聶巨峰

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司，陜西 渭南 714000)

隨著國內(nèi)外市場對鉬酸銨需求的持續(xù)提升，全球第三大鉬生產(chǎn)企業(yè)金鉬集團(tuán)將與美國Climax公司合作的第一條6 500t/a鉬酸銨生產(chǎn)線消化吸收之后，于2011年在金堆城工業(yè)園籌建第二條6 500t/a鉬酸銨新項(xiàng)目，其控制系統(tǒng)選用SIMATIC PCS7，PLC選用CPU 414-4H、ET200M、Y-LINK；MCC選用ABB ACS800變頻器和西門子SIMOCODE pro(SIRIUS電機(jī)管理和控制設(shè)備)；現(xiàn)場壓力變送器、差壓變送器和流量變送器選用EJA系列智能變送器，溫度變送器選用川儀十七廠的產(chǎn)品。該項(xiàng)目于2013年進(jìn)入試生產(chǎn)階段，整套控制系統(tǒng)跟隨項(xiàng)目同時(shí)運(yùn)行。在此，筆者著重介紹其自控系統(tǒng)的構(gòu)成及其所實(shí)現(xiàn)的功能。

1 自控系統(tǒng)硬件①

結(jié)合鉬酸銨生產(chǎn)工藝的要求，工廠控制系統(tǒng)選用SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)是與SIMATIC技術(shù)的最新結(jié)合，可以有效地滿足鉬酸銨工藝中所有對性能、可靠性、操作簡易和安全運(yùn)行的要求，而且其核心控制設(shè)備必須設(shè)計(jì)為冗余系統(tǒng)，這也提高了系統(tǒng)的可靠性。SIMATIC PLC的產(chǎn)品類型和功能如下：

a. CPU 414-4H。即使控制器的某些部件由于一個(gè)或幾個(gè)故障失效而不受影響，同時(shí)便于更換和升級，使得連續(xù)結(jié)晶單元中的結(jié)晶循環(huán)泵等不能間斷運(yùn)行的設(shè)備的失控風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零。

b. ET200M。冗余的IM153-2將S7-300的I/O模塊(選用HART協(xié)議模擬量輸入與輸出模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場安全性和模塊參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳與下載，達(dá)到方便系統(tǒng)配置的要求)集成到整個(gè)DP系統(tǒng)，比較經(jīng)濟(jì)，選用有源背板總線，模板熱插拔不會(huì)導(dǎo)致CPU停機(jī)，適用于復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。

c. Y-LINK。把400H下冗余的Profibus-DP轉(zhuǎn)換成單DP鏈路，連接變頻器、SIMOCODE pro及第三方設(shè)備等DP鏈路不冗余的設(shè)備。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配置

鉬酸銨生產(chǎn)自控網(wǎng)絡(luò)(圖1)由資源管理系統(tǒng)、馬達(dá)控制中心、現(xiàn)場監(jiān)控儀表/變送器、各閥開/關(guān)等操控系統(tǒng)、變頻器監(jiān)控系統(tǒng)、真空輸送系統(tǒng)、干燥器系統(tǒng)、包裝和稱重系統(tǒng)、真空帶式過濾機(jī)(熱水洗滌)系統(tǒng)、真空帶式過濾機(jī)(酸洗滌)系統(tǒng)、板框壓濾機(jī)系統(tǒng)和離心機(jī)共12部分組成。監(jiān)控設(shè)有兩個(gè)分屏顯示的操作員站、一個(gè)工程師站和一個(gè)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。操作員站可以相互瀏覽，但具有不同的操作權(quán)限。工程師站負(fù)責(zé)調(diào)整和維護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)。

3 變頻器的應(yīng)用

該自控系統(tǒng)中，直接參與控制的變頻器選用的是ABB ACS800，該變頻器具有直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使得在沒有編碼器的情況下，能夠提高交流電動(dòng)機(jī)的控制精度。生產(chǎn)中精確的速度控制可進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

該工藝所使用泵的負(fù)載屬于二次方律負(fù)載，二次方律負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性曲線如圖2所示。

圖1 鉬酸銨生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 二次方律負(fù)載機(jī)械特性和功率特性曲線

因?yàn)橐乐顾N效應(yīng)以及在很低速時(shí)，管路內(nèi)的水壓可能會(huì)形成回流，故在泵進(jìn)行加、減速時(shí)，時(shí)間不宜太長也不宜太短。該自控系統(tǒng)中，泵的加、減速時(shí)間在10～20s。為了避免回流，水泵在低速段的滯留時(shí)間不宜太長，所以選用半S形加、減速方式。由于供料系統(tǒng)有靜揚(yáng)程，如果頻率太低將無法供水，需設(shè)置下限頻率，該系統(tǒng)中設(shè)為25～30Hz。

