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1、PCS7在聚丙烯挤压造粒机控制系统中的应用摘要：在介绍上海石化聚丙烯挤压机工艺特点和原控制方案的基础上,详细介绍了将控制系统升级到PCS7的实施方案,并通过2个关键回路的组态和分析,总结了在PCS7软件组态方面的经验和特点。关键词：挤压机；PCS7；控制系统；联锁1 引 言上海石化聚丙烯装置是二套年产量10万吨的聚丙烯生产装置，各有一套挤压造粒系统，原控制系统采用西门子S5-135U PLC加模拟盘二次表的混合控制模式, 运行到现在已经20年，设备老化严重，S5早已停止生产，备件采购成本高，供应无法保证，影响装置安稳运行；近年来故障频繁，由于当时技术水平的限制，系统没有SOE（报警事件记录）功
2、能，也没有配置操作员站和工程师站，给故障原因分析和日常操作、维护带来很大的困难和不便。为此，于2009年10月份利用西门子PCS7对原系统进行更新改造。此次改造使用西门子以S7系列PLC为硬件基础的PCS7替换原有S5系统，PCS7分布式控制系统具备强大的组态工具，成熟的Profibus系统总线技术，专业应用于过程控制领域的编程方式，详细的上位机显示画面以及完备的报警、趋势管理系统，能够充分满足改造的要求。2 工艺概述挤压造粒机将聚丙烯粉末和添加剂以一定的配比进行掺混后进入筒体，经高温熔融后，在主电机的驱动下，筒体中的旋转螺杆搅动并将熔体送至模板，高速旋转的切粒刀将熔体切成小颗粒，经切粒水带到
3、干燥部分，经干燥后，进入振动筛筛选，最后将合格的颗粒送入料仓等待包装。3 原系统结构简介原控制系统采用现场盘、S5 PLC加模拟盘的混合控制方式，现场盘主要是各种操作按钮、指示灯以及部分盘装显示仪表，用于操作员的现场操作控制；S5 PLC是原系统的核心，所有的控制逻辑全部在此实现，系统中全是数字量点；模拟量通过盘装二次表来集中显示和控制，包括温度、压力、流量、转矩、电流等信号的控制和显示，联锁阀值的设定，筒体温度的加热和冷却控制，趋势记录等。4 PCS7系统的硬件配置和系统构成4.1 PCS7系统概述SIMATIC PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5/S7系列
4、可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统1。系统硬件采用西门子S7-417H加ET200M分布式I/O的结构模式，输入输出模块为S7-300模块，通讯系统采用的是工业以太网和Profibus现场总线,系统内嵌WinCC用于操作和监控的人机界面组态。PCS 7 系统主要由以下几部分组成： SIMATIC Manager 它是PCS7的核心应用程序，使用它可建立PCS 7 项目的所有应用程序，是建立整个项目的起点。 HW Config 用以组态一个系统的全部硬件，例如 CPU、电源以及通讯处理器等。 CFC 和 SFC 编辑器 用以建立连续功能
5、图和顺序控制图。 PCS 7 OS编辑器 用以操作员站（OS）的组态。其中SIMATIC Manager 提供三种不同的窗口，这些窗口主要特点就是它们包含的对象在实际中只存在一次，但可以在各种不同的窗口中显示和操作。每一种窗口基本上都具有相同的结构：在左窗格中是树形结构，在右窗格中是详细的窗口。根据当前任务，每一种窗口都有其自己的特殊优点：组件窗口（Component view）表示每个对象的物理存储位置，例如功能图和功能图的物理存储位置，在组件窗口中，可以立即看到功能图和CPU的对应关系。工厂窗口（Plant view）显示工厂的层次结构，可以将工厂分为几个工段或单元，并知道某个工厂工段包含
6、哪些功能图和过程图像。过程对象窗口（Process object view）显示工厂窗口的每个对象的详细情况，这尤其适用于将类似的参数值分配给大量的对象，为其添加注释或将之互连。4.2系统配置这次升级改造中，原来的所有盘装显示、控制仪表都直接进入PCS7系统，现场盘的按钮、指示灯等功能保留，用西门子触摸屏取代原来的模拟显示表；原模拟盘完全拆除。新系统网络构成如图所示工程师站ES以太网操作员站OSProfibus-DPET200MMP277ET200MET200MET200MX208工业以太网S7-417图 系统网络结构示意图工程师站台，用于系统工程组态以及维护过程中的程序或参数修改，如系统网络
