PCS7控制系统在上海某化工有限公司（醋酸分厂）变压吸附法气体收集装置上的应用

项目概述
　　上海某化工有限公司的前身为原上海某化工总厂，该厂是中国第一座自己设计、自己制造设备和建设的大型氮肥厂，始建于1961年6月。1995年该公司从BP公司引进全套醋酸生产工艺，该套装置的醋 酸生产工艺采用了BP公司的专利技术－－一氧化碳、甲醇羟基法合成。依照此项工艺，生产的主要原料是甲醇和一氧化碳，每生产1吨醋酸约需甲醇0.5吨、一氧化碳600立方米，每天需耗费一氧化碳8000立方米。

　　该套装置在反应后时产生大量的尾气，尾气的主要成份是一氧化碳和其它少量的可燃性气体。在尾气的处理上原先厂方采用放空火炬燃烧的方法，这样一方面厂家要以很高的成本购入一氧化碳而另一方面又要在尾气处理时浪费大量的一氧化碳（据估算每小时燃烧掉的一氧化碳达2000立方米），同时也对环境有一定的污染。针对这一情况，上海某化工有限公司决定投资建设一套尾气吸收装置，以提高原料的使用效率，起到节能、环保的效果。

　　在比较了诸多备选方案后最终选择以变压吸附法为原理的尾气吸收方案。变压吸附法就是利用吸附剂在各种不同的压力下对各种不同的气体能选择性吸收的特性，在不同的工艺罐中创造不同的压力环境，使吸附剂逐步吸收除一氧化碳以外的气体，最终能够输出纯度在99％以上的一氧化碳作为醋酸主装置的原料气。

　　控制系统组成
　　在本套装置的控制系统中，中央控制室内配置了1台AS416作为主控制器，1台用于组态和编程的工程师站，1台用于监视和控制整个流程的操作员站。控制器与工程师站、操作员站之间以Profibus FMS连接。在现场设备部分运用了先进的现场总线技术，变送器、阀门定位器与控制器之间的通信全部以总线方式进行而不再以传统的 4～20mA方式传送数据。

　　由于现场有防爆要求，因此上述设备通过PROFIBUS PA连接。 总共配有20台Profibus-PA 总线型压力变送器，15台Profibus-PA总线型差压变送器，5台Profibus-PA总线型温度变送器和25台SIPART PS2总线型阀门定位器。另外在系统中还选用了P＋f 本安型的总线式I\O模块，用于控制现场防爆区内的68个程控阀。连接现场 设备的 Profibus PA总线经过IM157 DP\PA接口模块处理后可与Profibus DP 网络相连，最终再由Profibus DP连接AS 416。 IM157 DP\PA接口模块与AS416之间的 Profibus DP 网络以光缆方式连接：在AS 416 一侧和IM 157 一侧各使用了一个 OLM （光缆链路模块），两个OLM 之间使用两对互为冗余的光缆，传输距离 约350米。在 Profibus DP 网络上安装了两个ET200M 远程I\O站，用于处理非防 爆区内的信号。项目的系统配置图如图1所示：

　　功能实现
　　PCS7系统是面向工业过程的分布式的全集成控制系统。它综合了DCS，PLC及现场总线的技术。开放式系统网络、开放式操作系统、以及开放式接口使公司范围也即从生产级到管理级的整个信息系统集成最优化。它采用模块化结构，可按系统进行配置。

　　工程师站（ES）
　　项目中配备一台工程师站，工程师站提供将整套装置的设备结构传送至PCS 7，并将它们绘制入对象如流程图、报告、操作画面等的方法。在工程师站上安装 PCS 7 Toolset V4.02 软件，该软件除包含STEP 7编程软件外还集成了多个特殊的用于组态和编程的软件包。根据变压吸附法收集尾气的特点，整个生产流程基本可分为顺序控制和非顺序控制两部分。在流程中某一工段内各个设备的运行会遵循某种相对固定的规律，整个过程周而复始，这样的步骤就认为是顺序控制。而其它无特定规律的部分就认为是非顺序控制。针对这两种不同类型的控制方式，所用的编程方式也有所不同：

　　1)连续功能流程图 （CFC）


　　CFC 编程适用于非顺序控制。用CFC编程必需以STEP 7中创建的块为基础。通过拖曳的方式可以将所有的块放在流程图中，以连线的方式实现数据的传递。CFC包含一个组件库，在这一库中可以找到许多常用的功能块，如输入输出驱动模块、PID调节模块、阀门控制模块等。复杂功能块和库都可以增加，同时也能用S7语言编制自定义块，并将它们组合在单个库中

　　2)顺序功能流程图 （SFC）


　　SFC 主要用于对顺序控制部分编程。SFC 的组态就是将顺序控制流程分 解成若干个步位，在每个步位中设置该步位应进行的操作，并在必要时设置跳转条件和位置。在本套变压吸附法尾气收集装置中，压力变换及吸附杂质气体主要通过控制6来实现，此段流程可以分解为6个周期共66个步位，每一步位所进行的操作及步位的持续时间相对固定，用SFC编程只需把注意力集中在设备的状态方面。

