PCS7控制系統在伊朗空分系統中的應用

王海濤 方家堃

(杭州杭氧股份有限公司設計院，杭州 310014)

伊朗SAFA公司30 000Nm3/h空分設備采用常溫分子篩吸附凈化空氣、增壓透平膨脹機制冷。針對空分工藝復雜、控制邏輯多、模擬量控制回路多及主要設備分散等特點，選用DCS過程控制系統對空分系統中測點和調節系統進行監測和有效控制，使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩定地運行。

DCS系統選用SIMATIC PCS7系統，它是西門子公司開發的面向所有控制應用場合的基于現場總線的模塊化先進控制系統，該系統使用統一的數據管理、通信、組態和編程軟件，具有全集成自動化的特點[1]。全集成自動化解決方案對自動化應用提供統一技術環境，基于這種環境，大大簡化系統結構，減少大量接口部件，在同一平臺下完成上位機與控制器之間的邏輯控制，對所有應用進行組態和編程[2]。

1 DCS控制系統構成①

伊朗項目空分系統包括空壓機、增壓機、空冷系統、純化系統、膨脹機系統、精餾系統和公用工程系統。空壓機和增壓機組由PLC控制，其結構如圖1所示，通過PROFIBUS協議與DCS實現通信，在DCS上位機監測壓縮機組的運行數據。

圖1 PCS7系統結構

空冷系統、膨脹機系統及精餾系統等的監測、控制、報警和聯鎖功能在DCS里實現。控制系統主要包括控制站、工程師站、操作員站、通信網絡及軟件等。

系統包括以下設備和軟件：

a. 一個工程師站ES，同時可兼作OS站,工程師站通過100MHz工業以太網連接客戶機和服務器，完成控制畫面和控制策略的組態，并且用于工程師調試和維護；

b. 兩個操作員站OS，用于操作員操作DCS系統，進行正常的生產操作；

c. 一對冗余控制器417-4H CPU、冗余IO卡件、冗余工業以太網、冗余電源和冗余的PROFIBUS DP通信網絡，AS站與IO站采用PROFIBUS DP網進行通信，控制器與ES/OS站通過以太網ETHERNET(100Mb/s)實現通信，網絡設計為冗余的拓撲結構，通過工業以太網交換機X204-2組成環形工業以太網；

d. PCS7 V6.0軟件包和WinCC HMI軟件，用于組態硬件設備、控制程序(CFC和SFC功能塊)和HMI操作畫面。

1.1 硬件配置

控制器為一對AS417-4H CPU，工作時一個為主控制器，另一個為“熱備用”模式，當主控制器出現故障或者突然死機時，能實現無擾動自動切換，熱備控制器自動轉換為主控制器，具備事件同步功能，系統不會停機。主控制器通過冗余PROFIBUS DP現場總線對IO站控制，PROFIBUS DP具有高速、低成本的特點，用于設備級控制系統與分散式IO通信，實現高速數據傳輸，提高了系統通信的可靠性。現場控制站ET200M分布式IO通過冗余現場總線連接主控制器，主控制器通過通信獲得現場模擬量和數字量信號，同時將主控制器的命令發送給現場。每個ET200M上插有兩塊IM153-2通信接口模塊，兩塊IM153-2通信模塊互為冗余，可無擾動切換，并具有在線熱插拔功能，當其中一個IM153-2接口模塊出現故障，或者在線插拔維修，不會影響系統工作。空分項目中重要的報警點和聯鎖點采用冗余IO卡，當一塊卡出現故障，系統自動從另一塊冗余卡讀取該測點信息，保證工藝不因此硬件故障而發生跳車事故。一臺工程師站和兩臺操作員站選用DELL工控機。實際IO點數統計配置見表1。

表1 IO點數統計配置

硬件組態如圖2所示。

圖2 硬件組態

1.2 網絡架構

WinCC數據服務器用于整個生產過程的數據歸檔和保存工作，操作員站主要用于對工藝過程的監視和操作，上位機系統和控制系統通過100M工業以太網通信，工程師站連接到工業以太網，完成硬件組態[3]。系統網絡組態如圖3所示，圖中MAC是空壓機，BAC是增壓機。