7、硬件组态、控制回路组态、用户程序设计、调试、下载、过程趋势和参数的设定、流程图画面、报表的生成等，正常情况也作为操作员站使用。操作员站台，19”液晶显示器，作为系统和操作员间的人机接口, 工业以太网用于系统站之间的数据通讯。根据经济及装置的实际情况，配置台S7-417控制站，用于对过程装置进行常规、逻辑以及顺序控制。控制机柜个，用于安装控制站、个分布式I/O ET200M站以及电源、接线端子、继电器等辅助元件。ET200M通过Profibus-DP总线与控制站进行通讯。现场操作柜配有一台西门子操作屏，通过Profibus-DP总线与控制站通讯，可以在现场进行控制操作和数据监控。整个系统构成三级
8、网络结构，第一级是工厂信息管理网，通过上位机OPC通讯接口，连接工厂信息管理网。第二级是工业以太网，通信速率为100Mbps，实现控制站与上位机、上位机与下位机之间的数据快速通讯。第三级是Profibus-DP网，是控制器S7-417主站与ET200M从站及现场显示屏之间的通讯实现形式。25 程序设计这次升级改造中，要把原来的盘装显示、控制仪表都直接进入PCS7系统，这样势必会引起对原控制程序的大量修改，既增加了工作量，又会出现许多不可预知的问题，可能会给开车调试带来诸多困难，为了避免以上问题的发生，同时充分运用PCS7强大的过程控制功能和内嵌的WinCC过程监控系统，我们采取了保持原有的控制
9、程序不变的方法，其所有的输入输出全部采用中间变量，在PCS7的CFC（连续功能图）中实现中间变量与实际的输入输出地址的连接；对于所有需要修改和增加的地方全部在CFC中实现。系统控制程序主要包括筒体温度控制、离合器控制、辅机启动控制、主机的启动和停止控制等五大部分，下面以2个有代表性的控制程序设计为例来加以说明。5.1 筒体温度控制5.1.1 程序组态工艺上需要聚丙烯在熔融状态下进行挤压造粒，要把筒体温度控制在250左右，通过控制电加热电流大小和冷却水的流量来保持温度恒定，冷却水的流量是通过对脉冲电磁阀通断时间的长短来控制的，改造前的控制功能是通过块模拟二次表实现，改造后需要在PCS7中通过CF
10、C实现。在系统的部件层级中打开控制站AS1，点击Charts,在右边窗口点击鼠标右键，选择新建，这时会有一个新的Chart图标出现，重命名为Barrel1,然后双击图标进入程序组态画面,在窗口左面的块库中选择需要的块拖入CFC功能图中。本例中首先需要2个模拟量输入块CH_AI,因为需要在监控画面显示实时值，所以需要2个显示块MEAS_MON,这2个输入还具有选择输入功能，所以同时进入选择块FC15；PID控制块CTRL_PID对温度进行常规控制，选择块FC15的输出作为PID控制块的PV值；PID控制块的输出需要实现分程控制，在050%时停止加热，只进行冷却控制，同时脉冲电磁阀的脉冲时间可调，
11、在50%100%时停止冷却，只进行加热控制；另外还需要一个比较块CMP_R, 一个脉冲定时块AFP,二者经过一个与逻辑块输出到DO块CH_DO，实现逻辑输出；加热控制直接通过一个模拟量输出块CH_AO实现，把50%100%对应到420mA电流输出实现加热控制。筒体温度控制回路组态如图所示。图 筒体温度控制系统组态回路图5.1.2 回路分析筒体温度控制系统设计关键点主要在两个地方，一是采用温度选择控制，这是改造中新增加的功能，原系统中一个热电偶进PID控制，一个进记录仪，全部改造进入PCS7系统后，我们在操作员画面上设置切换开关，当一个测温点出现故障时，可以马上切换另一路进入控制回路，避免停车，
12、增加筒体温度控制的可靠性；另一个是筒体温度的分程控制，即PID在050%只有冷却控制，停止加热；在50%100%只有加热控制，停止冷却。在图中可以看出直接通过一个比较块实现，关键点在冷却脉冲的时间控制上，因为在控制时需要对脉冲动作时间控制来实现对冷却水流量的控制，以满足工艺要求，为此，我们在操作画面上设计了两个输入框，一个输入脉冲周期，一个输入脉冲周期中正值时间。脉冲周期时间通过在改造前现场测试大约为10s，这个值在新系统中也保持不变；鼠标单击“脉冲周期中正值时间”输入框，会出现一个下拉式选择菜单，有0 ms、100ms、200ms、300ms、500ms、700ms、900ms、1s、2s、
13、3s、5s、10s等可供选择，也就是通过控制现场电磁阀的通断时间长短来控制冷却强度的大小；加热时通过模拟量输出通道块CH_AO把420mA电流输出到电气电加热控制器，实现加热强度控制。5.2主电机停机控制5.2.1 程序组态为了改造的可靠性同时减少停车时间，在设计中保持主电机程序不变，直接由s5导入s7，原来的外部输入DI点全部转换为200对应的中间变量，如I1.1对应为M201.1，原来的外部输出DO点全部转换为300对应的中间变量, 如Q11.1对应为M311.1，原来的中间变量保持不变，这样就保证了在调试和试车时遇到问题就可以忽略对原程序设计错误的怀疑，节省查找故障的时间。主电机停机控制
