PCS7的蒸發器控制系統設計論文
PCS7的蒸發器控制系統設計論文
1系統分析
1．1被控物件分析
蒸發器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發器上部進入蒸發器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出；濃縮液濃度不能線上測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱後的過熱蒸汽變為冷凝水排出。蒸發器為真空操作，蒸發器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。
1．2工藝流程分析蒸發器的工藝流程可以具體描述為：
1）開啟稀液流量閥V1201，向蒸發器E1201注入稀液，並使蒸發器液位穩定在80％左右。
2）開啟過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發器通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，並保持穩定。
3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續出料，使濃縮液流量達到4．63kg／s，並保持流量平穩。
2系統總體方案設計
2．1控制要求與技術指標
（1）控制要求
基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發器液位、提升蒸發器溫度、蒸發器提升負荷執行、濃縮液濃度控制、蒸發器溫度控制、蒸發器液位控制、濃縮液流量控制。
（2）系統安全要求
現代過程控制系統包括基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統（SIS）。蒸發過程可能會出現蒸發器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統的設計非常重要。
2．2控制系統總體方案設計
考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與PCS7BOX構成冗餘結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統（BPCS）和安全控制系統（SIS）的功能，正常執行狀態下PCS7BOX執行BPCS功能，PLCS7416－2F執行SIS功能。BPCS系統和SIS系統共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統DCS和SIS之間複雜的資料處理，節省了成本與安裝費用，系統中備件品種少，經濟性好，並且可以互為代用，便於維護。BPCS系統與SIS系統之間的通訊連線採用光纖實現，使系統的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗餘PLC相互獨立，冗餘系統的存在與否不影響控制系統的正常執行。用PROFINET工業乙太網擴充套件此係統，使此係統一方面可與管理系統對接，另一方面具有了良好的可擴充套件性，能方便地實現監控功能，同時使此係統的維護也變得更加方便。
3控制系統硬體設計與實現
3．1儀表供配電設計
為保證供電的安全和可靠，設計供電系統時，應按照用電儀表的電壓等級和電源型別進行設計。本方案採用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設定在底層的各二級供電箱供電，並在第二級供電系統中同樣設定總供電箱、分供電箱。供電系統可採用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。
3．2輸入／輸出模組配置
BPCS和SIS的輸入／輸出模組配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數後，即可進行輸入／輸出模組的選擇。本方案選擇西門子公司的分散式I／O產品ET200M。
3．3系統控制櫃設計
接下來是系統控制櫃的設計，包括主控制櫃和分控制櫃的設計，確定控制櫃以及輸入輸出模組後，繪製系統輸入輸出模組的接線原理圖。
3．4系統組態
在SIMATICManager中完成系統組態。系統硬體組態如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統的硬體組態，右邊是SIS系統的硬體組態。通訊網路的組態如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通訊模組；AS400F和IM153－2FO則是SIS的`CPU和ET200M通訊模組。
4控制系統軟體設計與實現
4．1控制程式總體設計
根據程式的功能以及程式執行情況，控制程式可以被劃分為3個部分：
1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執行一次，透過該組織塊可以實現初始化操作。
2）主程式OB1。OB1由作業系統不斷地迴圈呼叫。透過OB1可以進行系統常規處理，轉換系統的執行狀態，比如更新程式中的標誌，並進行相應處理。
3）迴圈中斷OB35。迴圈中斷組織塊按照設定的時間間隔執行中斷程式。在迴圈中斷中完成模擬量採集、數字濾波、PID運算，最後是控制量輸出。
4．2控制程式設計與實現
（1）S7CFC程式語言
CFC（ContinuousFunctionChart，連續功能圖）用圖形的方式連線程式庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到複雜的閉環和開環控制等領域。程式設計的時候將需要的功能塊複製到圖中並用線連線起來即可。定時中斷程式即採用CFC來編寫。
（2）定時中斷的整體結構
在定時中斷中進行模擬量採集、數字濾波、PID運算以及控制訊號輸出，同時實現引數超限時的報警和停車。程式的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場除錯情況來確定。
4．3推理程式設計與實現
經過分析，可以看出被控物件的特點是多回路、多引數、強耦合。因此控制策略為：將複雜大系統分解成相對獨立的簡單子系統進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控物件的分析，發現濃縮液濃度不可線上測量。為了實現濃度的準確控制，採用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，透過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制演算法採用SCL（類似於C語言）進行程式設計，並將其編譯成模組，供CFC程式設計呼叫。BPCS部分主要採用連續功能圖CFC實現。
4．4系統安全SIS設計
作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統主要包含安全儀表和訊號報警兩部分。大多數工業生產過程要求安全儀表系統和訊號報警遵循失效安全原則，使工業裝置在發生故障的時候轉入預定義的安全狀態。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯鎖等安全控制。緊急停車聯鎖在蒸發器裝置的機械裝置故障、某些過程引數越限、系統自身故障或稀液進料中斷時，對系統實施緊急停車。緊急停車聯鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處於安全狀態。
4．5系統監控設計
控制系統使用西門子WinCC組態軟體對操作員站進行了組態，實現對蒸發器的實時控制及調整、系統執行監控與管理。WinCC使生產過程的狀態能夠以文字、影象、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態可列印的報表。
5系統執行與驗證控制
系統在組態完成後，進行了現場除錯執行。系統執行的曲線。圖中系統執行穩定後從上到下的曲線依次是蒸發器液位、蒸發器溫度、濃縮液流量以及濃縮液濃度。從曲線圖中可以看出，各工藝引數均能滿足技術指標，且濃度估測準確，證實本控制系統具有良好的控制效果。