金屬錸生產過程的集中控制系統

程惠倫，魏志

（1.銅陵銅冠優創特種材料有限公司，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用到航空航天、電子工業、石油化工等領域。由于其特殊性能，含錸單晶空心葉片是渦輪發動機的首選和趨勢。本文針對錸酸銨提純，錸酸銨還原、制備高純金屬錸生產工藝，采用西門子全集成自動化（TIA）控制系統，實現了生產過程的集中控制。

設計了一種多入多出的智能協調控制器，通過合理調節冷凍機組和調節閥，實現了錸酸銨結晶的供水冷量、冷凍水槽的冷水冷量、結晶溫度的穩定控制。即滿足了生產的需要，又達到了節能的目的。設計了一種自動加水控制器，實現了純水的自動實時加水和準確計量。滿足了生產工藝中使用添加劑的濃度控制要求。

采用多種通訊協議實現了與不同第三方設備的通訊，高度集成了生產監控和操作，極大程度上提高了生產的安全性，降低了操作人員的勞動強度。

2 工藝概述

錸酸銨還原高純金屬錸生產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采用“粗錸酸銨重結晶+離子交換提純—兩段氫氣還原—壓制成型—高溫燒結”工藝流程。粗錸酸銨原料純度為99%，經過重結晶+離子交換提純工藝后得到99.99%的高純錸酸銨，經過兩段氫氣還原將高純錸酸銨還原為高純金屬錸粉，高純金屬錸粉經過壓坯和高溫燒結得到99.99%以上的高純金屬錸粒（條）產品。

考慮到需要監控的點較分散、數量較多，第三方成套設備種類也較多，而且生產工藝尚處試驗階段，還要充分考慮到系統的擴展性、兼容性、修改的便利性等，因此控制系統采用了西門子全集成自動化（TIA）控制系統。

3 系統配置

西門子全集成自動化（TIA）控制系統，遵循工業自動化領域的國際標準，著眼于滿足先進自動化理念的所有需求，并結合系統完整性和對第三方系統的開放性，以一致的軟件和硬件接口，可實現與運營層、管理層數據的無縫集成。

針對金屬錸生產工藝、設備的特點，系統網絡拓撲結構如圖2所示。工程師站安裝TIA STEP7、TIA WinCC編程組態軟件，操作員站安裝TIA WinCC監控軟件。采用S7-1500系列控制器及模塊，實現信號采集、設備控制、聯鎖保護、回路調節。與第三方自帶系統通過通訊的方式實現集中的監控。通過Profibus-DP轉Modbus RTU實現與冷凍機組、空壓機的通訊；通過S7通信實現與蒸發器、燒結爐的通訊；通過OPC實現與純水機、空調機組的通訊。

圖2 系統網絡拓撲圖

TIA博途軟件為全集成自動化的實現提供了統一的工程平臺。是工業領域第一個帶有“組態設計環境”的自動化軟件。自動執行工程組態任務、連接產品生命周期管理與自動化工程組態、基于云平臺的高效組態、虛擬調試、集成能源管理、設備與信息安全、云服務數據采集、通過通信網絡處理物聯網數據。

S7-1500控制器以其卓越的產品設計理念為實現工廠的可持續性發展提供強有力的保障。

①CPU最快位處理速度達1ns；采用百兆級背板總線確保極端的響應時間；強大的通信能力，CPU本體支持最多三個以太網網段；支持最快125μs的PROFINET數據刷新時間。

②統一編程調試平臺，程序通用，拓展性強；支持IEC 61131-3編程語言（LAD/FBD、STL、SCL 和 Graph）；借助ODK，可直接運行高級語言算法（C/C++）。

③可直接在控制器中對簡單到復雜的運動控制任務進行編程（例如速度控制軸、凸輪傳動）；可借助 I/O 模塊實現各種工藝功能（例如 PTO）。

④集成標準化的OPC UA通信協議，連接控制層和IT層，實現與上位SCADA/MES/ERP 或者云端的安全高效通信；通過PLC SIM Adv可將虛擬PLC的數據與仿真軟件對接；虛擬調試提前預知錯誤，減少現場調試時間。

⑤集成復制保護和專有技術保護功能可確保知識產權不受侵犯；改進保護功能，能夠防止篡改并抵御網絡威脅（身份驗證）。

⑥借助1：1LED通道分配，可在現場快速定位錯誤；發生故障時無需編程就可通過編程軟件、HMI、Web Server等途徑快速實現通道級診斷；使用標準化的ProDiag功能，可高效分析過程錯誤，甚至在HMI 中直接查看出現錯誤的程序段，大大減少調試與生產停機時間。

