安戈

(中國石化股份有限公司齊魯分公司塑料廠,山東 淄博 255411)

西門子S7-400H系統(tǒng)在造粒機(jī)組上的應(yīng)用

安戈

(中國石化股份有限公司齊魯分公司塑料廠,山東 淄博 255411)

介紹了西門子S7-400H系統(tǒng)在聚丙烯造粒機(jī)組上的應(yīng)用,包括控制系統(tǒng)的硬件配置情況、典型控制功能和第一故障原因閃光報警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。研究分析了FB41功能塊的引腳功能、擠壓造粒機(jī)筒體壓力不穩(wěn)和混煉電機(jī)連續(xù)啟動現(xiàn)象的成因,解決了工藝參數(shù)控制不穩(wěn)和混煉電機(jī)連續(xù)啟動的問題。設(shè)備運(yùn)行情況表明,西門子PLC滿足機(jī)組對控制系統(tǒng)的要求。

S7-400H 參數(shù)控制 擠壓機(jī) 混煉電機(jī) 連續(xù)啟動 齒輪泵

0 引言

齊魯石化公司聚丙烯裝置是1986年引進(jìn)的Himont公司的生產(chǎn)工藝,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由美國Flour公司設(shè)計(jì)[1]。裝置的擠壓造粒機(jī)組選用日本制鋼公司的CMP 280X型擠壓造粒機(jī),聯(lián)鎖控制系統(tǒng)采用Omron公司的C500型可編程邏輯控制器(programming logic controller,PLC)。從1990年裝置開車到改造前,系統(tǒng)已經(jīng)使用20多年,控制系統(tǒng)使用的所有卡件都已經(jīng)停止生產(chǎn)和供應(yīng),這給備品備件帶來極大困難。PLC的編程采用專用編程器——圖形化編程器(graphic programming console,GPC)。這臺編程器由于設(shè)備損壞已經(jīng)無法使用,且生產(chǎn)廠家已經(jīng)不提供C500的技術(shù)支持。因此,控制系統(tǒng)自身的安全存在重大隱患。另外,PLC自成體系,沒有人機(jī)交互功能,無法與工廠信息管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),而且機(jī)組的工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息沒有歷史記錄,無法對設(shè)備信息做追溯?？删幊炭刂破鞒跗谥饕糜陧樞蚩刂芠2],當(dāng)前它不僅具有邏輯處理功能,還具有PID運(yùn)算、構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜功能[3]?；谏鲜鲈?需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,以滿足工藝安全生產(chǎn)和工廠信息化管理的需求。

1 控制系統(tǒng)改造情況

改造有原型改造和升級改造兩種形式。本次改造是聚丙烯裝置造粒機(jī)組控制系統(tǒng)的升級改造。為了改變機(jī)組現(xiàn)有操作模式,取消現(xiàn)場控制室,同時也要滿足擠壓造粒機(jī)組控制、操作要求和工藝過程數(shù)據(jù)上網(wǎng)要求,需要增加操作站、工程師站。經(jīng)過全面考慮安全、投資、易操作、易維護(hù)等方面的因素,最終選用西門子公司的S7-400H系統(tǒng)。

這套控制系統(tǒng)由AS-400H控制站和分布式I/O ET200M匹配?？刂普居蓛商纂娫茨KPS407、兩套中央處理器CPU 414-H、兩套通信模塊CP443-1安裝在冗余背板UR-H上,構(gòu)成冗余控制器?？刂破髦g采用光纖連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余原理,兩個控制器使用相同的用戶程序,接收相同的數(shù)據(jù),保證兩個控制器數(shù)據(jù)同步更新。當(dāng)前控制器發(fā)生故障時,可以無擾動地切換到備用控制器。分布式I/O ET200M由安裝背板IM/IM(支持帶電更換模塊功能)、Profibus-DP接口模塊IM153-2、Profibus-DP總線連接器以及S7-300的I/O模塊組成。每個ET200M可安裝8塊I/O模塊。ET200M是基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的分布式I/O,可使用S7-300全系列模塊。AS-400H控制站和分布式I/O ET200M的匹配模式有利于節(jié)省工程投資。

