西门子S7-200PLC在造气微机分布式控制系统中的应用

一、项目简介

洛阳骏马化工现在为一中型化工企业，以生产化肥为主，于2002年10月正式租赁原洛阳氮肥厂。其造气车间称作是全厂的龙头，它的优劣，很大程度决定了全厂的生产水平和效益。为彻底改变中氮造气系统的低产高耗的现状，该厂决定对造气工艺进行大刀阔斧的改造，并首次使用分布式控制系统，实施集中分散控制，取代已沿用多年的原单炉油压微机控制器。洛阳西菱自动化设备有限公司是一家长期从事化工自动化开发研究和系统集成的公司，承接该项目后，在充分了解该厂造气工艺的控制过程，厂方的习惯和特殊需要后，精心设计了包括由双微机相互冗余，包括21in大屏幕显示器，和多台西门子PLC的控制柜，操作台等组成的分布式控制系统。经安装和调试，实施投产，经过两年多的正常运行，为企业创建了丰厚的效益。

二、系统简要工艺介绍

中型化肥企业造气工艺一般采用以无烟煤为原料，以直径3.2m间歇式煤气发生炉生产一定成分的半水煤气。炉子上出口和下出口分别接有空气阀、蒸气阀、烟囱阀、回收阀和通向气柜的出口 f等8～12个液压大阀。其生产过程分成二次上吹、吹净、吹风、上吹、下吹五个阶段，吹风使造气炉中一定煤炭层炽热燃烧，炉子升温。根据五个不同的时间阶段，炉子上出口和下出口，各个不同的阀门按照一定的规律，以多种打开或关闭的不同控制组合，使不同的介质空气、蒸气交替从上或下进入炉内参加反应，而产生的不同气体由上或下被回收或送入气柜。在正常生产阶段，要求能根据不同情况灵活调节，显示各时间段。遇到某些工艺情况，对局部阶段增加或减少阀门开闭，改变或跳过一些阶段。开停和暂停要有一定要求。每台炉还具有3～4个温度检测点和3～4个压力、流量、液位检测及一个液位PID调节。多台炉子同时工作时，要求相互之间要有一定时间协调，必要时重新排队。紧急停时有安全位置，运行时有安全联锁。全系统除有少量的开关量外，同样有12～16个公共的压力、流量、温度测量和蒸气压力等PID调节控制。

综上所述，造气系统是一个由多台PLC、大量开关量和部分模拟量及少量调节回路组成的较复杂的控制系统。它的基本特点是以开关量为主，同时能够灵活多变，通过人机界面众多键控，适应多种不同工艺需要的顺序控制系统。其主要控制对象为阀群组。画面要能清楚地显示主要工艺流程，方便灵活地控制大量参数，同时要取代原有的仪表盘对工艺参数的监视显示和控制功能。由于工艺中含有氢气、煤气等易燃易爆介质，对安全性要求极高，要求控制必须准确无误，极为可靠。

根据系统上述特点，改造前的PLC的选型工作是一件非常关键的事。PLC是核心部件，决定系统的功能、适用性、可靠性和价位，作为一个极其重要的关键设备，质量好坏决定成败，考虑的一切出发点是安全可靠性。需要考虑的其他因素也有很多，有技术性能、硬件的可靠性、设备的安装、编程软件和软件成熟的程度，与上位机的通讯方式和速度，组成设备的安全可靠程度，价格因素，服务年限，设备的可维护性，本单位的技术实力，备件等。

原方案是选用编程方便的日本三菱PLC作下位机，但考虑主要硬件的特性，编程容易，但价格贵1/3，同时组网通讯连接不方便。西门子产品质量一流，价格适中，同时以RS485组网通讯更为简便，软件编程精简、灵活等诸多因素，经过认真调研和周密思考，最后选择西门子的S7-200系列PLC作为下位机。当时另一方案使用s7-300系统，优点是系统简洁，通讯速度高而形式简单，整体档次高，价格也高。经过比较发现，一是成本大幅度上升，同时考虑到，8台炉共用一个下位机，万一发生故障，将全厂停车，不如每炉一个PLC，风险相对分散。再三斟酌，最终选定PLC硬件配置如下，共计S7-200 CPU 9个，各类扩展模块28个。

