程惠倫，魏志

（1.銅陵銅冠優(yōu)創(chuàng)特種材料有限公司，安徽 銅陵 244100；2.北京智弘科技有限公司，北京 100085）

1 引言

錸是一種稀有高熔點(diǎn)金屬，具有良好的塑性、耐磨損、抗腐蝕性能。錸及其合金被廣泛應(yīng)用到航空航天、電子工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域。由于其特殊性能，含錸單晶空心葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的首選和趨勢(shì)。本文針對(duì)錸酸銨提純，錸酸銨還原、制備高純金屬錸生產(chǎn)工藝，采用西門子全集成自動(dòng)化（TIA）控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的集中控制。

設(shè)計(jì)了一種多入多出的智能協(xié)調(diào)控制器，通過(guò)合理調(diào)節(jié)冷凍機(jī)組和調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)了錸酸銨結(jié)晶的供水冷量、冷凍水槽的冷水冷量、結(jié)晶溫度的穩(wěn)定控制。即滿足了生產(chǎn)的需要，又達(dá)到了節(jié)能的目的。設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)加水控制器，實(shí)現(xiàn)了純水的自動(dòng)實(shí)時(shí)加水和準(zhǔn)確計(jì)量。滿足了生產(chǎn)工藝中使用添加劑的濃度控制要求。

采用多種通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了與不同第三方設(shè)備的通訊，高度集成了生產(chǎn)監(jiān)控和操作，極大程度上提高了生產(chǎn)的安全性，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 工藝概述

錸酸銨還原高純金屬錸生產(chǎn)工藝的基本流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

本高純金屬錸粒生產(chǎn)采用“粗錸酸銨重結(jié)晶+離子交換提純—兩段氫氣還原—壓制成型—高溫?zé)Y(jié)”工藝流程。粗錸酸銨原料純度為99%，經(jīng)過(guò)重結(jié)晶+離子交換提純工藝后得到99.99%的高純錸酸銨，經(jīng)過(guò)兩段氫氣還原將高純錸酸銨還原為高純金屬錸粉，高純金屬錸粉經(jīng)過(guò)壓坯和高溫?zé)Y(jié)得到99.99%以上的高純金屬錸粒（條）產(chǎn)品。

考慮到需要監(jiān)控的點(diǎn)較分散、數(shù)量較多，第三方成套設(shè)備種類也較多，而且生產(chǎn)工藝尚處試驗(yàn)階段，還要充分考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性、兼容性、修改的便利性等，因此控制系統(tǒng)采用了西門子全集成自動(dòng)化（TIA）控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)配置

西門子全集成自動(dòng)化（TIA）控制系統(tǒng)，遵循工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，著眼于滿足先進(jìn)自動(dòng)化理念的所有需求，并結(jié)合系統(tǒng)完整性和對(duì)第三方系統(tǒng)的開(kāi)放性，以一致的軟件和硬件接口，可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營(yíng)層、管理層數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成。

針對(duì)金屬錸生產(chǎn)工藝、設(shè)備的特點(diǎn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。工程師站安裝TIA STEP7、TIA WinCC編程組態(tài)軟件，操作員站安裝TIA WinCC監(jiān)控軟件。采用S7-1500系列控制器及模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、設(shè)備控制、聯(lián)鎖保護(hù)、回路調(diào)節(jié)。與第三方自帶系統(tǒng)通過(guò)通訊的方式實(shí)現(xiàn)集中的監(jiān)控。通過(guò)Profibus-DP轉(zhuǎn)Modbus RTU實(shí)現(xiàn)與冷凍機(jī)組、空壓機(jī)的通訊；通過(guò)S7通信實(shí)現(xiàn)與蒸發(fā)器、燒結(jié)爐的通訊；通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)與純水機(jī)、空調(diào)機(jī)組的通訊。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