圖3 網絡組態

1.3 軟件組態

PCS7終端step7組態工具集功能十分強大，其CFC和SFC形象化的程序視圖形式使得編程更加簡便，這些方法可以混合使用，交叉引用，系統提供了近500個CFC標準功能塊庫，提高了系統組態效率。

CFC是連續功能圖，它采用了IEC-1131的標準，用CFC進行組態時是以功能塊為基礎的，系統配置了很多預編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現。每個功能塊都有一個參數表，每個CFC由6頁組成。功能塊之間的連接可以在不同的CFC頁面之間進行，用以完成很復雜的大型控制任務。CFC主要用于連續過程的自動化控制任務的組態。通過強大的自動布線和集成報文組態，預定義的塊可以在CFC中定位、進行參數化設置和互聯。在生成一個新的CFC時根據圖名自動生成一個順序組，CFC圖中的塊自動添加到該順序組，在編譯時可對順序進行優化，根據算法確定最佳的塊掃描順序。

SFC是順序功能圖，可用于圖形化組態批量生產的順序控制，SFC可直接在CFC中定位和連接CFC塊，CFC塊連接到SFC的step(步)或者transmitter(條件)塊中，并通過順序、并行分支、交替分支和回路結構實現順序控制的功能。

1.4 系統的監控部分組態

系統的監控部分組態由WinCC來實現。根據工藝P&ID流程圖組態滿足工藝操作要求的畫面，畫面上工藝測點參數自動實時更新顯示，調節模塊和手操器模塊能夠對閥門和設備進行精確操作。DCS對一些重要的工藝測點要實時監控和報警，當系統有聲光報警信息出現時，操作員能夠及時查詢報警信息，并據此對空分工藝進行操作調整，使空分在安全的狀態下運行。操作員對已經歸檔的工藝測點均可以查看該變量的歷史變化趨勢，對查詢空分故障原因和對空分設備安全操作有重要意義。另外，在操作過程變量時，如改變一個閉環控制器的模式，系統會自動生成操作員的操作并報警提示。WinCC提供了一套集成的報表系統，數據庫里所有的過程點都可以以報表格式在屏幕上預覽或者輸出到打印機打印，運行此方式可以生成交接班記錄、日報及月報等生產報表。

2 系統復雜控制回路設計

空分內壓縮流程比較復雜的控制回路就是液氧泵控制回路。系統中有兩個液氧泵，以液氧泵OP601A全速運行為例，另一個液氧泵OP601B惰轉冷備，對應回流閥PV603B全開，當出現以下狀

況時，DCS系統要及時采取有效的控制措施，實現兩個泵的自動切換，以保證空分主塔工況穩定：

a. OP601A泵故障跳車，OP601A泵回流閥PV603A迅速全開。OP601B泵自動提升頻率至OP601A泵全速運行時的頻率，同時回流閥PV603B慢慢沿斜坡關至OP601A泵全速運行時回流閥PV603A的開度；

b. OP601A泵出口壓力低于聯鎖值時，OP601B泵逐漸自動提升頻率至OP601A泵全速運行時的頻率，同時回流閥PV603B慢慢沿斜坡關至OP601A泵全速運行時回流閥的開度，當液氧泵OP601B出口壓力達到要求壓力時，OP601A泵自動停止，發出報警信息，回流閥PV603A全開。

液氧泵控制回路組態如圖4所示。

圖4 液氧泵控制回路組態

3 結束語

西門子PCS7系統在伊朗30 000Nm3/h空分項目中發揮了配置靈活、控制可靠、編程直觀和調試維護方便等優勢，提升了整個系統的穩定性，也提高了空分設備的安全可靠性。自PCS7系統投運以來DCS系統無故障，無系統誤動作，很好地滿足了工藝控制的要求。