控制系統(tǒng)配置了1臺工程師站和2臺操作員站。工程師站安裝在現(xiàn)場機(jī)柜間,便于儀表工程師做程序組態(tài)和系統(tǒng)調(diào)試。2臺操作員站安裝在中央控制室。由于現(xiàn)場機(jī)柜間距離中央控制室較遠(yuǎn),控制站和操作員站之間使用冗余環(huán)形光纜網(wǎng)絡(luò)連接,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的現(xiàn)場監(jiān)控和工藝參數(shù)調(diào)整。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是由一系列通信鏈路把一系列節(jié)點(diǎn)連接成首尾相閉合的環(huán)路,信息在環(huán)路上流動[4]。為了便于操作工就地操作,現(xiàn)場安裝一面就地控制盤,上面安裝了操作按鈕、選擇開關(guān)和1臺15.1英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏。

在本系統(tǒng)中,硬件I/O模塊使用了模擬量輸入卡(analog input,AI)、模擬量輸出卡(analog output,AO)、數(shù)字量輸入卡(digital input,DI)、數(shù)字量輸出卡(digital output,DO)。模擬量輸入卡的功能是將過程模擬量信號轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部所用的數(shù)字量信號。模擬量輸入卡可以連接電壓傳感器、電流傳感器、熱電阻、熱電偶傳感器,測量范圍可以由量程卡設(shè)定。模擬量輸出卡是把由S7-300處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為過程要求的模擬信號[5]。

系統(tǒng)中上位機(jī)的人機(jī)接口軟件(human machine interface,HMI)使用WinCC(Windows control center),用于操作員控制和監(jiān)視。目前,國際和國內(nèi)市場上常用的HMI系統(tǒng)有WonderWare公司的InTouch、西門子公司的WinCC、Intellution公司的iFix、Rockwell公司的Rsview32、LogoSystem公司的LogView等,以及國內(nèi)的組態(tài)王、力控等軟件[6]。

2 典型控制功能的實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)硬件安裝、組態(tài)完成后進(jìn)行軟件編程。這套系統(tǒng)的用戶軟件實(shí)現(xiàn)了造粒機(jī)組的聯(lián)鎖邏輯控制和切粒水溫度、筒體壓力等自動調(diào)節(jié),另外還有擠壓機(jī)工藝參數(shù)顯示和工藝參數(shù)的歷史記錄、報警信息記錄、動設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示。

2.1 自動調(diào)節(jié)回路

自動調(diào)節(jié)回路由AI點(diǎn)、AO點(diǎn)和功能塊以及相應(yīng)程序段組成(如TRCA-825)。

2.1.1 定義AI點(diǎn)、AO點(diǎn)

首先在硬件設(shè)備上定義AI點(diǎn)(TE-825)、AO點(diǎn)(TY-825)。程序中的尋址方式可以用絕對地址尋址,也可以使用符號(位號)尋址。在西門子的Step7中,符號表中的符號必須是惟一的[7]。使用符號尋址編程會使程序讀起來更容易。當(dāng)用戶程序使用符號地址編程時,Step7會自動將符號地址轉(zhuǎn)換成絕對地址。

2.1.2 工程量轉(zhuǎn)換和報警設(shè)置

工程量轉(zhuǎn)換借助于FC275塊來實(shí)現(xiàn),它在系統(tǒng)中稱為驅(qū)動塊。報警設(shè)置借助于FB65塊來實(shí)現(xiàn),它在系統(tǒng)中稱為測量值監(jiān)視塊。每個FB65塊可以設(shè)置低低報、低報、高報、高高報4個報警點(diǎn)。如果1個AI點(diǎn)只是做顯示,不需要產(chǎn)生開關(guān)量信號,則可以不必使用FB65塊。