8台煤气炉，每台炉硬件配置如下，共计8套：

S7-200 PLC      CPU224     6ES7 214-1BD22-OXB0    1个    

数字扩展模块    EM222D0    6ES7 222-1HD22-OXA0    1个

温度测量模块    EM231TC    6ES7 231-7PD22-OXA0    1个    

Al/AO模块          EM235      6ES7 235-OKD22-OXA0       1个    

用以完成与上位机通讯，开关量的输入输出控制，各炉测温、测流量、液位显示控制，液位调节阀输出4～20ma。

公用系统(0#)配置，共1套：

S7-200 PLC      CPU226      6ES7 216-2BD22-OXB0    1个  

温度测量模块    EM231TC    6ES7 231-7PD22-OXA0    1个    

Al/AO模块          EM235          6ES7 235-OKD22-OXA0    3个    

用以完成公用系统的通讯，余热回收控制，温度测量，模拟量采集测量压力，煤气流量，蒸气压力，软水压力，气柜高度和蒸气，蒸气调节阀PID输出用。

三、控制系统构成

系统人机界面的选择，当时也有两个不同的考虑。一个方案是使用西门子的人机界面TP070组态，特点是可靠性极高，全是西门子产品，组成通讯网络方便，但画面尺寸小，难以表达复杂的控制画面。另一方案是用流行的做法，硬件由PC作上位机，软件用组态软件二次开发成应用软件，可选用大屏幕显示器，充分运用丰富的色彩，动画，控件等手段，形成视觉效果极佳的人机界面。其缺点是WINDOWS操作系统的故障，有时难以避免造成系统的不可靠。根据本控制系统的各项性能要求，考虑到各个PLC均有独立运行的能力，经过综合全面考虑，决定采用后一方案。为稳妥起见，选用两台PC，互为冗余，并通过局域网互联，数据共享，以加强整个系统的可靠性和安全性。

上位机选择配置较高的两台工控机，通过TCP/IP相互联网，并且相互为冗余，故障时自动切换或手动切换。系统由组态后的运行软件统一管理协调，上下位机构成如下控制系统。系统的硬件配置网络结构图见图1。

所组成的分布式控制系统，通过网络形式相互连接，通讯是其中的关键～环。由于资金所限，没能采用以太网和Profibus-DP等高速网络形式。权衡利弊最终选用西门子S7-200系统通用的 PPI协议形式组网。以RS485总线形式与各PLC通讯口相连接，通讯速度为19.2K。每个PC配置PCL-846四串行通讯卡一个，新增加C()M口4个，COM1配置RS232C/RS485转换器1个。5个通讯口通过专用的屏蔽双绞线和西门子专用连接头与PLC通讯口相连，构成通讯网络，传递控制显示信息。之所以用多个串行口是为了加快通讯速度，增强动态显示效果。

上、下位机通过总线的连接控制方式，充分考虑到每个PLC单独控制一个炉子，不仅减轻上位机负担，并具有相对的独立性和安全性。众所周知，PLC和其他方式控制相比，是具有极高的稳定性和可靠性。如果WINDOWS出问题，或在上位机故障或切换情况下，每个PLC可以仍继续不停顿地按原方式工作，全部炉子的顺控程序不受影响，阀门开闭正常进行，这就大大提高设备整体的：全可靠性。

图1  系统的硬件配置网络结构图

交直流电源对于系统的安全可靠性有不可忽视的影响。为此，给系统配有大容量UPS作交流系统和直流系统的共同后备电源，即使输入交流断电，系统仍能坚持供电30min，PC、控制柜及 PLC依然工作，可从容处理全系统至安全状态。

四、控制系统功能及要点

根据造气DCS的控制特点，PLC与组态软件有一个明确的分工。组态主要负责统筹全局，界面显示和人机对话，控制和监督各炉操作及系统工艺参数的管理，公用系统的显示控制，各起动时间的相对关系协调。而单炉PLC只管每个炉阀门的顺序控制、数据采集、PID调节控制、响应通讯等局部事物。应用中的设备照片见图2。

