I i 赫瑚5 第六届工业仪表与自动化学术会议论文集新型过程控制系统在离子膜烧碱制造项目中的应用A p p l i c a t i o no faN o v e lP r o c e s sC o n t r o lS y s t e mi nI o nF i l mA l k a l i n eP r o d u c t i o nP r o j e c t互洛林1黉使21弓长旌2何圈森1( 上海大学机电工程与自动化学院1 ，上海2 0 0 0 7 2 )( 上海西门子工业自动化有限公司2 ，上海2 0 0 0 5 0 )籀要以新型过程控制系统P C S 76 0 在离子膜烧碱项目中的应用为铡，分析了新型过程控制系统的新发展和特点关键词P C S 76 0 过程控制系统离子膜烧碱制造P r o f i b u s - D PA b s t r a c tT h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no fan o v e lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mP C S 76 0i ni o nf i l ma l k a l i n ep r o d u c t i o np r o j e c ta n da n a l y z e si t sn e wd e v e l o p m e n ta n df e a t u r e s K e y w o r d sP C S 76 , 0p r o c e s sc o n t r o ls y b “ t c mO c s ) I o nf i l ma l k a l i n eM a n u f a c t u r cP r o j e c t ( I F A M P ) P r o f i b u s - D P0 引言目前，烧碱( N a O H ) 的生产工艺主要分为隔膜碱和离子膜碱两类。离子膜碱制碱法为较先进的生产工艺。能耗低，产品纯度高，污染小，无公害，更符合环保要求，其副产品氯气质量较高，还可作为次氯纺的原料。离子膜法工艺复杂，对控制的要求高，是世界各国首选的制碱工艺。1 全集成自动化全集成自动化( n A ) 就是用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成所有功能的方案。西门子的P C S 7 ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 即是其代表。使用这种完全无逢集成的自 动化平台可以实现横向和纵向集成，很容易创建最佳的运行过程，可以大大简化系统的结构，减少大量接口部件。应用全集成自动化可以克服上位机和各工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。全集成自动化软件具有以下特点： 灵活和可伸缩性。既可以有效用于小型系统，也可以用于超大型工厂的过程自动化。P C S 7 避免了昂贵的预留后备容量，进一步节省了成本。 高性能的归档系统。系统由一个基予S Q L 服务器的全新集成归档系统将现场记录的过程数据归档在中央系统中。 多项目工程功能。使用该功能，可将一个大型项目拆分成几个小型项且单元，然后由几个人同时进行有效的工程设计。自动更改管理和过程区域的复制。即使是复杂的过程区域、单元或整条生产线，都可快速进行复制，所需重耨测试工作量极小。口帕口部旧暑第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 一- = 二：= 降低处理周期时间。可以对整个系统进行快速在线修改，不管是冗余系统还是非冗余等系统，都可联机添加 I O 模块和机架。支持A c t i v eX 控件及动态连接库。西门子公司的P C S76 0 已成功应用于江苏梅兰化工集团的离子膜烧碱生产项目。该系统具有上述的控制系统优点，实际的使用也证明该系统的强大功能。2 离子膜烧碱控制系统的组成：整个生产工艺分为盐水过滤、盐水精制、电解、阳极液脱氯、阴极液冷却和加热、氯氢 处理、高纯水、高纯酸等几个工段。P C S 7 - - f 以针对每一个工段进行编程控制。控制系统配 置如图1 所示。图l 控制系统配置图本项目使用2 套A S 4 1 7 - 4 H 系统、2 台冗余服务器、1 2 台操作员站、I 台工程师站、4 0个E 亿0 0 M ，过程I O 点为2 0 0 0 点。二次盐水部分由两套S 7 3 0 0P L C 控制，通过P r o f i b u s D P连入D C S 。一套C P U 控制电解和氯氢处理部分，另外一套C P U 控制辅助工段。本系统采用了C P U 冗余、电源冗余、I O 冗余、以太网冗余、P r o f i b u s - D P 冗余、服务器冗余。2 1 网络配置在设备层，底层现场设备与控制站之间通信采用分布式组态的P r o f i b u s - D P 总线，将控制模块放到了工作现场，并通过总线来传输数据。在控制层，( C P U 4 1 7 4 H ) 与工程师站和服务器之间采用冗余的快速工业以太光纤环网，服务器和操作员站之间采用标准工业以太网，确保信息采集和控制高速传输。本项目采用0 S g 交换机连接的光纤环网，通信速率为l O O M b i t s ，有1 0 1 4 1 0 0 1 自适应功能。当环中的一个传输连接失败或0 S g 故障，0 S M 会在0 3 s内激活备用连接切换到总线方式运行，不会导致网络通信中断，完全满足工业控制的要求。