分布式控制系統在氣相法白炭黑生產過程中的應用

摘 要：本文介紹了SIEMENS公司的分布式控制系統SIMATIC DCS在白炭黑生產過程中的應用。闡述了系統的工藝流程、硬件配置、軟件配置和控制系統完成的主要功能。

關鍵詞：白炭黑;工業以太網; DCS;SIEMENS;TI555;APT;WinCC

1 前言

　　氣相法生產的白炭黑是沈陽化工股份有限公司的產品，自六十年代開發成功以來，一直采用儀表控制。為了克服儀表控制的漂移、不穩定、不可靠性，提高產品質量和生產自 動化水平，我公司于1998年對白炭黑進行擴產改造，我們采用了德國西門子公司SIMATIC DCS 過程控制系統對生產過程進行控制。我們開發了適合于白炭黑現場的應用軟件。此套系統自98年2月開發成功并投入運行以來，大大地提高了白炭黑的產品質量和生產過程的穩定性，減少了工人的勞動強度，降低了生產成本。2002年由于監控站的計算機系統落后于時代，我們對此系統又進行了二次改造，形成了目前的基于工業以太網的分布式控制系統。本文將就二次改造后的控制系統，從工藝流程、控制點到控制系統的軟、硬件方面進行介紹。

2 工藝流程和設備簡介

　　氣相法生產的白炭黑主要工藝過程如圖1所示。

　　空氣經空壓機升壓后，通過冷卻器進入噴淋塔，與低溫鹽水進行換熱除水，然后進入儲罐送至空氣分配臺。氫氣經氫壓機升壓后，通過冷卻器進入噴淋塔，與低溫鹽水進行換熱除水，然后進入儲罐送至氫氣分配臺。

　　四氯化硅由高位槽儲罐進入汽化器。空氣分配臺來的汽化空氣進入汽化器。將汽化后的四氯化硅送入水解爐內，與由空氣、氫氣分配臺來的空氣、氫氣相混合發生水解反應。生成的白炭黑粒子與其它反應氣體一起進入聚集器，聚集成較大的白炭黑粒子。通過旋風分離器將反應氣體與白炭黑分離。由旋風分離器分離下來的白炭黑粒子通過噴射器連續加入到脫酸爐內，脫去表面吸附的HCL。然后送至沸騰床內，在沸騰床內脫除大粒子的白炭黑進入成品儲罐，經真空壓縮后包裝成每袋5KG的成品白炭黑。

3 控制系統的構成

　　3.1 硬件配置

　　該控制系統有兩個控制站，選用性能先進、可靠性高的SIEMENS公司的TI555型控制器。由于控制系統的I/O控制點數較多，因此又擴展了1個I/O站。TI555型控制器，能通過分布式遠程機架最多處理8192個I/O點，并且這8192個I/O可以是開關量和模擬量的任意組合。TI555的內存為1920KB，它處理速度快，執行1K字節布爾邏輯指令的時間僅為0.068ms，每秒可進行600次回路計算，且處理獨立的PID回路數可達64個。

　　根據SIMATIC DCS分散控制、集中管理的系統結構，本系統設有2個操作員監控站，選用的是西門子工業控制計算機。計算機內安裝SIEMENS公司的CP1413通訊卡，采用國際化標準的網絡協議，使系統具有開放性，實現了數據和資源共享。CP1413通訊卡通過EMS電氣轉換器分別與兩個控制站內的CP1434TF通訊板卡相連。計算機控制系統硬件配置及網絡結構如圖2所示：

　　3.2 軟件配置

　　控制站的組態和編程是通過面向過程控制的軟件包APT（Application Productivity Tool）來實現的。順序控制和連續量的調節分別使用SFC順序功能圖表和CFC連續功能圖表來描述。APT的編程主導思想是把復雜的控制問題分解為若干個相對獨立的子單元。對常用設備閥、泵等的控制用DEVICE來描述，對I/O變量和內部變量用具有實際意義的名稱，使編程和調試更加方便和快捷。APT可在程序編程過程中隨時驗證所編程序的正確性，將編輯過程中的事件以報告形式存檔，并可完整地顯示和打印所編程序和報告。

　　操作站的監控軟件選用SIEMENS公司的WinCC。WinCC即Windows_Control_Center（視窗控制中心），是SIEMENS公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司共同開發的居于世界領先地位的工控軟件。WinCC是一個強大的全面開放的監控系統，既可以用來完成小規模的簡單的過程監控應用，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話界面，使操作員能夠清晰地管理和優化生產過程。

