基于PCS7的硫酸生产全集成自动控制系统设计

吴明永;李菊生;王国伟

【摘 要】According to the scale and technological characteristics of the sulfuric acid production line, the overall structure of the control system is designed by using the powerful integrated development platform of SIEMENS PCS7. Based on the concept of full integration automation, the three layer network structure of operation management, process control layer and field device layer is constructed by using in-dustrial Ethernet ring network and Profibus-DP field bus technology, and the software and hardware of control system are designed. After the system is put into use, it runs stably and reliably, and the monito-ring effect is good, and the expected design target is achieved.%根据硫酸生产线的规模与工艺特点，利用西门子PCS7的强大集成开发平台，设计出控制系统的总体架构。以全集成自动化理念为指导思想，运用工业以太网环网和Profibus-DP现场总线技术构建了操作管理层、过程控制层及现场设备层的三层网络结构，并完成控制系统的软、硬件和监控界面设计，实现了对整条硫酸生产线的管控一体化。系统投入使用后，运行稳定可靠，监控效果良好，达到了预期设计的目标。 【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》 【年(卷),期】2016(000)004 【总页数】5页(P67-70,124)

【关键词】PCS7;硫酸生产;全集成;现场总线;工业以太网

【作 者】吴明永;李菊生;王国伟

【作者单位】兰州城市学院 培黎石油工程学院，兰州730070;兰州城市学院 培黎石油工程学院，兰州730070;兰州城市学院 培黎石油工程学院，兰州730070 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273

在当今节能环保的新形势下，国家对于工业生产过程中的节能降耗的标准越来越高，因此，高集成性、高效率的智能化自动控制系统会逐步成为硫酸工业企业发展的主流。如何统筹管理生产线所有设备，以最优化的控制方案实现硫酸工业的自动化、信息化发展是硫酸生产控制系统的重点研究方向[1]。目前，构建管理决策和过程控制为一体的全集成智能控制系统对制酸工业至关重要，不仅可以确保硫酸生产系统的可靠性，降低劳动强度，提高生产率，节省资源，而且可以实现信息资源的共享，增强企业竞争力，提高制酸企业的管理水平和自动化水平。

硫酸生产控制系统的主要特点是通信数据量大，需要采集的信号和控制点数多，设备连锁和抗干扰能力要求较高，生产线跨度大，区域分布广，对上位监控操作画面要求高，且具备完善的数据管理功能。故需要一个跨越上位机与控制器、集中与分散间界限的，在很大程度上能够简化系统结构，尽可能减少硬件接口的统一全集成自动化设计开发平台。而基于全集成自动化控制理念的西门子SIMATIC PCS7具有过程控制系统的所有特性和功能，它完美整合了逻辑控制、过程控制、构建网络与生产管理，PCS7统一的数据管理、通信和组态功能，较强的诊断和回路处理能力，为硫酸工业自动化控制系统提供了先进和经济的自动化解决方案，是一种理想的全集成、开放式硫酸生产控制系统的设计平台。

该文依托新疆奎屯市某硫酸生产项目，以3×40万吨/年硫酸生产线冗余控制系统

为研究对象，结合实际工艺流程和用户要求，设计开发了以西门子SIMATIC PCS7为核心的全集成硫酸生产线过程控制系统，对提高硫酸生产线的可靠性、产品质量和节约生产成本有着重要的现实意义。

以全集成自动化控制理念为指导，结合项目特点和功能需求，以简化系统，节省费用为原则，整体架构采用单主站式结构，系统按操作管理层、过程控制层和现场设备层3个层级进行规划和配置[2]，其系统总体架构如图1所示。

操作管理层由工程师站(ES)、操作员站(OS)和Web服务器等组成，主要完成各硫酸生产工段的综合调度，生产过程远程监控操作，组态编程，数据归档，信息管理等，将生产控制与管理决策有机结合起来，实现硫酸生产线的全集成自动控制。 过程控制层主要由S7-400H系列PLC构成主站(AS)，其功能是接受管理层所设置的参数或指令，完成数据处理、逻辑控制等，同时将现场设备的信息数据经自动化主站(AS)快速、稳定地传输到管理层。

