張志國

[摘? ? 要 ]文章主要介紹了制硝裝置以西門子PLC為控制核心的控制系統。上位機控制系統軟件采用WinCC操作系統，使生產過程中的參數得以實時顯示及操作。文章著重介紹了控制系統的實現方式和控制策略以及設備選型，經過長期穩(wěn)定運行效果顯著，具有很好的借鑒意義和推廣價值。

[關鍵詞]PLC;WinCC;蒸發(fā)罐;硫酸鈉

[中圖分類號]TF341.4;TP273[文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–03

Application of Siemens PLC Control System in the Production

Process of Nitric Oxide Plant

Zhang Zhi-guo

[Abstract]This paper mainly introduces the control system with Siemens PLC as the control core. WINCC operating system is used in the software of the upper computer control system， so that the parameters in the production process can be displayed and operated in real time. This paper introduces the long-term control strategy and control strategy， which is of great significance.

[Keywords]PLC; WinCC; evaporation tank; sodium sulfate

為解決某公司在碳酸鋰生產過程中產生的副產品十水硫酸鈉的問題，保護廠區(qū)生態(tài)環(huán)境，使生產資源得到科學合理的開發(fā)利用，實現公司的可持續(xù)發(fā)展。同時為了滿足市場需求，決定在公司現有廠區(qū)內修建副產品無水硫酸鈉工程，從而從副產品十水硫酸鈉中回收無水硫酸鈉，實現十水芒硝制無水硫酸鈉，達到廠區(qū)生產過程中的資源綜合利用。

1 工藝流程概述

項目在碳酸鋰生產過程中產生十水硫酸鈉（芒硝），芒硝熱融后的硫酸鈉溶液采用三效真空蒸發(fā)制硝工藝，即熱溶后的硝水首先進行真空蒸發(fā)結晶，然后進行增稠、離心脫水干燥，干燥后的產品送至包裝。同時，在三效蒸發(fā)過程中濃縮的含氧化鋰母液送至氫氧化鋰生產裝置再利用，達到綜合利用的目的。

本工程生產裝置由三效蒸發(fā)、離心分離、干燥、包裝部分組成，布置在生產二車間內。圖1、圖2為制硝工藝流程示意圖。

2 PLC控制系統

2.1 PLC技術的優(yōu)點

PLC控制技術不僅具有記錄數據、控制順序、邏輯運算等功能，還能夠運用模擬量或者是數字量的方式進行對外的數據的輸出和輸入，并且在程序中可以編制工藝過程的安全聯鎖，報警設定[1-2]。

2.2 PLC控制系統主要組成部分

本項目根據目前真空制硝生產工藝的監(jiān)控技術要求和生產現場有硝塵易腐蝕的特點，本著運行可靠、操作簡便、成本低廉的原則，制硝裝置的生產自動控制采用可編程序控制器（PLC），輔以部分就地指示儀表，實現對工藝生產全過程的自動化監(jiān)視和控制，比常規(guī)儀表更具有高控制精度及高可靠性、操作直觀方便、控制功能完善、控制策略多樣及組態(tài)靈活、系統擴展容易、調試維護方便等優(yōu)點。

2.2.1 工程師站、操作員站

工程師站、操作員站配備高品質計算機，采用操作管理層與控制層雙網合一的網絡結構，操作員站采用全冗余的100/1000 Mbps以太網互冗余熱備份，以最大限度地保證生產過程的安全可靠。

2.2.2 過程控制站

PLC控制系統設有一個制硝裝置過程控制站，該控制站用于完成數據采集、I/O處理、回路控制和順序控制等功能，電源、控制器、重要的控制回路I/O均按1：1冗余配置。

主控單元完成面向過程的全部監(jiān)測、調節(jié)和順序控制運算功能。包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視、PID調節(jié)，各種復雜調節(jié)、各種閥門開關、各種電機起停的順序控制，以及設備運行狀態(tài)的監(jiān)視及連鎖保護。

2.2.3 電動機控制

電動機的控制信號以硬接線方式接至過程控制系統，實現對電動機的運行進行監(jiān)控;同時設計時應體現就地、電器柜、系統三地控制，主輔連鎖。

2.3 硬件配置

本項目的控制系統中，PLC的硬件配置主要采用西門子S7-400和S7-300系列I/O模塊。由西門子S7-400作為主機架，擴展機架由S7-300的I/O模塊組成，I/O模塊主要包括熱電阻模擬量輸入模塊、常規(guī)模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊和數字量輸出模塊等。PLC控制系統硬件通過PROFIBUSDP網絡連接，再經過以太網交換機，通過以太網連接至工控機。

