过程控制系统PCS7在中间二氧化钛生产中的应用

论文类别：自动化控制

过程控制系统PCS7在 中间二氧化钛生产中的应用

摘 要 介绍了过程控制系统PCS7在中间二氧化钛（TiO2）生产过程控制中的应用，深入讨论了该控制系统中的硬件配置，控制网络和软件编程等。通过这几年的使用，该控制系统稳定可靠，实现了模拟仪表无法完成的复杂算法及管理功能，而且其性价比远高于模拟系统，特别适合化工工艺过程控制。

关键词 中间二氧化钛（TiO2） PCS7 冗余控制 Profibus

一、引言

近几年我国的钛白粉行业发展迅猛，国内对高档钛白粉的需求不断的提高。相应的对钛白粉生产的控制要求也越来越高。中间二氧化钛是氯化法钛白粉生产的过程中间产品，是生产不同用途钛白粉产品的基础原料。

因此本文采用西门子过程控制系统PCS7，使得中间二氧化钛（TiO2）生产过程控制平稳，提高了产品的产量和质量。

二、工艺简介

四氯化钛经四氯化钛预热器预热后，通过三氯化铝发生器进入氧化炉。同时，氧气经过氧气预热器预热后，再经过甲苯的二次加热升温，进入到氧化炉。在氧化炉里氧气与四氯化钛反应，生成中间二氧化钛（TiO2）和尾气。中间二氧化钛（TiO2）经过产品冷却器冷却进入袋滤器进行气固分离后，进入打浆脱氯罐，尾气返回氯化工序循环利用。打浆脱氯后的中间二氧化钛（TiO2）浆料进入后处理工序。

氧气KCL溶液岩盐甲苯氧化炉二氧化钛半成品氯气三氯化铝铝粉四氯化钛 图1 工艺流程简介

三、硬件配置

鉴于氧化系统的重要性，充分考虑系统安全可靠性，采用以S7-400H为主控制器构成的PCS7冗余控制方案，处理器采用CPU414-4H，I/O处理单元采用ET200M。为了保证系统可靠性，电源和通信采用冗余配置方案，Profibus-DP总线采用PROFIBUS电缆，保证了系统安全等级需求。采用双控制器，双电源模块。双通信模块，对于系统中的重要监视点，采用了冗余AMT硬件。系统有无扰动切换功能。容错型和安全型可满足供电中断和故障保护等特殊要求。

图2是控制系统硬件冗余配置

图2 系统硬件冗余配置

四、上位机系统

本系统的上位机系统使用WinCC控制，上位机系统和控制系统通过100Mbps的工业以太网络连接。上位机由操作站和工程站等主要设备组成。

工控机采有西门子工业计算机，型号为西门子RACK PC IL 43,配置主流硬件，在稳定性，安全性上有很好的保障。

五、模件配置

每个ET200M分布式I/O站的有源背板总线上插有2个IM153-2通信接口模块，分别通过2条的Profibus-DP现场总线与AS-400控制器进行实时通信。在系统运行过程中，当其中某一个IM153-2通信接口模块发生故障时，系统能自动地切换至另一个IM153-2通信接口模块，并可带电热插拔更换有故障的通信接口模块，不会影响到系统正常运行。

Profibus提供强大的系统级故障诊断能力，从总线系统的任意一点可通过Profibus-DP进行诊断、编程和控制，可以实时精确定位故障发生点和在线监控通讯负荷，并可通过人机界面实时显示。

现场的仪表所采集的信号中模拟量输入信号大多为4～20mADC的二线制和四线制信号，输出为4～20mADC信号，部分模拟量信号通过安全栅引入。数字量为干触点或有源信号。数字量的输出信号由带状态指示灯和外带保护二极管的继电器送至现场仪表。

六、控制系统

S7-400H按照“热备份”模式（无冲击、出现故障自动切换）的活动冗余原理运行。只要没有故障，两个子单元都是活动的。如果发生故障，起作用的控制器全面接管过程控制。为了确保无冲击切换和快速可靠地交换资料，需要使用控制器连接。

冗余自动化控制站(AS414-4H)用于实现现场设备的运行状态监测、数据采集及处理、自动闭环回路控制、电气设备开关控制等系统控制功能。所有控制模块均封装在一个牢固而紧

凑的塑料壳体内，携有后备电池合和存储插槽以及集成的MPI和Profibus-DP接口。

SIMATIC PCS7过程控制系统允许过程工业和制造工业中全部工厂工序的完全自动化。系统具有高度扩展能力、坚固的设计、强大的综合通信能力、扩展的集成系统功能和易于执行的和分散结构。AS414-4H更采用了最新的冗余技术，两个CPU之间通过高速光纤同步专线相连，其容错结构对用户来说是透明的，它可像标准PCS7系统那样进行处理、编程和设计。