图2应用中的设备照片

系统其主要控制对象是经电磁阀油压缸驱动大阀组群，按一定时间顺序和外部给定条件，加上众多的控制命令，灵活有序地开启、关闭各个阀门，完成工艺生产循环过程。PLC的编程根据造气工艺控制的特点，核心部分采用顺控方式，简化程序，条理清晰，实现模块化，安全可靠，增加可读性。以5个不同的工序为主模块，形成每台炉的核心控制。加入多个不同作用的控制键功能及其他辅助功能，根据不同情况，调用多个专用功能块，形成主程序，完成控制任务。众多的子程及中断程序，即是多个专用功能块，完成某个单项功能。主要有初始化程序，开停控制程序，制惰五个步序程序，全吹、加氮、大氮、步进，暂停、烟囱放空、回收、紧急停车等工艺控制程，讯预处理程序，阀检联锁程序，数据采集程序，PID控制程序，单阀操作程序，安全停程序：中最重要的是安全问题，步序不能乱套，时间必须在一定范围，某些阀门在同一时间内不能6开，必须有阀位检测，相互联锁，这些要害问题在程序中必须有特殊处理和考虑。应用中的画面见图3，主画面照片见图4。 

图3应用中的监视画面

图4主画面照片

S7-200 CPU的系统块(System Block)多种独特的参数设置，在编程中占有重要的地t般PLC根本作不到，能极大影响程序的执行效率。一般选项默认设置可以满足绝大多数需要，要更改。本项目中，考虑到工艺安全要求，某些阀门在上电前和开车转停车时必须保持打开t过设置输出表( Output Table)保持该输出点停止时在安全位置。模拟量输入滤波器(Analog F．lters)，由于压力、流量等信号变化速度不快，采样数设置128。温度信号不滤波。本项目盘据量较大，设置背景通讯(Background Time)的扫描时间百分比为50%，以满足系统要求。S CPU的数据块(Data Block)可以为V存储区指定程序初始值，简单便捷，项目中大量的初始萎通过数据块设置，直接进入程序，使初始化子程得以简化。程序、系统块、数据块必须经过编译，下载至PLC中才能生效。

整个系统由操作台，控制柜组成。操作台内包括：PC两台，21in显示器两台，键盘鼠标，面板有旋钮开关、信号灯、蜂鸣器等。控制柜前面板有电流电压表、控制开关、信号灯等，柜内安装 PLC、模块、继电器、开关电源、电磁阀电源、UPS、仪表电源、小型断路器等。

硬件品质对整体设备可靠性有重大影响，必须坚持选择各种品质优秀的元件来组成系统，选择有ISO认证的厂家通过OEM形式整体制造控制台、控制柜。柜体均考虑元器件发热有自然通风外，另加有强迫通风冷却。内部导线选用截面必须合格，各种配件仪表、连接端子、继电器、信号灯、按钮、开关、开关电源等必须选用指定的有认证的优质产品。只有从整体制造的各个环节严格把关，才能打造设备整体的可靠性。

项目中PLC的输出接点直接负荷是电磁阀，额定电流为1.6A，PLC接点容量为2A，略有富裕。但考虑动作的频繁程度，外部环境的恶劣，带电感性负载，还是确定中间加继电器扩大接点容量，防止短路损坏至PLC内部。

控制柜元件采用以DIN轨道固定方式，走线槽式配线。考虑到输入输出、数字、模拟之间的影响及抗干扰的考虑，要求输入输出分开走线，尽量避免相互平行布线。外部模拟信号线用屏蔽电缆，不上端子，直接进PLC，使干扰降至最低。外部微弱信号(O～lOmV)就地转换成4～20mA信号后再远传进柜。模拟模块的接地必须按要求接，否则将引起干扰。其控制设备照片见图5。 

