入模塊321-1BL00-0AA0，用于采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及故障狀態(tài)。

（6）DO數(shù)字量輸出模塊322-1BL00-0AA0，用于控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停。

（7）AI模擬量輸入模塊331-7KF02-0AB0，用于采集現(xiàn)場設(shè)備的液位、流量、壓力、重量信號。

（8）RTD熱電阻輸入模塊331-7PF01-0AB0，用于采集現(xiàn)場設(shè)備的溫度信號。

2.4 軟件配置

本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)中，采用西門子STEP7作為下位機(jī)編程軟件，采用SIMATIC WinCC V6.2作為上位機(jī)組態(tài)軟件。

下位機(jī)技術(shù)軟件平臺為SIMATICSTEP7，進(jìn)行硬件組態(tài)、控制程序編制，可達(dá)到強(qiáng)大的工藝及操作功能的組態(tài)及管理。

上位機(jī)組態(tài)技術(shù)軟件為SIMATIC WinCC V6.2系統(tǒng)，主要用于完成過程監(jiān)控、與PLC通訊、標(biāo)準(zhǔn)接口、編程接口、報(bào)表設(shè)計(jì)、變量記錄、報(bào)警存檔等功能[3]。

2.5 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制硝裝置過程控制站內(nèi)部設(shè)置工程師站（兼操作員站）、操作員站、打印機(jī)、工業(yè)級不間斷電源系統(tǒng)（UPS）及相應(yīng)的操作臺、機(jī)柜。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（1）控制站配置互為熱備冗余控制器2臺。

（2）工程師站1臺，用于系統(tǒng)工程管理，如控制回路組態(tài)，畫面生成，報(bào)表生成以及過程趨勢和參數(shù)的整定等。該工程師站具有操作站所有的功能以便在日常生產(chǎn)時(shí)作操作員站使用。

（3）操作站1臺，用于顯示系統(tǒng)位號、流程畫面，程序連鎖圖、系統(tǒng)參數(shù)報(bào)警和打印相關(guān)報(bào)表，并且能夠很方便地轉(zhuǎn)換為工程師站用以組態(tài)。

（4）打印機(jī)（A3紙）1臺，用于打印報(bào)表及事件報(bào)警信息和屏幕拷貝。

（5）工業(yè)級不間斷電源系統(tǒng)（UPS）1臺，本項(xiàng)目的UPS主要有2個(gè)作用：一是應(yīng)急使用，防止突然斷電而影響正常生產(chǎn)，可以保證制硝裝置安全停車;二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質(zhì)量，為控制系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。

3 PLC控制系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要分以下幾個(gè)部分。

3.1 一效、二效、三效蒸發(fā)室的鹵水液位自動(dòng)控制

在真空蒸發(fā)制硝裝置生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)罐的液位調(diào)整對產(chǎn)品質(zhì)量起重要作用，它的好壞直接影響鹽的質(zhì)量和產(chǎn)量[4-6]。為了保證每一效蒸發(fā)罐的鹵水的液位穩(wěn)定，每一效進(jìn)料通過相應(yīng)的液位調(diào)節(jié)閥在下循環(huán)管進(jìn)行，使每一效液位在正常液位的±0.5m范圍內(nèi)。每一效液位和密度測量采用2個(gè)法蘭遠(yuǎn)傳壓力變送器進(jìn)行測量，但由于液位變送器測量出的數(shù)據(jù)不僅與實(shí)際液位高度有關(guān)，還與蒸發(fā)室內(nèi)鹵水的比重成正比，鹵水的比重將直接影響液位變送器的測量精度。

3.2 一效加熱室的蒸汽壓力自動(dòng)控制

為了保證一效加熱室的蒸汽壓力恒定為400 kPa，通過調(diào)節(jié)在進(jìn)一效加熱室的蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)，一般要求加熱室蒸汽壓力在設(shè)定值的±20 kPa范圍內(nèi)，蒸汽壓力采用壓力變送器進(jìn)行測量，操作員設(shè)定一效加熱室的蒸汽壓力，通過PID模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)飽和蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制一效加熱室蒸汽壓力的功能。