七、电源系统

电源系统将由24VDC的直流电源构成冗余的24VDC供电系统，直流电源都将具有足够的容量和适当的电压，能满足设备负载的要求。任一路电源故障，将会自动切换，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。

直流电源系统由西门子SITOP电源构成冗余的供电系统。

八、网络配置

在本系统中采用交换式工业以太网作为连接操作员站和自动化系统站的系统总线。通过CP-443-1通信处理模块，将S7-400H连接至工业以太网的通讯处理器。由于自身具有处理器，从而解除了CPU的通讯任务并减轻CPU的通信负载，还有助于另加连接。操作员站及工程站通过CP-1613通讯处理器与自动化站连接通信。

快速交换式工业以太网在工业以太网的通信协议基础上，将通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全双工并行通信模式，允许站点同时发送和接收数据，通信速率可提高一倍。

九、软件设计

系统的组态软件为SIMATIC Manager,所有的组态工作均在工程师站上完成。系统采用集中的、从上到下的组态方式，其中包含上位机的操作员站和工程师站配置、下位机的CPU设置、对应的I/O通道建立以及与他们想连接的网络配置，具有集中的、友好的人机界面。过程控制与监视采用图形化组态，方便易用。人机接口部分的组态软件是WinCC。

十、WinCC组态

SIMENS PCS7系统采用了 Microsoft的SQL2000作为WinCC数据库管理系统。 图3 是氧化组态图

图3 氧化组态图

1、CFC控制

CFC是一种简洁的图形组态工具，采用IEC-1131的标准。用CFC有助于节省时间和费用，大大简化了系统的组态和维护。用CFC运行组态是以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能的都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。功能块之间的连接可以在不同CFC之间的不同页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC可以完成很复杂的大型控制任务。CFC主要用于连续过程的自动化控制的组态。

在CFC组态中常用的功能块有Motor（电机）、Valve（阀）、OP_D、Ctrl_PID、MEAS_MON、INTERLOK、CH_AI、CH_AO、CH_DI、CH_DO等功能块。

图4 是CFC组态实现连续控制

图4 CFC组态实现连续控制

2、顺序控制

SFC也是一种图形组态工具，它也采用了IEC-1131的标准。SFC主要用于小型的批量操作等顺序控制的自动化任务。组态时首先画出顺序图，图中可选择顺序、并行分支、交替分支和回路等局部结构，用大小两种方块分别表示步骤（Step）和转移条件（Transition）。当顺序图一旦建立，只需把步骤中要执行的任务和转移条件中的条件写入，顺控的组态任务即告完成。在组态时，由于很多步骤中的任务和转移条件都与CFC有关，因此，可把CFC中的信号引入SFC中。CFC与SFC的交替使用，可以很方便地实现复杂的顺控任务。为了实现控制方案，往往可以使用多种编程方法相结合。

图5 是SFC组态实现顺序控制

图5 SFC组态实现顺序控制

十一、应用中的一些注意问题

1、系统接地

每个PLC柜的屏蔽条和系统地通过电源电线汇总到一起后接地。PCS7系统的每一个主要部件，如输入输出卡件、卡件安装机架、现场接线端子板等均设有接地端子。接地电阻要求小于4欧姆。

2、ET200M分布式I/O站

现场控制站的ET200M分布式I/O站通过Profibus-DP现场总线与AS-400控制器进行实现通信，主要功能是采集现场I/O信号，通过ET200M的I/O信号接口将现场数字量或模拟量信号传送至控制器（CPU414-4H）,同进将控制器发送来的控制信号送至现场。

ET200M分布式I/O站的直流电源采用了N+1冗余设计。直流电源的数量选型原则是在每个ET200M分布式I/O站配接一台直流电源的基础上再加装1台同样的直流电源，而且此直流电源可允许并联使用，将所有配置的直流电源并联后再给所有的ET200M分布I/O站系统供电。在系统运行过程中，当其中某一台直流电源发生故障时，并联的直流电源还能保证足够的功率输出，而且不必停机就可更换坏了的直流电源。因此，控制站的直流电源具有良好的容错性能。

结束语

本控制系统在投入运行后，工作稳定，操作方便。由于采用了PCS7控制系统，功能强

大的CFC及SFC组态形式，使得中间二氧化钛（TiO2）的生产在控制上安全性，稳定性有所保证。系统的维护也更加方便、简化。产品的产量和质量有了很大的提高，从而获得了显著的经济益。

参考文献

1. 西门子公司《PCS7深入浅出》2005年

2. SIEMENS 自动化与驱动信息与培训 2005年 3. 自动控制原理 第四版 2002年