　　操作员站 （OS）


　　除工程师站以外还配备了一台操作员站，操作员通讯与显示系统以 SIMATIC WinCC （Windows Control Center）为基础。利用 WinCC 软件可以将整个流程及各 部分细节以图形的方式表述，在组态时根据实际情况将各种设备状态和仪表读数按照工艺区域划分为若干幅流程图，流程图之间可通过目录树的方式自由切换。如果要操作流程图上的某一设备，只需用鼠标点击设备图标或设备位号就可在弹出的面板上进行操作。在操作员站上不仅能对整个流程进行图形化监控，还具有报警记录和历史数据记录功能。流程中每一个设备的状态、每一个仪表的读数都被记录在项目数据库中，并长期保存。必要时操作人员可以表格的方式或趋势曲线的方式来查看或分析记录下的数据。操作人员还可以根据设备运行的实际情况预先设定一些参考值（例如液位报警点），这样系统在读取数据时就会将当前值与设定指作比较，一旦出现异常状态在操作界面上会马上出现醒目的报警信息并发出报警声，以提醒操作人员处理可能的故障。


　　在处理完故障后通过报警历史记录功能还能对故障逐条作出分析。

　　AS
　　选用一台AS 416作为主控制器。在AS站上还配置了一块CP443－5 通讯处理模块，通过此模块以Profibus FMS方式连接AS，ES和OS。因要通过Profibus DP 连接各现场设备，在AS站上配置一块IM－467 接口模块作为DP主站。

　　现场总线
　　本套系统现场总线分为两层分别是Profibus DP 和 Profibus PA。 Profibus DP 是在欧洲乃至全球应用最为广泛的现场总线系统。 Profibus DP 是一个主站\从站（Master\Slave）总线系统，主站功能由控制系统中的主控制器来完成。主站在完成自动化功能（调节、控制）的同时，通过循环的和非循环的报文对现场仪表进行全面的访问。

　　Profibus PA 是 Profibus DP 在保持其通讯协议的条件下，增加了对现场仪表而言优越的传输技术（例如，现场仪表的馈电通过数据导线在易爆环境中使用）。也就是说，以 Profibus PA 定义了Profibus DP 的一种演变，它使 Profibus 也可以用于本安领域，同时保证 Profibus DP 总线系统的通用性，这是因为Profibus PA使用的是Profibus DP协议。选择符合 IEC1158－2 的国际化传输技术使得Profibus PA现场安装技术有可靠的保证。Profibus PA总线系统的使用使得现场总线技术的许多优点也可以应用到流程工业中：

　　·测量变速器、阀门定位器通过一个串行总线系统（双线电缆）联网
　　·通过数据导线向现场仪表供电
　　·在 Ex 区域中应用 （防爆种类本安 Ex [I] ）

　　Profibus DP 与 Profibus PA 之间的转换是通过网络部件 DP\PA Coupler 和 DP\PA Link来实现的。DP\PA Coupler 的作用是将数据格式从异步（11位\字符）转为（8位\字符），为此将传输速率从45.45 Kbit\s 转换为 31.25 Kbit\s。 DP\PA Coupler 在设计、组态是可认为是透明的。同时 DP\PA Coupler 又可作为现场仪表的电源，通过势垒（用于防爆）限制馈电 电压。对于防爆型的 DP\PA Coupler 最大输出电流为 100mA。

　　DP\PA Link 最多可连接5个 DP\PA Coupler ，它们通过一块主板作为一个工作站接于Profibus DP。主板既是上位 Profibus DP （最大速率12 Mbit\s）的一个从站，又是下位 Profibus PA 各个分路的一个主站。这些 PA 分路组成一条逻辑总线。由于报文长度所限，接于一个 DP\PA Link 上的所有现场仪表的总数不超过31个。DP\PA Link 应用于对总线循环时间的要求很高和设备数量大的场合。

　　场设备和组态工具
　　现场设备包括压力变送器、差压变送器、温度变送器和P＋f I\O 模块。这些现场设备被分配在13条PA分支上。

　　使用SIMATIC PDM 就可方便地将现场技术的各个部件接入自动化系统 中。SIMATIC PDM 用于Profibus PA 和 HART 模拟模板的现场仪表通用的 参数化设计工具。它可以集成在STEP 7 中使用也可以单独使用。


　　以集成使用方式为例，双击硬件组态程序中的现场仪表符号便可启动该软件。在仪表选择窗口中可以找到所有在SIMATIC PDM 中可供使 用的现场仪表。双击某一设备的图标界面上就会显示一份仪表选择菜单。选择好仪表类型后便可进入设备参数表。参数表的内容是由随现场仪表提供的DDL描述文件决定的。在参数表中可以更改所有以白色为背景的参数区，按实际要求设定完各项参数后再下载到现场仪表存储区中，仪表的设置就完成了。

　　总结
　　在某化工有限公司醋酸分厂变压吸附法尾气收集装置控制系统中，由于充分利用了总线技术的优点，使得控制系统的复杂度大大降低，在项目建设时电缆、端子、槽盒、盘柜、桥架的用量大幅度减少，设计图纸与回路校对的工作量也相应减轻。同时也为系统留下充分的扩容余地，今后如需新增现场设备就不需要再新增电缆。整套装置于2000年7月顺利完成调试和试运行，预计不仅每年可为某化工有限公司醋酸分厂创造1000万以上的经济效益，而且也将对环境保护作出贡献。