3.3 干燥系統(tǒng)空氣預(yù)熱器出口熱空氣溫度自動(dòng)控制

為了保證干燥系統(tǒng)空氣預(yù)熱器出口熱空氣溫度恒定為155 ℃，通過調(diào)節(jié)在干燥系統(tǒng)板式換熱器熱飽和蒸汽進(jìn)氣管道上的調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)，一般要求加熱室蒸汽壓力在設(shè)定值的±10 ℃范圍內(nèi)，熱空氣溫度采用熱電阻Pt100進(jìn)行測量，操作員設(shè)定空氣預(yù)熱器出口溫度值，通過PID模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)飽和蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制空氣預(yù)熱器出口熱空氣溫度的功能。

3.4 干燥系統(tǒng)旋風(fēng)除塵器進(jìn)口空氣壓力自動(dòng)控制

為了保證旋風(fēng)除塵器進(jìn)風(fēng)壓力恒定為-1 kPa，通過調(diào)節(jié)在旋風(fēng)除塵器進(jìn)口管道上的調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)，干燥系統(tǒng)旋風(fēng)除塵器進(jìn)口空氣壓力要求在設(shè)定值的±0.3 kPa范圍內(nèi)，空氣壓力采用壓力變送器進(jìn)行測量，操作員設(shè)定旋風(fēng)除塵器進(jìn)口空氣壓力，通過PID模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)口空氣調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制旋風(fēng)除塵器進(jìn)口空氣壓力的功能。

3.5 現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程遙操作控制

現(xiàn)場設(shè)備的控制分為就地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程遙操作控制，現(xiàn)場設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)通過硬接線連入PLC控制系統(tǒng)，電機(jī)啟?？刂仆ㄟ^電氣控制柜的切換開關(guān)在PLC控制系統(tǒng)與電氣控制柜上進(jìn)行選擇操作方式。同時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信號也通過硬接線連入PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。圖4、圖5分別為控制回路面板圖、現(xiàn)場設(shè)備控制圖。

4 工業(yè)級不間斷電源系統(tǒng)（UPS）

本項(xiàng)目有1套獨(dú)立的在線一體式工業(yè)級UPS[7]，采用UPAD-III智能型交直流不間斷電源系統(tǒng)，主機(jī)采用工業(yè)級UPS，是真正在線式正弦波結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境，為PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表提供高可靠性的交直流凈化電源。PLC控制系統(tǒng)各設(shè)備及220VAC現(xiàn)場儀表等電源由不間斷電源柜供電，24VDC現(xiàn)場儀表電源由PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部電源供電。

5 結(jié)束語

在本項(xiàng)目中，采用西門子PLC與組態(tài)軟件的結(jié)合應(yīng)用的控制方式。PLC控制系統(tǒng)投用后對生產(chǎn)水平的提高奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使得整個(gè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、選型、安裝、調(diào)試到系統(tǒng)的正常投運(yùn)，現(xiàn)場的大量信號能及時(shí)準(zhǔn)確的采集與輸出控制，各回路的控制都可以投入到自動(dòng)PID控制模式，且控制效果良好。

該系統(tǒng)控制對象中，各效蒸發(fā)罐的鹵水液位是十分重要的參數(shù)，要求有較高的控制精度和可靠性，但由于控制對象滯后時(shí)間很大，在真空制硝裝置生產(chǎn)過程中的控制效果有待進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳樂，楊光.西門子PLC在煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（24）：145-148.

[2] 譚建一.PLC控制技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（1）：128.

[3] 周紅燕.PLC控制在膜法除硝裝置中的應(yīng)用[J].中國氯堿，2012（12）：32-33.

[4] 郭陽光.差壓式變送器測量蒸發(fā)罐液位存在的問題及解決辦法[J].中國井礦鹽，1995（2）：48-49.

[5] 秦可.淺議真空制鹽工程儀表的安裝調(diào)試及保護(hù)[J].中國井礦鹽，2005（3）：33-35.

[6] 鄒麗君.儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國井礦鹽，2006，37（1）：33-34.

[7] 顧志國.DCS系統(tǒng)中供電電源的設(shè)計(jì)及UPS的選擇原則[J].新疆電力技術(shù)，2010（4）：80-81.

[8] 程學(xué)穩(wěn)，李豫南.DCS集散控制系統(tǒng)的接地保護(hù)[J].大眾用電，2006（8）：36-37.

[9] 王耀南.智能控制系統(tǒng)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2006.