2.1.3 編程

調(diào)節(jié)控制功能采用FB41模塊完成。使用這個模塊可以實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的自動控制和手動操作,還可以完成其他一些功能,如輸出限幅、設(shè)置控制死區(qū)等。手自動切換、設(shè)定值給定、手動輸出給定、PID參數(shù)等的改變可以在功能塊引腳上調(diào)整,也可以在上位機(jī)的WinCC畫面中調(diào)整。FB41模塊產(chǎn)生的輸出信號由LMN引腳送給FC106模塊。在FC106模塊中,將整型數(shù)轉(zhuǎn)換成工程單位數(shù)后由OUT引腳送出。

為了實(shí)現(xiàn)手自動無擾動切換,程序中使用了MOVE功能塊做賦值。當(dāng)參數(shù)"TY825".MAN_ON為“1”時,將"TY825".PV_IN的值賦給"TY825".SP_ INT,以保證在手自動切換時SP值和PV值一致,避免切換后出現(xiàn)工藝參數(shù)波動。本例中工藝過程的水溫控制是以冷水閥為主控對象,熱水閥和冷水閥同時動作但開度相反,調(diào)節(jié)器的作用設(shè)置為反作用。FB41模塊本身不具有正反作用選擇的功能,因此先把PID參數(shù)的P值乘以(-1)后再送給FB41的GAIN引腳,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的反作用控制。

2.2 聯(lián)鎖回路

普通聯(lián)鎖回路通過與、或、非邏輯關(guān)系的組合就可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能。例如改造中,筒體冷卻水箱的補(bǔ)水控制閥門ZY-8711的控制要求是:水箱中水位低報開關(guān)LSL-8711報警時,打開閥門ZY-8711補(bǔ)水并保持,直到水位高報開關(guān)LSH-8711報警時,關(guān)閉閥門ZY-8711。該系統(tǒng)采用斷開報警的約定。實(shí)現(xiàn)上述控制要求的邏輯圖如圖1所示。

圖1 邏輯圖Fig.1 The logic diagram

2.3 第一故障原因的閃光報警系統(tǒng)

在造粒機(jī)組的聯(lián)鎖停車邏輯中,有27個條件可以觸發(fā)停車聯(lián)鎖。一旦停車后,報警燈屏上會出現(xiàn)很多報警,包括第一故障報警和次生報警,因此通過報警燈屏無法準(zhǔn)確判斷出哪個是導(dǎo)致停車的第一報警。由于WinCC掃描時間的限制,報警不能做到實(shí)時記錄,有時候甚至記錄不全,給停車原因分析帶來很大不便。為了解決這個問題,我們做了能夠區(qū)分第一故障原因的閃光報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理與一般閃光報警系統(tǒng)十分相似,區(qū)別是第一故障原因的閃光報警系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)程序,用于對首出信號進(jìn)行存儲并保持,對后續(xù)信號進(jìn)行互鎖[8]。利用該程序段,在造粒機(jī)組正常運(yùn)行期間,一旦聯(lián)鎖停車條件出現(xiàn),就會被鎖定,同時禁止其他次生報警顯示。第一事故報警出現(xiàn)以后,如果造粒機(jī)組沒有運(yùn)行,報警燈屏上的報警不能被確認(rèn),只能消音。

3 開車過程中的故障解決

3.1 切粒水溫度控制不穩(wěn)