　　WinCC擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能已包括：

　　● 圖形系統

　　用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態。

　　● 報警信息系統

　　記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便。

　　● 變量存檔

　　接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能。

　　● 報表系統

　　用戶自由選擇一定的報表格式，按時間順序或事件觸發來對信息操作、文檔、當前數據進行用戶報表輸出。

　　● 數據處理

　　對圖形對象的動作使用C語言及C編譯器進行編輯。

　　● 標準接口

　　通過ODBC和SQL訪問用于組態和過程數據的SYBASE數據庫。

　　● 應用程序接口

　　允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標準應用程序。

　　另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發工具CDK，允許用戶開發用于連接數據管理器與任何目標系統的通訊軟件。

　　WinCC的組態及歸檔數據存放在關系型數據庫中，數據可用標準工具如ODBC和SQL等讀出。很多標準的應用如Microsoft_Excel等可以和WinCC并行運行，同時可通過DDE裝載過程數據。操作員站軟件允許通用的OCX、ActiveX鏈接。更進一步，集成的OPC（OLE_for_process_control）服務器使得過程數據可由其它應用程序（OPC客戶機）訪問。

4 控制系統的軟件設計

　　4.1監控站的軟件設計

　　監控站軟件實現控制系統的工藝流程畫面顯示，實時和歷史趨勢曲線顯示，報警等功能。

　　監控站共繪制了圖形15張，其中工藝流程圖9張，報警圖1張，聯鎖圖1張，流量累積表2張，產品質量表1張，總貌圖1張。在工藝流程圖上，可以觀察到各個檢測點的實時 數據顯示，并可對回路控制進行操作： 手/自動切換、更改設定值、設置PID參數等?？偯矆D匯集了工藝流程圖、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、報警組、TAG組（過程組），每一次查詢都可從總貌圖開始，再向下進行。

　　4.2控制站的軟件設計

　　APT是面向過程控制的軟件包，適于對控制站的組態、編程和調試，也可監控控制器的運行狀態和變量。使用APT編程，對順序量控制和連續量的調節分別用SFC和CFC來描述。

　　我們先列出兩個SFC的編程例子和再舉兩個CFC的編程例子 。

　　4.2.1 SFC編程舉例

　　任何SFC的執行都是從主SFC開始的，這里主SFC包括OK-4-NGHT（ 4# 晚班指示燈控制）、OK-2-NGHT（2# 晚班指示燈控制）、F1-Timer（流量累積之一）、F2-Timer（流 量累積之二）。主SFC結構圖和編程如下：

　?。?）SFC：Main-SFC

　　（2）SFC OK-4-NGHT 4#白炭黑晚班產品質量燈控制

　　4.2.2 CFC編程舉例：

　　用以下程序實現流量累積開始、停止、復位按鈕之間的邏輯關系。這種邏輯關系可以使累積方式靈活，便于管理和考核。它們之間的邏輯關系為：假如按下復位按鈕，則 開始按鈕和停止按鈕為false，累積量清零。假如按下開始按鈕，則停止按鈕為false，開始累積。假如按下停止按鈕，則開始按鈕為false，停止累積。

　　標 題: BTN-106

　　boolean: V12-1,V12-2;

　　begin

　　if RESET-106 then

　　STR-106:=false;

　　STP-106:=false;

　　F106-TOTAL:=0.0;

　　RESET-106:=false;

　　endif;

　　if STR-106 and not（V12-2） then

　　if STP-106 then

　　STR-106:=false;

　　endif;

　　V12-1:=true;

　　else

　　V12-1:=false;

　　endif;

　　if STP-106 and not（V12-1） then

　　if STR-106 then

　　STP-106:=false;

　　endif;

　　V12-2:=true;

　　else

　　V12-2:=false;

　　endif;

　　下面這段程序實現了自動聯鎖。聯鎖關系為：假如自動按鈕已按下，當被控點溫度小于 低限時，啟動電加熱裝置，當被控點溫度高于高限時，不管自動按鈕啟動還是停止，電加熱 裝置都停止，保證了安全，這里的溫度高限和低限可以根據現場情況任意更改，這樣比較靈 活方便，并且可以節省能源。程序如下：

　　標 題: LOCK-TS

　　begin

　　if KB-1 and TI-104

　　TS-104:=true;

　　endif;

　　if TI-104>TS-104-H and KB-1 or not（KB-1） then

　　TS-104:=false;

　　endif;

5 結束語

　　隨著計算機技術的不斷發展，工業控制機的檔次也不斷提高。 由于CPU速度的增長，滿足了生產現場實時控制的要求;軟件技術的發展，使得應用開發變得更加簡單，功能也更加全面。本系統自2002年9月正式投入運行以來，系統效果很好，系統功能豐富全面，而且易于操作和維護，系統可靠性高，至今計算機控制系統運行一切正常，并帶來了可觀的效益。