现场设备层主要由远程ET200M分布式I/O模块构成从站，完成对现场设备状态和工程参数等信息的采集，接受控制层的命令并对执行机构进行控制。

由于生产线跨度大，信息传输距离远，为保证信号传输的稳定性和快速性，充分体现全集成和扩展性，操作管理层与过程控制层之间采用了多模光纤构建冗余环形工业以太网(Industrial Ethernet)[3]，这样即使在网络中的任何地方出现中断故障，均不会影响正常通信。还可以利用Web服务器的发布功能，经以太网将工程数据和人机界面发布到厂级网络，可对生产信息进行高效科学地管理。

过程控制层与现场设备层之间采用Profibus- DP现场总线技术通信。它是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和分布式I/O设备之间通信设计，用于工业控制系统的高速数据传输[4]，可保证信号传输的准确性与稳定性，并支持硬件冗余功能，故该通信方式可适用于复杂工况的硫酸生产场合。

依据硫酸生产工艺流程，方便硬件安装和线路铺设等原则，对生产控制区域进行科

学、合理划分，可将系统划分一个主站，若干个子站。将主站、工程师站置于中控室，将从站和操作员站置于各自相应的现场电气控制室。整个系统配置1台工程师站、若干台操作员站。

系统自动化主站采用了西门子S7-400H系列冗余控制组件，该组件包括1个UR2-H冗余机架，2块PS407 10 A电源模块，2块CPU417-4H冗余控制器(要求订货号和固件版本号都相同)，4个同步子模块，2根同步光纤，2块CP443-1以太网通信模块等。可实现2个CPU间的自动无扰切换，避免由于单个CPU故障而造成系统停机，确保整个系统在容错状态下运行。

系统子站采用ET200M分布式I/O，可对数字量和模拟量I/O信号模块进行扩展。每个ET200M机架上安装2块IM153-2通信接口模块，互为冗余，可无扰切换，并具有在线热插拔功能，通过Profibus-DP冗余总线连接到S7-400H主站上，从而确保系统的高可靠性。 4.1 系统硬件组态

SIMATIC管理器是PCS7的核心管理工具，它是一个全集成的开发平台，通过SIMATIC管理器可以进行硬件配置，网络组态，CFC编程，故障诊断，组态WinCC上位界面等，可用于建立和管理整个工程项目。

在PCS7硬件组态窗口中，选择与设计硬件一致的机架、电源模块、通信模块、CPU、I/O模块等进行主站和子站的硬件组态，并对CPU参数、IP地址、DP从站的通信地址、波特率等进行设置[5]，硬件组态如图2所示。组态完成后，编译并下载组态信息，便可在线监测和诊断设备，实时了解现场设备的运行情况。 在PCS7网络组态窗口中，组态主站与工程师站以及各从站之间的Industrial Ethernet和Profibus-DP通信网络，网络组态如图3所示。编译下载完成后，便可在线监测、诊断各个站点通信是否正常。

工程师站完成整个系统的硬件、网络组态和程序编写调试，同时工程师站可以通过

以太网将监控画面及通信信息传送至相应的各操作员站。 4.2 程序设计

该项目主要采用PCS7的连续功能图CFC方式编程，实现整个硫酸生产控制的程序开发。PCS7内置了各种丰富的CFC标准设备功能块(如电机、阀门和PID等功能块)，在每个功能块上都有若干输入/输出引脚，通过不同CFC功能块间的与、或、非逻辑互联，满足硫酸生产的各种控制要求[6]。同时这些功能块在HMI(WinCC人机界面)中都集成了相对应的控件，通过CFC编译及传送，可在HMI上自动产生可视化操作面板，实现对设备监控、操作、诊断等，使得程序开发变得非常方便，大大降低了编程出错率。