2 2 硬件配置S “厶l n r 2 0 0 5 第六届工业仪表与自动化学术会议论文集系统采用冗余服务器客户机架构，控制器采用西门子4 1 7 4H 容错C P U 。4 1 7 4 HC P U具备事件同步功能，可靠保证两台C P U 的程序和数据的一致性。热备C P U 之间通过光纤实现数据交换。正常运行时，一台C P U 作为主C P U 对卡件的输入信号进行检测并输出信号实现控制功能；另一台C P U 处于监视状态，不控制C P U 输出。在主C P U 发生故障或突然死机的情况下，处于监控状态的C P U 马上切换为主C P U 的控制功能。本项目的E T 2 0 0 M 系列是采用P r o f i b u s D P 协议的分布式I O 设备。在工程中，S 7 4 1 7 4 HC P U 作为D P 主站( M a s t e r ) ，通过集成的D P 接口连接到P r o f i b u s 总线，而 E T 2 0 0 M 作为D P 从站( D PS l a v e ) 连接到P r o f i b u s 上。在硬件组态程序中，添加一个D P主站( 带有集成D P 接口的C P U ) 并设置了一个P r o f i b u s 网络后，会出现一条代表P r o f i b u s主站系统的总线。在列表中拖出D P 从站设备，将其拖放到P r o f i b u s 主站系统的总线上即可添加一个D P 从站。添加的分布式I O 与P L C 站中的本地I O 具有统一的编址，可以像访问本地I O 一样访问分布式I O ，而不必考虑他们的物理连接。硬件配置如2 图所示。图2 硬件配置图2 3 冗余和很多化工生产过程一样，离子膜的生产过程也存在潜在的危险，从而要求从卡l ，- t N 控制器都实现冗余。W i n C C 数据服务器采用两台I B MS e r v e r 。通过工业以太网与C P U 交换数据，一台为主S e r v e r ，另外一台为备用S e r v e r 。1 2 台C L I E N T中有6 台指向主机，6 台指向备用。H 系列C P U 是冗余容错设计的，一个控制站由两块C P U组成。其中一块为主C P U ，另一块为从C P U 备用。两者之间通过同步光纤进行同步信息传输，在任何控制周期内两者的信息都是一样的，从而可以实现生产控制的无扰切换。i 0 采用双卡件读取。在组态时人为指定两块卡件进行冗余，读取数据时各读入一半，并在任意卡件出错时自动全值切换到好的卡件，这些工作交由系统自己去完成。输出也是如此，这样做增加了系统的可靠性，也减少了工程师的工作量。 通讯网络。5 4 5L I I n n2 0 0 5 第六届工业仪表与自动化学术会议论文集从设备层的P r o f i b u s - D P 总线网络到控制层的工业以太两通信均采用冗余措施；即使现场是不冗余的P r o f i b u s - D P 设备也可通过Y - L i n k 将其连到冗余的总线网络上来。 2 4 工程师站设计工程师站采用S i e m e n s 公司的P C S 7 过程控制系统和W i n C C 上位软件。P C S 7 主要完成对生产工艺的控制编程，工程师可灵活运用P C S 7 提供的功能。方便地完成组态编程工作。我 们的编程大都选用C F C 调用系统的功能模块，例如常规P I D 控制模块、马达控制模块，并辅以一些手，自动、远程， 懿地切换和紧急处理功能。但通常情况下，系统模块因其开发时的 全面性而在执行时占用的C P U 资源会过大( 8 0 是工业控制上限) ，自己在P C S 7 下编一些 有针对性的功能模块占用的资源就大大减少W i n C C 主要负责工艺参数操作和报表、报警、打印归档等日常管理操作，主要由3 大部分组成：控制中心让用户通过W i n C C 进行浏览，并且对其数据进行一些操作；系统控制器负责管理各站之间的通信：数据管理器处理变量管理器，其通信通道用于访问过程数据。 2 5 调试我们利用P C S 7 的模板功能开发出了仿真模板，并集成在P I D 控制面板上，很方便地实现了控制器到O S ( 操作员站) 的仿真。配合了现场调试。3 结束语工业以太网离过程控制现场设备越来越近。已经用到了控制器和服务器通信这一级，一旦其实时性这一关键问题得到解决，就将全面替代现场总线。从P C S 7 控制系统中我们可以看出，在新的控制系统里，单纯的工控机或P L C 的概念已经模糊。在适应技术发展的同时，一个控制系统的中央控制器越来越像一个应用于大型工业场合的数据处理嚣，将先进控制思想、现代通信技术和l T 技术的最新发展集于一身。远程I O 卡件也越来越具有更高的分析诊断功能，增加了系统的可靠性新的系统对不同卡件和不同网络的兼容集成能力也越来越强。采用现场总线和智能仪表后，系统可以从现场得到更多的诊断，维护和信息管理提高了系统的管理能力，而不仅仅是减少一些设备连线。参考文献l 李园友吴惕华，李惠光一种远程集散控制系统的设计与实现冶金自动化，2 0 0 4 ( 增)2 阳宪惠现场总线技术及应用清华大学出版社3 苏昆哲深入浅出I i n o c6 0 北京航空航天大学出版社4 刘锴。周海潦入浅出$ 7 - 3 0 0P L J c 北京航空航天大学出版社5 直子虞烧碱工艺操作手册( 意大利伍德公司所提供的外文工艺盗科)笫作者王海抹男，1 9 8 1 年生，上海大学捡谢技术与由动化蓑置专业在读研究生主丢研究方向：r - w , t t 霸t t t t l