本項目制硝裝置的I/O點數分別為模擬量輸入AI為71個（其中鉑熱電阻Pt100信號為17個）;模擬量輸出AO為14，開關量輸入DI為121個;開關量輸出DO為73個。

本工程項目中采用的西門子公司產品型號如下。

（1）中央處理器模塊412-2XJ05-0AB0，1∶1在線冗余。

（2）電源模塊407-0DA02-0AA0，用于給CPU及各模塊供電。

（3）通訊模塊443-1EX20-0XE0，用于與計算機進行網絡通訊并進行2個CPU之間的冗余通訊。

（4）接口模塊153-2BA02-0XB0，用于連接多層配置的機架。

（5）DI數字量輸入模塊321-1BL00-0AA0，用于采集現場設備的運轉及故障狀態(tài)。

（6）DO數字量輸出模塊322-1BL00-0AA0，用于控制現場設備的啟停。

（7）AI模擬量輸入模塊331-7KF02-0AB0，用于采集現場設備的液位、流量、壓力、重量信號。

（8）RTD熱電阻輸入模塊331-7PF01-0AB0，用于采集現場設備的溫度信號。

2.4 軟件配置

本項目的控制系統中，采用西門子STEP7作為下位機編程軟件，采用SIMATIC WinCC V6.2作為上位機組態(tài)軟件。

下位機技術軟件平臺為SIMATICSTEP7，進行硬件組態(tài)、控制程序編制，可達到強大的工藝及操作功能的組態(tài)及管理。

上位機組態(tài)技術軟件為SIMATIC WinCC V6.2系統，主要用于完成過程監(jiān)控、與PLC通訊、標準接口、編程接口、報表設計、變量記錄、報警存檔等功能[3]。

2.5 PLC控制系統結構

制硝裝置過程控制站內部設置工程師站（兼操作員站）、操作員站、打印機、工業(yè)級不間斷電源系統（UPS）及相應的操作臺、機柜。PLC控制系統結構示意圖如圖3所示。

（1）控制站配置互為熱備冗余控制器2臺。

（2）工程師站1臺，用于系統工程管理，如控制回路組態(tài)，畫面生成，報表生成以及過程趨勢和參數的整定等。該工程師站具有操作站所有的功能以便在日常生產時作操作員站使用。

（3）操作站1臺，用于顯示系統位號、流程畫面，程序連鎖圖、系統參數報警和打印相關報表，并且能夠很方便地轉換為工程師站用以組態(tài)。

（4）打印機（A3紙）1臺，用于打印報表及事件報警信息和屏幕拷貝。

（5）工業(yè)級不間斷電源系統（UPS）1臺，本項目的UPS主要有2個作用：一是應急使用，防止突然斷電而影響正常生產，可以保證制硝裝置安全停車;二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量，為控制系統提供高質量的電源。

3 PLC控制系統功能

本系統的自動控制功能主要分以下幾個部分。

3.1 一效、二效、三效蒸發(fā)室的鹵水液位自動控制

在真空蒸發(fā)制硝裝置生產過程中，蒸發(fā)罐的液位調整對產品質量起重要作用，它的好壞直接影響鹽的質量和產量[4-6]。為了保證每一效蒸發(fā)罐的鹵水的液位穩(wěn)定，每一效進料通過相應的液位調節(jié)閥在下循環(huán)管進行，使每一效液位在正常液位的±0.5m范圍內。每一效液位和密度測量采用2個法蘭遠傳壓力變送器進行測量，但由于液位變送器測量出的數據不僅與實際液位高度有關，還與蒸發(fā)室內鹵水的比重成正比，鹵水的比重將直接影響液位變送器的測量精度。

3.2 一效加熱室的蒸汽壓力自動控制

為了保證一效加熱室的蒸汽壓力恒定為400 kPa，通過調節(jié)在進一效加熱室的蒸汽管道上的調節(jié)閥開度實現，一般要求加熱室蒸汽壓力在設定值的±20 kPa范圍內，蒸汽壓力采用壓力變送器進行測量，操作員設定一效加熱室的蒸汽壓力，通過PID模塊自動調節(jié)飽和蒸汽調節(jié)閥的開度，從而達到控制一效加熱室蒸汽壓力的功能。