TIA博途軟件為全集成自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺(tái)。是工業(yè)領(lǐng)域第一個(gè)帶有“組態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境”的自動(dòng)化軟件。自動(dòng)執(zhí)行工程組態(tài)任務(wù)、連接產(chǎn)品生命周期管理與自動(dòng)化工程組態(tài)、基于云平臺(tái)的高效組態(tài)、虛擬調(diào)試、集成能源管理、設(shè)備與信息安全、云服務(wù)數(shù)據(jù)采集、通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

S7-1500控制器以其卓越的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念為實(shí)現(xiàn)工廠的可持續(xù)性發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

①CPU最快位處理速度達(dá)1ns；采用百兆級(jí)背板總線確保極端的響應(yīng)時(shí)間；強(qiáng)大的通信能力，CPU本體支持最多三個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)段；支持最快125μs的PROFINET數(shù)據(jù)刷新時(shí)間。

②統(tǒng)一編程調(diào)試平臺(tái)，程序通用，拓展性強(qiáng)；支持IEC 61131-3編程語(yǔ)言（LAD/FBD、STL、SCL 和 Graph）；借助ODK，可直接運(yùn)行高級(jí)語(yǔ)言算法（C/C++）。

③可直接在控制器中對(duì)簡(jiǎn)單到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)進(jìn)行編程（例如速度控制軸、凸輪傳動(dòng)）；可借助 I/O 模塊實(shí)現(xiàn)各種工藝功能（例如 PTO）。

④集成標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA通信協(xié)議，連接控制層和IT層，實(shí)現(xiàn)與上位SCADA/MES/ERP 或者云端的安全高效通信；通過(guò)PLC SIM Adv可將虛擬PLC的數(shù)據(jù)與仿真軟件對(duì)接；虛擬調(diào)試提前預(yù)知錯(cuò)誤，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

⑤集成復(fù)制保護(hù)和專有技術(shù)保護(hù)功能可確保知識(shí)產(chǎn)權(quán)不受侵犯；改進(jìn)保護(hù)功能，能夠防止篡改并抵御網(wǎng)絡(luò)威脅（身份驗(yàn)證）。

⑥借助1：1LED通道分配，可在現(xiàn)場(chǎng)快速定位錯(cuò)誤；發(fā)生故障時(shí)無(wú)需編程就可通過(guò)編程軟件、HMI、Web Server等途徑快速實(shí)現(xiàn)通道級(jí)診斷；使用標(biāo)準(zhǔn)化的ProDiag功能，可高效分析過(guò)程錯(cuò)誤，甚至在HMI 中直接查看出現(xiàn)錯(cuò)誤的程序段，大大減少調(diào)試與生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。

⑦ CPU自帶面板支持診斷、初始調(diào)試和維護(hù)（變量狀態(tài)、IP地址分配、備份、趨勢(shì)圖顯示，讀取程序循環(huán)時(shí)間，支持自定義頁(yè)面，支持多語(yǔ)言）；智能多功能型I/O模塊，優(yōu)化的產(chǎn)品線，方便選型與備品備件。

冷凍機(jī)組、空壓機(jī)自帶S7-200Smart控制器，配有Modbus RTU從站通訊模塊。本系統(tǒng)選用鼎實(shí)科技的PBB-MM協(xié)議總線橋?qū)崿F(xiàn)Profibus-DP與Modbus RTU的通信轉(zhuǎn)換，并通過(guò)CP1542-5通信模塊與控制器進(jìn)行連接。

蒸發(fā)器、燒結(jié)爐自帶S7-1200控制器，純水機(jī)、空調(diào)機(jī)組自帶昆侖通態(tài)觸摸屏，本系統(tǒng)分別采用S7通信和OPC的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

4 冷凍水智能協(xié)調(diào)控制

冷卻結(jié)晶是制取高純錸酸銨的關(guān)鍵工序，而冷凍水的品質(zhì)對(duì)結(jié)晶起到了至關(guān)重要的作用。

本文設(shè)計(jì)了一種多入多出的智能協(xié)調(diào)控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷凍水品質(zhì)的穩(wěn)定控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。冷凍水控制的回路圖如圖3所示。