图5控制设备照片

西门予PLC以PPI方式构成的网络控制系统，通讯问题极为重要，处理不当时容易出错。经过初期生产实践，遭遇了数次不正常之后，对该问题才有深刻的认识和理解。故障一般表现为：主机突然出现画面凝滞不动、曲线走直、倒计时读秒数字停滞、步序停止不前。其实质上是微机与PLC的通讯中断或信息堵塞，PLC数据上传不了，微机命令传达不下去。数十秒画面停滞，其实并非微机中真正的“死机”。其实系统各PLC仍在正常运转，正常控制不受影响，阀门正常起落，无碍大局，但极易引起了操作工的惊慌失措。几次经历之后，终于发现原因：最早时，类似现象是由串口转换器速度不足，供电不足引起。硬件更换后，后来偶尔还会发生，则是因为：需要读写的变量共达数百个，通讯数据量太大，PPI通讯速率仅19.2K，串行通讯口少，需要依次进行。在某些数据量特别大的瞬时，使得信息堵塞，传递不畅。

围绕这些原因，采取了如下措施：1）变更硬件，RS232/RS485通讯转换器由外置式转成板卡式，单台PC COM口由2个增加到4个，速度和可靠性进一步提升；2）PLC程序结构调整，使数据精简，分级，理顺，排序后速度相对加快；3）增加程序中通讯时间比例，提高系统块背景通讯的扫描时间百分比设置。经过改造，通讯部分自此平安无事，问题得到解决。通讯速度测试数字表明，每帧在0.38s左右，比以前明显加快。画面速度提高，呆滞消逝，画面流畅。这使我们对PLC及相关通讯软件及相关硬件的重要性，有了更为深刻的认识。

五、系统总结及厂方评价

造气微机分布式控制系统经过两年的时间考验，随着使用者操作经验的成熟，造气工艺的改进，原料的重要变更，生产规模的扩建，对系统有了进一步更高层次的改进需求。通过厂际信息交流，相互学习，也获得了一部分同类项目的最新成果和经验。2005年3月全厂停车大修期间，对原系统进行扩充和提高，主要内容有：增加8#炉系统，硬件，程序；全部PLC地址统一，相互具有互换性，解决备件一致性；变更部分工艺控制，各炉增加了煤总阀；增加各炉加煤和下灰与开车的安全保护联锁；增加各炉一次风阀一煤气下行阀的联锁控制，并延时自动跳车。扩改后的系统运行平稳，更趋完美、安全、可靠。

自2003年4月份投入使用，至2005年8月，系统历时两年多长期连续不间断的运转，显示了该装置运行可靠、安全稳定、功能强大、适应性强、价格经济等优点。造气系统的工艺和控制方式，经过改造后，成效显著，人员大减，操作稳定，单炉产气量大增，煤耗下降，全厂2003年一举扭亏为盈，2004年效益甚丰。

项目获得该厂上下一致好评，他们认为：

(1)该项目提高了本厂的自动化水平，集中控制，显著提高操作水平和工艺水平。改善生产岗位环境，节省人力，减轻劳动强度。增加了企业的各项综合效益。

(2)有效防止事故的发生：阀检的联锁控制，延时自动跳车功能和阀位检测功能，在几次大阀不正常情况下，都及时跳车，避免了事故，保证了安全。

(3)可靠性大大增加，事故减少，系统安全稳定。单耗大幅度降低，达到历史性的最好水平。去年全厂超额完成全年计划，尿素产量达14万吨，年的高产。不仅扭亏为盈，而且创出高效益。

(4)造气分布式控制系统的成功实现，为化肥企业实现低成本自动化，开辟了一条低投入、高效益、易普及的新路。

六、应用体会

通过这一项目全过程的反复实践及重复，对S7-200 PLC性能特点有了更为深刻的认识。

(1) S7-200 PLC价格经济实用，体积轻巧，扩展模块齐全。同等规模系统，与用中型系列，与同类国外日本PLC相比，价格低1/3左右。功能强大，性价比高。因此更适合目前困难企业占多数的国情。

(2)程序结构清晰、精简、易读。编程灵活，能轻松实现如同S7-300 PLC的结构化程序模式。多种编程语言、多种中断、三级保护、数据块、系统块，这些独特的性能为一般同类PLC所不具备，因此编程更加得心应手，轻松愉快。

(3)通讯能力超强、形式简单、并有多种扩展方式、联网能力强，可使多台小型PLC组网，足以完成中型项目。本项目即一种具体应用。

(4)具有交叉参考表、符号表、状态图、强制功能等工具，调试极为方便，稍加处理后，程序过程可视化。本项目中，调试顺控程序，PID程序，就充分利用了监控强制功能。