西門子PCS7系統在海綿鈦生產中的應用

馬 城

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650100)

0 引言

我國有豐富的鈦資源，在已探明儲量中，我國占世界總量的40%多，且90%以上集中在西部。云南鈦礦資源十分豐富，且相對集中，全省已探明鈦鐵礦床30個，其中大型15個，中型5個，小型10個。鈦鐵礦儲量55610 kt，其中優質儲量32650 kt，并具有儲量大、品位高、易開采、選礦工藝簡單等特點。

為充分開發本土鈦資源，該工程設計年產10 kt商品海綿鈦。生產方法采用國內外成熟的克勞爾法，利用高鈦渣生產粗四氯化鈦，通過提純，利用金屬鎂還原生產海綿鈦。整個生產過程工藝流程復雜，工藝參數控制要求嚴格，各工藝參數的控制精度直接影響中間產品、最終產品的質量及產量。該生產工藝自動化控制程度高，全廠自動化控制系統采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統，先進的及高精度的自動化控制解決方案，為產出高品質商品海綿鈦創造了重要條件。

1 工程自動化控制系統設計

1.1 PCS7過程控制系統

該工程自動化控制系統采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統。PCS7是一種模塊化的基于現場總線的新一代過程控制系統，它將傳統DCS和PLC控制系統的優點有機的結合在一起，即具有DCS系統的分散控制、集中管理的特征功能，同時也保持了與SIMATICS7系列可編程控制器的通用性。系統大量采用了新技術，在網絡配置上，使用標準工業以太網和PROFIBUS網絡。系統所有硬件配置基于統一的硬件平臺，所有的軟件全部集成在SIMATIC管理器下，具有統一的軟件平臺。模塊化結構，通用的硬件模塊，系統配置靈活，易于擴展，特別適用于分散的過程控制應用場合。強大的系統軟件和高度統一的數據庫平臺，充分體現了全集成自動化的特點，使得系統應用范圍變廣，是一種適用于現在、面向未來的開放型過程控制系統。

1.2 工程控制系統設計方案

海綿鈦生產工藝流程復雜，共分為3個主體生產車間，即四氯化鈦生產車間、海綿鈦生產車間、鎂生產車間。3個主體生產車間生產工藝流程相對獨立，但又具有一定的關聯性。海綿鈦生產全廠控制系統依據3個主體車間分為3個相對獨立的子系統，然后通過光纖環網連接構成一個龐大的控制系統。整個系統I/O點數為14501點(包含備用通道點數)，系統采用客戶機/服務器結構，共有西門子S7-400 CPU 414H冗余控制器17對，S7-400 CPU 417H冗余控制器2對，S7-400 CPU 414H單控制器1臺，ET200M遠程I/O站90個，操作站共28臺，工程師站4臺，冗余配置的WinCC服務器4對，數據采集及數據庫服務器5臺。圖1中上層光纖環網為系統Terminal BUS(終端總線)，采用Ethernet TCP/IP協議，下層光纖環網為 System BUS(系統總線)，采用 Industrail Ethernet Electrical-ISO協議，采用光纖環網通訊使控制系統的可靠性得到了保證。全廠控制系統結構圖見圖1。

圖1 全廠控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of factory control system

1.3 四氯化鈦生產車間控制系統

(1)各工序控制系統配置

四氯化鈦生產車間分為氯化和精制兩個工序，分別設置獨立的PLC機柜室及控制室。氯化工序控制系統配置一對冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通過Profibus-DP總線連接11個ET200M遠程I/O站、20臺西門子M440變頻器。控制室設置2臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機/服務器結構。

精制工序控制系統配置一對冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通過Profibus-DP總線連接12個ET200M遠程I/O站及26臺西門子M440變頻器。設置工程師站1臺作為氯化、精制工序控制系統編程組態的平臺。控制室設置2臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機/服務器結構。

氯化、精制工序2套控制器分別通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網絡，4臺操作員站連接到Terminal BUS通訊網絡。氯化、精制共用1對冗余配置的WinCC服務器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網絡。操作員站的過程數據來源于WinCC服務器，這樣的配置可以實現當單臺服務器或者操作員站故障時不會對生產造成任何影響。

(2)各工序控制系統實現的功能

氯化工序控制系統主要實現以下功能:各原料倉的料量檢測、原料輸送設備的聯鎖控制、各原料的配料控制、氯化爐定量給料控制、氯化爐內壓力調節、氯化爐內溫度調節、循環水流量調節、中間槽、循環泥漿槽、底流槽溫度檢測及液位控制、變頻器控制等。

精制工序控制系統主要是以下功能:低價氯化鈦制備流程自動化控制、蒸餾釜液位、壓力、溫度控制，蒸餾塔、精餾塔溫度、壓力控制，中間儲罐液位控制、精餾塔出料流量控制，蒸餾釜底流水解、沉降、蒸發流程自動化控制等。

1.4 海綿鈦生產車間控制系統

(1)各工序控制系統配置

海綿鈦生產車間分為還原、蒸餾、破碎包裝3個主要工序分別設置獨立的PLC機柜室及控制室。還原工序控制系統配置7對冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接23個ET200M遠程I/O站，25個DP從站。通過西門子無線交換機連接氯化抬包車上的4個S7-300從站。設置工程師站1臺作為還原工序控制系統編程組態的平臺。控制室設置2臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機-服務器結構。