每臺變頻器都裝有ABB傳動(dòng)Profibus-DP適配器并設(shè)有不同的通信地址，由Porfibus現(xiàn)場總線與主站連接。控制方式為：操作員站和現(xiàn)場手動(dòng)控制。操作員站可以通過現(xiàn)場總線對變頻器設(shè)定頻率或下達(dá)啟/停命令。如果變頻器出現(xiàn)故障或報(bào)警，也可以通過總線反應(yīng)到操作員站。如果現(xiàn)場“手動(dòng)∕自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到手動(dòng)狀態(tài)，在現(xiàn)場可以通過開關(guān)控制繼電器來控制變頻器。手動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的頻率由變頻器參數(shù)設(shè)定。以其中一組變頻器為例，頻率給定部分PLC邏輯和控制接線如圖3、4所示。變頻器的通信地址在RPMA-O1的撥碼開關(guān)上進(jìn)行設(shè)置。

圖3 變頻器頻率給定部分PLC邏輯

圖4 變頻器控制接線示意圖

4 SIMOCODE pro的使用

SIMOCODE pro是帶有一個(gè)Porfibus-DP接口和操作面板的電機(jī)管理和控制設(shè)備系統(tǒng)，它取代了大部分控制回路，還可以執(zhí)行必要的聯(lián)鎖，可以提供大量的操作、維護(hù)和診斷數(shù)據(jù)，使電機(jī)饋電回路的功能更加透明。還可以通過Porfibus-DP將電機(jī)饋電回路完全集成到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，也可獨(dú)立于自動(dòng)化系統(tǒng)對電機(jī)饋電回路進(jìn)行保護(hù)和控制，如果自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電機(jī)饋電回路仍然能夠被保護(hù)和控制。SIMOCODE pro在使用時(shí)可以不與Porfibus-DP連接，可以根據(jù)需要以后進(jìn)行連接。

鉬酸銨生產(chǎn)控制中，SIMOCODE pro控制的電機(jī)啟動(dòng)方式主要有：直接啟動(dòng)、可逆啟動(dòng)和異地多點(diǎn)控制啟動(dòng)，其中直接啟動(dòng)控制接線如圖5所示。

圖5 SIMOCODE pro直接啟動(dòng)控制接線示意圖

每個(gè)SIMOCODE pro帶動(dòng)一臺電機(jī)，并且設(shè)有不同的通信地址，操作員只要在WinCC界面上單擊電機(jī)的啟/停按鈕，即可以向CPU下達(dá)對該電機(jī)的操作命令，信號通過Porfibus-DP傳遞給指定的SIMOCODE pro。現(xiàn)場“手動(dòng)∕自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)為手動(dòng)之時(shí)，可以通過現(xiàn)場按鈕控制電機(jī)的啟/停。如果SIMOCODE pro故障報(bào)警，在開關(guān)的操作柜門上可以通過操作員面板讀取報(bào)警信息。SIMOCODE pro與CPU之間通過Porfibus-DP保持實(shí)時(shí)通信，電機(jī)的控制或運(yùn)行狀態(tài)直接在WinCC操作界面上顯示。電機(jī)的控制邏輯如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制邏輯

5 閥門的控制

5.1 球閥或蝶閥

工藝中使用的球閥或蝶閥的控制原理是相同的，即通過控制閥門的氣路來控制閥門開關(guān)，氣路由24V電磁閥控制。在閥門的打開和關(guān)閉位置都接有限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)，通過限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)閉合，向CPU反饋閥門狀態(tài)。閥門控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)，在手動(dòng)位置操作員可通過閥門操作界面直接控制閥門的開/關(guān)，在自動(dòng)位置閥門可根據(jù)程序設(shè)計(jì)和實(shí)際工藝參數(shù)自行打開或關(guān)閉。手動(dòng)或自動(dòng)方式可在閥門操作界面上根據(jù)工藝需要設(shè)定。球閥或蝶閥控制邏輯如圖7所示。

圖7 球閥或蝶閥控制邏輯

5.2 調(diào)節(jié)閥

鉬酸銨生產(chǎn)工藝中使用的調(diào)節(jié)閥主要用來控制反應(yīng)釜的溫度，即控制蒸汽和冷卻水的調(diào)節(jié)閥開度來控制溫度。每個(gè)閥門定位器配有HART協(xié)議的通道接口?？刂葡到y(tǒng)通過模擬量輸出模塊向閥門定位器輸出4～20mA直流信號，閥門定位器根據(jù)信號做出反應(yīng)，裝在釜上的溫度變送器將溫度反饋回控制系統(tǒng)，系統(tǒng)做出計(jì)算后調(diào)節(jié)輸出信號。調(diào)節(jié)閥PID控制邏輯如圖8所示。單擊WinCC操作界面上的釜溫狀態(tài)圖幅，面板打開、選項(xiàng)卡被激活，如圖9所示。

圖8 調(diào)節(jié)閥PID控制邏輯

圖9 調(diào)節(jié)閥控溫操作界面

在操作面板中可以設(shè)定閥門的控制方式，如果設(shè)定為“自動(dòng)”，則在“SP”欄中設(shè)定工藝需要的溫度值，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)“PV”與“SP”之差自動(dòng)向調(diào)節(jié)閥發(fā)送計(jì)算后的直流控制信號；如果選為“手動(dòng)”，可直接在“MAN”欄中直接輸入閥門開度。同一個(gè)釜上控制蒸汽和冷卻水的調(diào)節(jié)閥控制信號一致，蒸汽閥門定位器設(shè)置為正比例控制，冷卻水設(shè)置為反比例控制。調(diào)節(jié)閥PID控制邏輯如圖10所示。