由于切粒水的測溫點(diǎn)和調(diào)節(jié)閥之間的安裝距離較遠(yuǎn),造成控制系統(tǒng)純滯后時間較大,因此無法通過PID參數(shù)整定來穩(wěn)定被調(diào)參數(shù)。通過研究FB41的引腳功能發(fā)現(xiàn),DEADB_W引腳可作為調(diào)節(jié)死區(qū)使用。當(dāng)測量值和給定值的偏差在設(shè)置的死區(qū)范圍內(nèi)時,調(diào)節(jié)器不再進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出值保持不變。該引腳系統(tǒng)默認(rèn)值為0,將其修改為0.2,被控參數(shù)明顯趨穩(wěn)。為了取得良好的控制效果,最終把DEADB_W設(shè)為0.5,即當(dāng)測量值和設(shè)定值的偏差大于±0.5 K時,PID參數(shù)起作用,輸出自動調(diào)整;當(dāng)偏差小于±0.5 K時,輸出暫時保持不變。實(shí)際控制效果表明,切粒水溫度偏差可以收斂到±0.2 K之內(nèi),能夠滿足生產(chǎn)對切粒水溫度的要求。

3.2 混煉電機(jī)開車過程中多次啟動

在改造試車過程中,操作工反映開車時發(fā)現(xiàn)混煉電機(jī)存在多次啟動的現(xiàn)象。現(xiàn)場確認(rèn)表明,在一次開車過程中混煉電機(jī)連續(xù)啟動次數(shù)最多時達(dá)到4次。這臺電機(jī)是6 000 V交流電機(jī),連續(xù)啟動對電機(jī)本身損傷很大;電機(jī)的連續(xù)啟動也會干擾電網(wǎng)的正常運(yùn)行。調(diào)取相關(guān)工藝參數(shù)的歷史趨勢記錄看到,在混煉電機(jī)啟動的瞬間,混煉電機(jī)繞組溫度檢測點(diǎn)TE8213/TE8215/ TE8217同時出現(xiàn)瞬間測量值達(dá)到最高值的情況。由于這3個測溫點(diǎn)參與了停車聯(lián)鎖,當(dāng)其中任一個達(dá)到聯(lián)鎖值時都會觸發(fā)混煉電機(jī)的聯(lián)鎖停車。這就是混煉電機(jī)啟動后就停下來的原因。

可是既然聯(lián)鎖已經(jīng)觸發(fā),為什么混煉電機(jī)又啟動了呢？由造粒機(jī)組的控制邏輯可以看出,混煉電機(jī)的自動開車條件是啟動電機(jī)的運(yùn)行信號。自動開車模式下,在啟動電機(jī)運(yùn)行20 s后,混煉電機(jī)自動啟動,而且啟動指令一直保持到啟動電機(jī)停止時結(jié)束。造粒機(jī)組主要設(shè)備的開車順序是:開車電機(jī)、混煉電機(jī)、加料線M802電機(jī)等依次啟動運(yùn)行。開車電機(jī)在加料線電機(jī)運(yùn)行10 s后自動停止。因此,在混煉電機(jī)啟動后到啟動電機(jī)停止前的15 s內(nèi),出現(xiàn)聯(lián)鎖停車條件時混煉電機(jī)停車,聯(lián)鎖條件消失,混煉電機(jī)再次啟動,程序照常往下執(zhí)行,不會導(dǎo)致混煉電機(jī)停下開不起來。

由測溫點(diǎn)的歷史趨勢可以看到測量值滿量程的脈沖信號,這顯然和溫度參數(shù)的變化規(guī)律不符。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)測溫元件是埋在繞組中的熱電阻,測量值出現(xiàn)溫度脈沖的原因是電機(jī)啟動瞬間磁場變化引起的電磁干擾。在大功率變壓器、交流電機(jī)、大電流導(dǎo)線等周圍都有較強(qiáng)的交流磁場,如果儀表的信號連線通過時,就會受到交變磁場的影響而產(chǎn)生干擾[9]。查找MTL溫變型隔離柵的資料,發(fā)現(xiàn)它不能解決這種形式的干擾。通過研究測量監(jiān)控模塊FB65的引腳功能,其HYS引腳可以對輸入的模擬量做滯后處理,系統(tǒng)默認(rèn)值為5.0。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),把它增加到25.0就可以有效避開啟動瞬間的干擾脈沖。最終我們把3個測溫點(diǎn)的HYS引腳參數(shù)設(shè)置為30.0,修改后沒有再出現(xiàn)過觸發(fā)聯(lián)鎖誤動作的情況。