3.3 干燥系統空氣預熱器出口熱空氣溫度自動控制

為了保證干燥系統空氣預熱器出口熱空氣溫度恒定為155 ℃，通過調節(jié)在干燥系統板式換熱器熱飽和蒸汽進氣管道上的調節(jié)閥開度實現，一般要求加熱室蒸汽壓力在設定值的±10 ℃范圍內，熱空氣溫度采用熱電阻Pt100進行測量，操作員設定空氣預熱器出口溫度值，通過PID模塊自動調節(jié)飽和蒸汽調節(jié)閥的開度，從而達到控制空氣預熱器出口熱空氣溫度的功能。

3.4 干燥系統旋風除塵器進口空氣壓力自動控制

為了保證旋風除塵器進風壓力恒定為-1 kPa，通過調節(jié)在旋風除塵器進口管道上的調節(jié)閥開度實現，干燥系統旋風除塵器進口空氣壓力要求在設定值的±0.3 kPa范圍內，空氣壓力采用壓力變送器進行測量，操作員設定旋風除塵器進口空氣壓力，通過PID模塊自動調節(jié)進口空氣調節(jié)閥的開度，從而達到控制旋風除塵器進口空氣壓力的功能。

3.5 現場設備的遠程遙操作控制

現場設備的控制分為就地手動控制和遠程遙操作控制，現場設備的電氣控制系統通過硬接線連入PLC控制系統，電機啟?？刂仆ㄟ^電氣控制柜的切換開關在PLC控制系統與電氣控制柜上進行選擇操作方式。同時，電機的運行狀態(tài)和故障信號也通過硬接線連入PLC控制系統，實現電機的遠程監(jiān)控功能。圖4、圖5分別為控制回路面板圖、現場設備控制圖。

4 工業(yè)級不間斷電源系統（UPS）

本項目有1套獨立的在線一體式工業(yè)級UPS[7]，采用UPAD-III智能型交直流不間斷電源系統，主機采用工業(yè)級UPS，是真正在線式正弦波結構，能適應惡劣的現場工業(yè)環(huán)境，為PLC控制系統和現場儀表提供高可靠性的交直流凈化電源。PLC控制系統各設備及220VAC現場儀表等電源由不間斷電源柜供電，24VDC現場儀表電源由PLC控制系統內部電源供電。

5 結束語

在本項目中，采用西門子PLC與組態(tài)軟件的結合應用的控制方式。PLC控制系統投用后對生產水平的提高奠定了堅實基礎，使得整個項目從設計、選型、安裝、調試到系統的正常投運，現場的大量信號能及時準確的采集與輸出控制，各回路的控制都可以投入到自動PID控制模式，且控制效果良好。

該系統控制對象中，各效蒸發(fā)罐的鹵水液位是十分重要的參數，要求有較高的控制精度和可靠性，但由于控制對象滯后時間很大，在真空制硝裝置生產過程中的控制效果有待進一步提高。

參考文獻

[1] 陳樂，楊光.西門子PLC在煙氣脫硫脫硝系統中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（24）：145-148.

[2] 譚建一.PLC控制技術在煤礦生產中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（1）：128.

[3] 周紅燕.PLC控制在膜法除硝裝置中的應用[J].中國氯堿，2012（12）：32-33.

[4] 郭陽光.差壓式變送器測量蒸發(fā)罐液位存在的問題及解決辦法[J].中國井礦鹽，1995（2）：48-49.

[5] 秦可.淺議真空制鹽工程儀表的安裝調試及保護[J].中國井礦鹽，2005（3）：33-35.

[6] 鄒麗君.儀表控制系統的發(fā)展[J].中國井礦鹽，2006，37（1）：33-34.

[7] 顧志國.DCS系統中供電電源的設計及UPS的選擇原則[J].新疆電力技術，2010（4）：80-81.

[8] 程學穩(wěn)，李豫南.DCS集散控制系統的接地保護[J].大眾用電，2006（8）：36-37.

[9] 王耀南.智能控制系統[M].長沙：湖南大學出版社，2006.