S7-200控制系统在煤气发生炉装置中的应用
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摘要:陕西华山化工集团有限公司化肥厂造气系统采用西门子s7-200对原有测量控制系统进行改造,实现了对煤气发生炉装置的自动化集中控制,使造气工艺生产系统更加稳定,安全生产性能进一步提升。文章对S7-200系统的软、硬件配置及功能的实现等事项进行了较为详细的介绍。
关键词:煤气发生炉装置;S7-200控制系统
造气车间是我厂合成氨生产的第一道工序,其任务是以无烟煤为原料,以空气和蒸汽为气化剂,采用￠3600mm和￠3200mm固定层煤气发生炉生产出合格半水煤气,其主要成分是:H2、CO、CO2、N2、O2、CH4、Ar。煤气发生炉是化肥生产的主要岗位,其产品半水煤气作为原料向后继车间输送,经压缩、甲烷化等工序后生产合成氨,最后制造成成品尿素。
一、煤气发生炉工艺简介
由空气鼓风机送来的空气,和由热电车间锅炉送来的蒸汽及本工段副产的蒸汽,在煤气发生炉内与高温(1200℃左右)炭层发生反应生成半水煤气,经过一系列除尘、洗涤、降温后进入气柜,气柜的作用是稳定生产负荷,调节和混合均匀半水煤气中氮氢气。半水煤气经气柜进入泡沫除尘器,在泡沫除尘器中除去较大粒度的灰尘然后进入电滤器,半水煤气通过电滤器时,在高压强电场作用下,使半水煤气中灰尘带电,附着在电滤器的沉淀极和电晕极上,从而达到半水煤气进一步除尘的目的,最后送到合成车间压缩工段(见图1)。
二、系统组成及软件设计
根据工艺的要求,陕西华山化工集团有限公司化肥厂造气车间的煤气发生炉控制装置采用PLC控制,选用了一套西门子公司SIMATIC的S7-200结构的控制系统,由3个公共站、8个单炉站、和3台PC机组成。各站通过PROFIBUS总线电缆相互通信,这样的构架既保证了PLC系统的先进性又为用户节省了成本。各站是工业现场经常使用的PROFIBUSDP分布式站,用于连接工业控制系统中的各种现场装置。
S7-200系统硬件可在线调试程序和修改程序,部分编译和下装。在单炉停运时可以下装单炉程序,但是如果要下装公共系统程序则必须在系统停运后进行。
(一)PLC硬件配置
本系统是建立在S7-200控制器、DELL的工控机平台上的单板型一体化结构。它采用以太网通信,全系统共有43个数字输入点,210个模拟量输入点,150个数字输出点,16个模拟输出点。系统主要硬件配置如表1所示。
1、配置为标准的DIN轨道,在其上安装各种模块和电源,每台炉子都有一个CPU,一个EM277模块,一个EM120模块,和一个EM232模块,数字量的输入由CPU来完成。
2、电源块为QYB、24V供电,设计为1:1冗余,以增加工作的可靠性。
(二)上位机硬件配置
PC工控机在系统中是PC站,可作为工程师站对PLC和组态软件进行编程,编程完成后可作为操作员站监控系统的运行。上位机选用的是3台DELL的台式机,配置为P4/3.0G/80G/512M,带有光驱和网卡,另配有西门子专用网卡3块,3台DELL19英寸彩色液晶显示器。上位机系统由山特的UPS供电。
造气炉的自动化控制系统设计由二级网络组成,即由过程控制级和基础控制级组成。
过程控制:以S7-200PLC系统作为主要控制核心,由3台上位机、PLC控制单元加以太网卡等组成工业以太网,监控站利用组态软件WinCC实现对工作现场的监督控制。通过22个单个模块组合对流量、液位、压力、成分分析等进行数据采集,上位机将实时数据库的数据送到服务器的关系数据库中保存和进行数据处理。过程控制级通过工业以太网将上位机系统和现场检测控制点紧密的结合为一个整体,从而实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。
基础自动化控制:各站的S7-200PLC通过PROFIBUS-DP网互相连接通信。一方面将控制数据(炉条机的转速设定,温度、压力设定,各操作参数的设定等)发送到传动装置;另一方面传动装置的电机转速、传感器的流量、温度、压力、碳层测量的数据及寻优控制、氢氮比调节等数据通过通信传送到上位机指定的寄存器地址。PROFIBUS-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送,实现调节和控制功能,是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信,是计算机网络通信向现场级的延伸。