3.3 造粒機(jī)組長周期運(yùn)行困難

控制系統(tǒng)更新后造粒機(jī)組在一段時間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行,主要表現(xiàn)是齒輪泵運(yùn)行不穩(wěn)定,造粒機(jī)筒體壓力控制不穩(wěn)。機(jī)組的筒體壓力控制出現(xiàn)空前困難。這條控制回路的壓力檢測儀表改造前使用電阻型壓力傳感器,傳感器輸出的非標(biāo)信號通過專用電纜送給安裝在控制室的轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后形成標(biāo)準(zhǔn)信號送到調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器采用日本橫河的YS80調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出送到電氣控制齒輪泵電機(jī),通過調(diào)整齒輪泵轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定筒體壓力。改造時,我們把現(xiàn)場的壓力傳感器換成了能夠直接輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的壓力變送器,標(biāo)準(zhǔn)信號直接接入AI卡,調(diào)節(jié)器功能由控制模塊FB41和其他模塊組合實(shí)現(xiàn)。

通過歷史記錄看到,開車后筒體壓力波動幅度較改造前大很多,齒輪泵轉(zhuǎn)速變化振幅也很大。這種現(xiàn)象通過對調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的調(diào)整沒有得到有效改善,甚至出現(xiàn)過由于壓力調(diào)節(jié)失控造成機(jī)組上爆破膜爆破的情況,機(jī)組經(jīng)常因?yàn)辇X輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)不正常而被迫停車。

通過仔細(xì)對比改造前后這條回路的情況發(fā)現(xiàn),由于在改造時壓力測量回路的信號接地沒有處理好,信號在傳輸過程中引入了大量的干擾,造成了虛假信號。接地系統(tǒng)混亂對工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾主要是大地電位分布不均,不同接地點(diǎn)之間存在電位差,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降,引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作[10]。完善信號回路的屏蔽接地后,造粒機(jī)組真正實(shí)現(xiàn)了長周期的平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

這次改造,從根本上解決了原控制系統(tǒng)本身沒有備件和無法打開用戶軟件的不利局面。改造前的系統(tǒng)沒有歷史記錄,在出現(xiàn)問題后不能客觀地對故障前和故障時的情況進(jìn)行還原。改造后,操作工遠(yuǎn)離了噪聲超標(biāo)的機(jī)組現(xiàn)場,可以通過友好的人機(jī)交互界面在遠(yuǎn)程操作站上觀察和控制設(shè)備運(yùn)行狀況。所有的工藝參數(shù)有了歷史記錄,為工藝車間提升設(shè)備管理水平創(chuàng)造了條件。改造后,機(jī)組上的重要工藝參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到工廠管理系統(tǒng),為企業(yè)的信息化管理提供了保障。經(jīng)過一年多的使用證明,西門子S7-400H系統(tǒng)完全滿足造粒機(jī)組的控制要求。

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Application of Siemens S7-400H System in Granulation Unit

The application of Siemens S7-400H in polypropylene granulation unit is introduced.The hardware configuration of control system, the implementing methods of typical control functions and the first cause of the malfunction flashing alarm system are included in introduction. The pin assignment of FB41 function block,the causes of unstable cylinder pressure of granulation unit and continuously starting up of the mixer motor are researched and analyzed.The problems of unstable control of process parameters and continuously start up of mixer motor are resolved.The operation situation of the equipment shows that Siemens PLC satisfies the requirements of the control system.

S7-400H Parameter control Extruder Mixer motor Continuously starting up Gear pump

TP29

A

修改稿收到日期:2014-03-28。

作者安戈(1971-),男,2006年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)計(jì)算機(jī)專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,高級技師;主要從事化工自動化儀表的維護(hù)工作。