圖3 冷凍水控制回路

智能協(xié)調(diào)控制器的控制目標(biāo)是：1、一次結(jié)晶的供水冷量恒定；2、二次結(jié)晶的供水冷量恒定；3、冷凍水槽的冷水冷量恒定；4、冷凍水槽的冷水溫度恒定。調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是：1、一次結(jié)晶的供水調(diào)節(jié)閥；2、二次結(jié)晶的供水調(diào)節(jié)閥；3、冷凍水槽的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥；4、冷凍機(jī)組的功率。

在冷凍水整體的工藝回路中，冷凍機(jī)組的功率、冷凍水槽的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、一次結(jié)晶的供水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、二次結(jié)晶的供水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、冷凍水槽的冷水冷量、冷凍水槽的冷水溫度、一次結(jié)晶的供水冷量、二次結(jié)晶的供水冷量互相影響，互相耦合，單回路的控制算法不能滿足工藝的整體需求。

智能協(xié)調(diào)控制器的算法結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能協(xié)調(diào)控制器的算法結(jié)構(gòu)

恒溫控制器通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍機(jī)組的功率保證了冷凍水槽溫度的恒定；恒冷量控制器1通過(guò)調(diào)節(jié)一次結(jié)晶供水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度保證了一次結(jié)晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器2通過(guò)調(diào)節(jié)二次結(jié)晶供水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度保證了二次結(jié)晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器3通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水槽進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度保證了冷凍水槽的冷水冷量的恒定。

冷凍機(jī)組的功率、一次結(jié)晶供水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度、二次結(jié)晶供水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度對(duì)冷凍水槽的冷水冷量控制起到前饋的作用；冷凍水槽的冷水冷量、冷凍水槽的液位、冷凍水槽的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成串級(jí)控制。

5 純水自動(dòng)加水

溶解是冷卻結(jié)晶的前置工序，是冷卻結(jié)晶的關(guān)鍵，純水供應(yīng)水量的計(jì)量對(duì)溶解非常重要。通過(guò)操作人員手動(dòng)加水不僅計(jì)量不準(zhǔn)還會(huì)出現(xiàn)馬虎大意的事故。

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)加水控制器，一鍵關(guān)聯(lián)純水泵、調(diào)節(jié)閥、開(kāi)關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)了純水加水的一鍵控制和精準(zhǔn)計(jì)量。純水自動(dòng)加水控制的回路圖如圖5所示。

圖5 純水自動(dòng)加水控制回路

純水自動(dòng)加水的控制目標(biāo)是：1、保證純水加入量的精準(zhǔn)；2、防止誤操作并保護(hù)純水泵。調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是：1、純水泵；2、主管調(diào)節(jié)閥；3、一次開(kāi)關(guān)閥；4、二次開(kāi)關(guān)閥。

純水自動(dòng)加水的算法結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 純水自動(dòng)加水的算法結(jié)構(gòu)

操作人員在選擇了加水目標(biāo)后，點(diǎn)擊“加水啟停按鈕”，系統(tǒng)自動(dòng)完成純水的加入與計(jì)量。

系統(tǒng)首先根據(jù)加水目標(biāo)自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)閥，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度開(kāi)到100%，在純水箱液位足夠的前提下，自動(dòng)啟動(dòng)純水泵。系統(tǒng)根據(jù)供水流量，自動(dòng)進(jìn)行供水量的計(jì)量。當(dāng)供水量計(jì)量接近設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥控制器發(fā)出指令將調(diào)節(jié)閥慢慢關(guān)小，直至供水量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，純水泵停止、調(diào)節(jié)閥全關(guān)、開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)錸酸銨還原高純金屬錸生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，采用西門子全集成自動(dòng)化（TIA）控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的集中控制。與第三方成套設(shè)備采用多種通訊方式，最終實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)監(jiān)控的高度集成和全流程的安全保護(hù)。針對(duì)生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)，冷凍水控制和純水加水，分別設(shè)計(jì)了智能協(xié)調(diào)控制器和自動(dòng)加水控制器，滿足了工藝需求，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，杜絕了安全事故。