(三)软件配置
计算机操作系统采用中文版的Windows2000带SP4补丁,上位机监控软件采用授权的正版WinCC6.0组态软件,实现了对整个系统的开关量和模拟量进行采集和处理,并显示在监控画面上,能够对现场阀门按工艺要求依次依时开关,完全实现自动化操作,方便操作人员及时掌握系统的运行情况。PLC编程软件是西门子公司推出的SETP7V5.4,可利用六种语言:STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL进行编程。
(四)控制系统网络结构
网络是PROFIBUS的现场总线结构。控制站与操作站是小型工业以太网络,西门子PLC与上位机之间采用的是TCP/IP协议,使用以太网交换机连接PC机和PLC,既可编制程序,又可通信、监控,并带有OPC接口。系统完成调试后,上位机的以太网通过OPC功能,机子之间可以互连,传送数据。
三、系统功能的实现
根据煤气发生炉的生产工艺,监控系统的功能主要是以炉子寻优的程序正常运行,自动调节氢氮比,实现碳层高度的自动测量,以及炉子的吹风排队自动进行,对常规的模拟量信号进行检测和对液位、压力的正常调节。大致分为公用系统1、2、3和单炉(8台)及总览1、2几个常用监控画面。
(一)画面显示功能
该画面通过WinCC6.0软件组态编辑实现动态模拟显示煤气炉制气的整个过程,利用数据连接技术使得画面上的元件实现实时动态、闪烁、变色等功能,让画面上的工艺参数以数字、棒图的形式实时显示,并对故障进行实时诊断。
(二)数据处理功能
利用各种计算功能、数据变换功能等实现系统信号、数据的处理。模拟量信号有流量、压力、温度及液位,数字量信号有手动按钮、光电开关、吹风排队等。
(三)系统操作功能
有自动和手动两种方工作式。正常运行时采用自动方式,故障和调试时采用手动方式。由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的精确控制,以达到期望值。报表的形成和数据的存查通过报表功能与历史趋势功能实现完成。
(四)冗余功能
采用冗余的I/O方式,电源的模块供电块采用1:1冗余,这种方式能够得到最高的可靠性,使系统可以忍受单个CPU和单个信号模件发生故障,避免模块失电影响工艺操作。
(五)报警和记录功能
可在发生故障时实时的发出声光报警,提醒工艺人员及时采取相应措施。
四、主要生产设备的控制
(一)主要控制方式
1、程序控制。由PLC里的程序控制炉子的各个阶段按顺序正常运行,有吹风排队的功能、二次风机的控制等。
2、自动控制。自动完成炉子的运行程序,由PID控制完成液位、压力的控制,氢弹比的自动调节,为变频器提供炉条转速给定,实现频率的自动调整。
3、远程手动。作为联锁调试用。操作人员可根据现场设备运转状况,通过监控站进行单机设备操作,实现发生炉的控制工作。
4、机旁手动。作为单机检修或现场调试用。
(二)控制阀采用的控制方式
控制阀采用就地控制和远程控制两种方式,在程控系统故障的情况下,可通过就地手动控制实现给水,调压等,保证工艺正常运转。
(三)碳层测量的控制
煤气发生炉的碳层测量是很重要的,它影响到炉子的制气质量,及时监控碳层的高度对改变炉子的产气质量有着重要的意义。陕西华山化工集团有限公司设计为每六个循环自动测量碳层一次,如果要手动测量时,可在现场按手动按钮,或在控制室上位机上当炉子处于下吹阶段时点碳层测量按钮。
(四)变频调速控制
炉条机的转速采用变频器调节,变频器有自动、手动转换功能,可根据实际生产需要,通过改变频率,实现对转速的调节,确保生产工艺设备稳定运行。
五、结束语
西门子S7的控制系统现在应用越来越广,从小型的到中型的到大型的,处理的点数越来越多,功能越来越强,控制也越来越复杂。它的应用不但提高了自动化水平,也为设备并入区域网络控制系统,实现生产管理的远程监控创造了条件。该系统应用于煤气发生炉装置后使造气工艺系统生产安全稳定性和制气质量得到很大的提升,产生的经济效益显著。
参考文献:
1、SIEMENSS7教材[Z]. 1998.
2、SIMATICWINCC选项、组态手册[Z]. 1999.
3、SIMATICS7-200可编程控制器模板规范[S]. 2003.
4、陕西陕化化肥股份有限公司造气车间岗位工艺操作手册[Z].
(作者单位:陕西华山化工集团有限公司)