圖10 調(diào)節(jié)閥PID控制邏輯

6 系統(tǒng)模擬量的監(jiān)控

在鉬酸銨生產(chǎn)自控系統(tǒng)中，還有液位、壓力、溫度及流量等模擬量，其監(jiān)控原理相近。EJA系列智能變送器(圖11)由單晶硅諧振式傳感器上的兩個(gè)H型的振動(dòng)梁，分別將壓差和壓力信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，送到脈沖計(jì)數(shù)器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號相對應(yīng)的4～20mA直流輸出信號，并在模擬信號上疊加一個(gè)BRAIN/HART數(shù)字信號進(jìn)行通信。膜盒組建中內(nèi)置的特性修正存儲器存儲傳感器的環(huán)境溫度、靜壓和輸入/輸出特性修正數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU運(yùn)算，可以使得變送器獲得優(yōu)良的溫度特性、靜壓特性和輸入/輸出特性。通過I/O口與外部設(shè)備以數(shù)字通信方式傳遞數(shù)據(jù)，即高頻2.4kHz(BRAIN協(xié)議)或1.2kHz(HART協(xié)議)數(shù)字信號疊加在4～20mA的信號線上。在進(jìn)行通信時(shí)，頻率信號不會(huì)對4～20mA信號產(chǎn)生擾動(dòng)。

圖11 EJA智能變送器工作原理

測量儀器或儀表都選用HART協(xié)議通道接口，將液位、壓力、溫度及流量等模擬量轉(zhuǎn)換為4～20mA直流信號，通過模擬量輸入模塊傳送給PLC，PLC再將信號轉(zhuǎn)換為絕對數(shù)值或相對數(shù)值，在WinCC操作界面上顯示。模擬量監(jiān)控邏輯如圖12所示。

圖12 模擬量監(jiān)控邏輯

在鉬酸銨生產(chǎn)自控系統(tǒng)中，除了對單臺設(shè)備控制外，還有許多邏輯順序控制，比如：如果釜內(nèi)液位值高于設(shè)定的高液位報(bào)警值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥；或者當(dāng)釜內(nèi)的液位值低于某一液位值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉攪拌器。該工藝中，有的泵是一用一備，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)打開兩臺中的一臺輸送泵前的閥門，啟動(dòng)相對應(yīng)的泵，打開相應(yīng)泵的出口閥，當(dāng)運(yùn)行泵出現(xiàn)故障后給操作員站發(fā)故障報(bào)警信號，同時(shí)自動(dòng)開啟備用泵，其順序?yàn)椋捍蜷_備泵的進(jìn)出口閥門，開啟備泵，然后關(guān)閉故障泵的進(jìn)出口閥門等。

在鉬酸銨自控系統(tǒng)中，對第三方提供的相關(guān)設(shè)備(如離心機(jī)、真空輸送系統(tǒng)、干燥器、熱水洗滌真空帶式過濾機(jī)、酸洗滌真空帶式過濾機(jī)及板框壓濾機(jī)等)設(shè)計(jì)了綜合界面和獨(dú)立界面，以顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄相關(guān)信息，同時(shí)把關(guān)鍵點(diǎn)納入整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔與報(bào)警顯示記錄等。

以離心機(jī)為例，該系統(tǒng)中使用的離心機(jī)由德國HEINKEL公司制造。該設(shè)備控制系統(tǒng)中主站系統(tǒng)使用西門子CPU 314C-2 DP、DI32xDC24V和DO16xDC24V/0.5A，子網(wǎng)使用西門子HPT-Gipszentrifuge，除主站外還配有西門子MASTERDRIVES/DC MASTER C、DP/DP-Koppler Ausgabest和PILZ的PNOZmulti mc3p共3個(gè)從站，人機(jī)界面使用西門子op170B。主電機(jī)控制部分除使用西門子SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control外，還配有西門子Bremseinheit/Braking Unit、Bremswiderstand/Braking Resistor和3RN1熱敏電阻式電機(jī)保護(hù)繼電器，共同完成對主電機(jī)的控制和保護(hù)。

7 結(jié)束語

2011年在金堆城工業(yè)園籌建的第二條6 500t/a鉬酸銨新項(xiàng)目中，其工藝控制中選用了西門子、ABB、橫河及科隆等公司的產(chǎn)品，整個(gè)工藝流程實(shí)現(xiàn)了簡單安全的過程控制，達(dá)到操作直觀和可視化的目標(biāo)，提供了鉬酸銨生產(chǎn)工藝中故障的自動(dòng)解決方案等，同時(shí)節(jié)約了人力和物力，極大地降低了生產(chǎn)成本,提升了鉬酸銨的市場競爭力。