14、逻辑框图如图3所示，与外部的输入输出连接全部在CFC中通过CH_DI块和CH_DO块实现，如图所示。图3主电机停机控制逻辑框图3图输入输出连接图45.2.2 控制逻辑分析1#挤压机主电机功率4400KW, 2#挤压机主电机功率3900KW,是整个挤出造粒部分的核心设备，所以主电机联锁停逻辑就是保证在异常情况下主电机能安全停车，防止对操作人员的伤害，同时也保护设备不受损坏。该联锁程序所有的条件连接到一个与门，与门的输出通过硬件回路输出一副触点到电气的主电机电源控制回路，所有联锁信号正常时，输出信号为“1”，继电器常开触点闭合，主电机电源回路通电；当有联锁条件出现时，输出信号为“0”，继电器常开触
15、点断开，主电机电源回路失电，主电机停机。从图4中可以看到所有参与联锁的条件，首先是直接进与门的条件，开车时只有在离合器啮合命令发出15S之后才可以启动主机，因为离合器的啮合是通过一定压力的仪表空气来推动的，这需要一定的时间。在主机正常运行期间出现以下任何一个条件：离合器控制程序联锁、旋转阀RF802停3分钟以上、开车阀故障15S以上、主机停按钮等22个条件之一、切粒机旁路时开车阀切向地面和切粒机保护罩位置同时不满足要求、切粒机未旁路时出现切粒机压力高等7个条件之一，主电机会马上停车。6 系统改造中的经验总结和分析a)运用合适的程序设计方法。因为旧程序肯定是正确的，在升级改造中把其作为一个整体原
16、封不变的导入新系统，通过中间变量实现新老程序的连接，这样可大大提高程序的可靠性，减少调试时间，便于故障原因分析。b)所有的现场有源变送器输入信号需安装隔离栅。因为现场有大功率电机，电气设备比较多，干扰信号比较强，由于在设计时考虑不周，没有设计隔离栅，所有的现场有源变送器输入信号都出现频率很高的干扰信号，会触发联锁条件，致使无法开车，安装隔离栅后才较好地解决了这一问题。c)完善程序设计，确保筒体加热和冷却正常控制。充分利用原系统的条件，设计了PID控制器PV输入的双路选择控制，当一路故障时可切换到另一路输入，提高控制的可靠性，减少停车。另外在冷却脉冲电磁阀的时间选择分布上要前密后稀，就是说100
17、ms1s范围内要时间间隔短，在1s10s范围内可时间间隔长，这样可提高控制的精确性。d)系统增加SOE功能。把现场关键的检测信号和主要的操作信号接入SOE卡板，SOE最重要的作用就是以ms分辨率记录信号动作，可以在停车时快速找到第一时间联锁动作信号，便于原因分析和减少停车时间。e)设计人性化的操作画面，便于操作和管理。根据工艺流程设计了工艺显示画面、操作画面、重要的关联趋势画面，特别是操作画面（如图5所示），要根据它们的重要性、关联性来确定布局。同时为操作人员设计了重要数据一览画面，方便抄写数据记录表。f)现场的硬件检测工作要细致。拆线、接线工作虽然很枯燥，但一定要认真细致，要做好指导和监督工
18、作，因为拆错线或者遗漏线，在调试时可能要花几倍甚至是几十倍的时间来处理这个问题，而且工作出现被动、压力大，我们这次就碰到几次这种问题，硬件的配置以及接线是一项很繁杂的工作，但也是极为重要的一项工作，一点小的疏忽会引起设备调试的不正常，所以要反复核查，多次验证，才能保证调试过程的顺利进行。g)调试过程中出现异常问题要冷静和耐心。要按照从硬件到软件、从现场到系统、从仪表到电气、从现象到本质的顺序来逐一排除故障，认真分析，全面思考，最后找出切实可行的解决方法。图5系统操作画面7 结束语目前该系统运行平稳，操控简单方便，通过对该系统的升级，解决了原系统中存在的问题，发挥了PCS7系统的优势，改造后，挤
19、压机的运行情况有明显改善，停车次数大幅下降，对增加聚丙烯产量，提高企业效益将起到很好的作用。今后还可以利用PCS7良好的可扩展性和强大的网络功能，实现与聚丙烯送料系统、称量系统的融合与数据传输，达到控制系统的最优化。参考文献:1 于波,王桂云,吴颐轩. 芳烃联合装置DCS系统的升级改造J.化工自动化及仪表.2009,36(6);971002丁明华,王建明,凌立国.PCS7控制系统在甲烷氯化物项目中的冗余应用J. 化工自动化及仪表.2009,36(3):87893 胡轶. 聚丙烯挤压造粒机的主电机控制J.石油化工自动化.2003,(5):90914 A&D AS. PCS7深入浅出M.西门子(中国)有限公司.2005