蒸餾工序控制系統配置9對冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接34個ET200M遠程I/O站，40個DP從站。設置工程師站1臺作為蒸餾及破碎包裝工序控制系統編程組態的平臺。控制室設置2臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機/服務器結構。

破碎包裝工序控制系統配置1臺S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接4個ET200M遠程I/O站，15個DP從站。工程師站與蒸餾工序共用。設置2個控制室，分別為等外鈦控制室和成品鈦控制室，各配置2臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機/服務器結構。

還原、蒸餾、破碎包裝工序控制器分別通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網絡，8臺操作員站連接到Terminal BUS通訊網絡。還原、蒸餾各配置1對冗余的WinCC服務器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網絡。破碎包裝工序與蒸餾工序共用WinCC服務器。

(2)各工序控制系統實現的功能

還原工序是海綿鈦生產中的關鍵過程，還原工序控制系統主要實現以下功能:四氯化鈦儲罐和高位槽的液位和壓力控制，向還原反應器中加入四氯化鈦的計量控制，還原過程的溫度、壓力控制，氯化鎂排放控制，各還原爐電能消耗計量等。其中四氯化鈦的計量控制可實現在還原反應過程中各階段不同流量要求的自動加料控制，當四氯化鈦加入量達到本階段設定值時，系統提示需排放氯化鎂并顯示氯化鎂排放量，同時氯化鎂排放量通過無線網絡傳輸到現場的氯化鎂抬包車上顯示，現場操作員根據排放信息排放氯化鎂。氯化鎂排放的爐號、實際排放量、排放時間等信息通過無線網絡傳輸到控制系統，并在操作員站顯示。

蒸餾工序控制系統主要實現以下功能:蒸餾過程的溫度、真空度、壓力控制，蒸餾過程中鎂板熔化、低真空階段、高真空蒸餾階段和蒸餾結束階段的程序控制，各蒸餾爐電能消耗計量等。

破碎包裝工序控制系統主要實現以下功能:皮帶輸送機、破碎機、篩分機、振動給料機、混料機、中間料倉等的運行控制及聯鎖控制，海綿鈦成品包裝計量控制，成品批次、等級、粒度記錄等。

2 鎂生產車間控制系統

2.1 控制系統配置

鎂生產車間分為鎂電解、氯氣壓縮、鎂精煉三個工序，設置1個PLC機柜室及控制室。鎂生產車間控制系統配置一對冗余S7-400 CPU 414H控制器，通過Profibus-DP總線連接6個ET200M遠程I/O站。設置工程師站1臺作為鎂生產車間控制系統編程組態的平臺，控制室設置3臺雙屏操作員站，操作員站采用客戶機/服務器結構。

鎂生產車間控制器通過CP1623通訊卡連接到System BUS通訊網絡，3臺操作員站連接到Terminal BUS通訊網絡。配置1對冗余的WinCC服務器，分別連接到System BUS和Terminal BUS通訊網絡。

2.2 控制系統實現的功能

鎂生產車間控制系統主要實現以下功能:電解槽電解質溫度控制、電解槽壓力、液位控制，氯氣壓縮流程自動控制，坩堝爐溫度控制，精煉爐溫度、壓力控制，精煉爐液位檢測等。

3 控制系統配電設計

全廠控制系統采用艾默生UPS(不間斷電源)供電，UPS系統由整流模塊、充電模塊、蓄電池、逆變模塊、自動旁路開關、手動維修旁路開關等組成。UPS系統將供電質量較差的廠用電源首先經整流裝置變換成直流電源，一路經充電模塊向蓄電池充電，另一路采用高頻脈寬調制(SPWM)法在逆變裝置內重新將直流電源變成高質量的正弦波電源向負載供電。當市電交流供電中斷或整流裝置元器件故障時，由蓄電池組經電池開關向逆變裝置供電。當逆變裝置故障輸出電壓異常或過載時，則切換到自動旁路開關由廠用電直接向負載供電。各工序UPS容量為:氯化工序30 kVA、精制工序30 kVA、還原工序60 kVA、蒸餾工序90 kVA、破碎包裝工序30 kVA、鎂生產車間30 kVA。UPS可以向控制系統提供高質量、安全可靠的電源。當市電供應中斷時系統可發出報警信號，UPS的蓄電池可提供30 min以上對控制系統的供電，以保證全廠控制系統的安全、可靠、穩定運行。

4 結語

目前各工序控制系統已通過全面的系統調試，各工序已陸續投入了生產。控制系統運行情況良好，達到了預期目標。系統維護量小，到目前為止從未出現過因為控制系統故障而影響生產的情況。該項目中PCS7控制系統大量應用了冗余技術，控制器、服務器、操作站、通訊網絡都做了冗余設計，單臺控制器、服務器、操作站的停機不會對系統造成影響。PCS7擁有豐富的功能塊庫，可滿足各種過程應用，還可采用SCL、STL等語言開發用戶功能塊，實現更為復雜的控制策略。西門子PCS7過程控制系統在該項目中的成功應用，為產出高品質商品海綿鈦提供了條件，為企業帶來了較好的經濟效益。

［1］莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金［M］.北京:冶金工業出版社，1998.

［2］胡健.西門子S7-300/400PLC工程應用［M］.北京:航空航天大學出版社，2008.