⑦ CPU自帶面板支持診斷、初始調試和維護（變量狀態、IP地址分配、備份、趨勢圖顯示，讀取程序循環時間，支持自定義頁面，支持多語言）；智能多功能型I/O模塊，優化的產品線，方便選型與備品備件。

冷凍機組、空壓機自帶S7-200Smart控制器，配有Modbus RTU從站通訊模塊。本系統選用鼎實科技的PBB-MM協議總線橋實現Profibus-DP與Modbus RTU的通信轉換，并通過CP1542-5通信模塊與控制器進行連接。

蒸發器、燒結爐自帶S7-1200控制器，純水機、空調機組自帶昆侖通態觸摸屏，本系統分別采用S7通信和OPC的通訊協議，實現了與系統與現場設備的數據交互。

4 冷凍水智能協調控制

冷卻結晶是制取高純錸酸銨的關鍵工序，而冷凍水的品質對結晶起到了至關重要的作用。

本文設計了一種多入多出的智能協調控制器，實現了對冷凍水品質的穩定控制，同時也實現了節能的目標。冷凍水控制的回路圖如圖3所示。

圖3 冷凍水控制回路

智能協調控制器的控制目標是：1、一次結晶的供水冷量恒定；2、二次結晶的供水冷量恒定；3、冷凍水槽的冷水冷量恒定；4、冷凍水槽的冷水溫度恒定。調節的執行機構是：1、一次結晶的供水調節閥；2、二次結晶的供水調節閥；3、冷凍水槽的進水調節閥；4、冷凍機組的功率。

在冷凍水整體的工藝回路中，冷凍機組的功率、冷凍水槽的進水調節閥開度、一次結晶的供水調節閥開度、二次結晶的供水調節閥開度、冷凍水槽的冷水冷量、冷凍水槽的冷水溫度、一次結晶的供水冷量、二次結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。

智能協調控制器的算法結構如圖4所示。

圖4 智能協調控制器的算法結構

恒溫控制器通過調節冷凍機組的功率保證了冷凍水槽溫度的恒定；恒冷量控制器1通過調節一次結晶供水調節閥的開度保證了一次結晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器2通過調節二次結晶供水調節閥的開度保證了二次結晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器3通過調節冷凍水槽進水調節閥的開度保證了冷凍水槽的冷水冷量的恒定。

冷凍機組的功率、一次結晶供水調節閥的開度、二次結晶供水調節閥的開度對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、冷凍水槽的進水調節閥構成串級控制。

5 純水自動加水

溶解是冷卻結晶的前置工序，是冷卻結晶的關鍵，純水供應水量的計量對溶解非常重要。通過操作人員手動加水不僅計量不準還會出現馬虎大意的事故。

本文設計了一種自動加水控制器，一鍵關聯純水泵、調節閥、開關閥，實現了純水加水的一鍵控制和精準計量。純水自動加水控制的回路圖如圖5所示。

圖5 純水自動加水控制回路

純水自動加水的控制目標是：1、保證純水加入量的精準；2、防止誤操作并保護純水泵。調節的執行機構是：1、純水泵；2、主管調節閥；3、一次開關閥；4、二次開關閥。

純水自動加水的算法結構如圖6所示。

圖6 純水自動加水的算法結構

操作人員在選擇了加水目標后，點擊“加水啟停按鈕”，系統自動完成純水的加入與計量。

系統首先根據加水目標自動打開相應的開關閥，調節閥開度開到100%，在純水箱液位足夠的前提下，自動啟動純水泵。系統根據供水流量，自動進行供水量的計量。當供水量計量接近設定值時，調節閥控制器發出指令將調節閥慢慢關小，直至供水量達到設定值時，純水泵停止、調節閥全關、開關閥關閉。

6 結語

針對錸酸銨還原高純金屬錸生產工藝的特點，采用西門子全集成自動化（TIA）控制系統，實現了生產過程的集中控制。與第三方成套設備采用多種通訊方式，最終實現了生產監控的高度集成和全流程的安全保護。針對生產中的關鍵控制點，冷凍水控制和純水加水，分別設計了智能協調控制器和自動加水控制器，滿足了工藝需求，同時降低了操作人員的勞動強度，杜絕了安全事故。