该文仅以CFC编写累计流量程序为例，简要说明其程序设计过程。在CFC中调用功能块CH_AI(模拟量输入通道驱动模块)、OP_D(操作员数字指令模块)、INT_P(积分模块)、MEAS_MON(监视报警模块)，连接相关的输入/输出引脚，设置参数，如图4所示。最后进行程序编译下载，实现流量的累计运算与输出，并在上位HMI实时显示瞬时和累计流量值。

系统采用集成于PCS7中的WinCC组态软件来设计人机画面，它嵌于SIMATIC管理平台内，是全集成自动化的重要组件，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全[7]。针对硫酸生产工艺要求，可在WinCC中设计出所需的操作流程画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和报表查询等，共同完成硫酸生产系统的设备监控和生产管理。

如图5所示，上位监控画面的设计是在WinCC的图形编辑器中完成的，HMI界面是操作员与下位机程序直接对话的窗口，通过该界面对整个硫酸生产线的运行情况进行监控。因为系统采集的信息量大，所监控的设备多，需要在WinCC的图形树中，按照生产工艺流程划分HMI界面的层级结构。主界面中布置重要设备和关

键工艺段，然后将其他设备控制嵌套于若干子界面中。界面上方显示工段导航、当前登录用户名称、实时报警信息等，界面下方的控件可查询历史数据、操作信息、报表打印等。

6 结束语

以全集成自动化理念作为核心指导思想，设计出的基于PCS7的全集成硫酸生产控制系统，具有组态灵活、数据处理高效、人机界面友好、程序编写周期短等优点，有效地解决了利用工业以太网环网技术、Proflbus现场总线技术实现设备监控和生产管理之间的无缝链接问题，大大提高了系统开发效率，具有广阔的市场前景和推广价值。 参考文献：

Design of the total integration automatic control systemfor the production of sulfuric acid based on PCS7

WU Mingyong，LI Jusheng，WANG Guowei

(Peili College of Petroleum Engineering, Lanzhou University of City, Lanzhou 730070, China)

Abstract：According to the scale and technological characteristics of the sulfuric acid production line, the overall structure of the control system is designed by using the powerful integrated development platform of SIEMENS PCS7. Based on the concept of full integration automation, the three layer network structure of operation management, process control layer and field device layer is constructed by using industrial Ethernet ring network and Profibus-DP field bus technology, and the software and

hardware of control system are designed. After the system is put into use, it runs stably and reliably, and the monitoring effect is good, and the expected design target is achieved.

Key words：PCS7; sulfuric acid production; total integration; Fieldbus; industrial Ethernet 收稿日期：2015-11-02

基金项目：2013年甘肃省高等学校科研项目(2013A-100)；甘肃省教育科学“十二五”规划课题(GS[2013]GHB0893)

作者简介：吴明永(1972)，男，甘肃白银人，副教授，硕士，主要从事人工智能、计算机和复杂工艺过程控制等方向的研究。 中图分类号：TP273 文献标志码：A

文章编号：1000-0682(2016)04-0067-04

以全集成自动化理念作为核心指导思想，设计出的基于PCS7的全集成硫酸生产控制系统，具有组态灵活、数据处理高效、人机界面友好、程序编写周期短等优点，有效地解决了利用工业以太网环网技术、Proflbus现场总线技术实现设备监控和生产管理之间的无缝链接问题，大大提高了系统开发效率，具有广阔的市场前景和推广价值。

【相关文献】

[1] 孙正东,张一鳞,沙业汪.我国硫酸工程技术的现状和展望[J].化肥工业, 2008(5): 1-13. [2] 袁慕.基于PCS7的水泥生产全集成自动控制系统设计[D].武汉:武汉理工大学,2014. [3] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 张斌.西门子全集成自动化解决方案[J].技术与应用, 2008(5):50-51.

[5] 西门子自动化与驱动集团.深入浅出PCS7[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007. [6] 谌凯.基于西门子PCS7过程控制应用技术研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[7] 西门子有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.