程惠倫，魏志

（1.銅陵銅冠優(yōu)創(chuàng)特種材料有限公司，安徽 銅陵 244100；2.北京智弘科技有限公司，北京 100085）

1 引言

錸是一種稀有高熔點金屬，具有良好的塑性、耐磨損、抗腐蝕性能。錸及其合金被廣泛應用到航空航天、電子工業(yè)、石油化工等領域。由于其特殊性能，含錸單晶空心葉片是渦輪發(fā)動機的首選和趨勢。本文針對錸酸銨提純，錸酸銨還原、制備高純金屬錸生產工藝，采用西門子全集成自動化（TIA）控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產過程的集中控制。

設計了一種多入多出的智能協(xié)調控制器，通過合理調節(jié)冷凍機組和調節(jié)閥，實現(xiàn)了錸酸銨結晶的供水冷量、冷凍水槽的冷水冷量、結晶溫度的穩(wěn)定控制。即滿足了生產的需要，又達到了節(jié)能的目的。設計了一種自動加水控制器，實現(xiàn)了純水的自動實時加水和準確計量。滿足了生產工藝中使用添加劑的濃度控制要求。

采用多種通訊協(xié)議實現(xiàn)了與不同第三方設備的通訊，高度集成了生產監(jiān)控和操作，極大程度上提高了生產的安全性，降低了操作人員的勞動強度。

2 工藝概述

錸酸銨還原高純金屬錸生產工藝的基本流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

本高純金屬錸粒生產采用“粗錸酸銨重結晶+離子交換提純—兩段氫氣還原—壓制成型—高溫燒結”工藝流程。粗錸酸銨原料純度為99%，經(jīng)過重結晶+離子交換提純工藝后得到99.99%的高純錸酸銨，經(jīng)過兩段氫氣還原將高純錸酸銨還原為高純金屬錸粉，高純金屬錸粉經(jīng)過壓坯和高溫燒結得到99.99%以上的高純金屬錸粒（條）產品。

考慮到需要監(jiān)控的點較分散、數(shù)量較多，第三方成套設備種類也較多，而且生產工藝尚處試驗階段，還要充分考慮到系統(tǒng)的擴展性、兼容性、修改的便利性等，因此控制系統(tǒng)采用了西門子全集成自動化（TIA）控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)配置

西門子全集成自動化（TIA）控制系統(tǒng)，遵循工業(yè)自動化領域的國際標準，著眼于滿足先進自動化理念的所有需求，并結合系統(tǒng)完整性和對第三方系統(tǒng)的開放性，以一致的軟件和硬件接口，可實現(xiàn)與運營層、管理層數(shù)據(jù)的無縫集成。

針對金屬錸生產工藝、設備的特點，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。工程師站安裝TIA STEP7、TIA WinCC編程組態(tài)軟件，操作員站安裝TIA WinCC監(jiān)控軟件。采用S7-1500系列控制器及模塊，實現(xiàn)信號采集、設備控制、聯(lián)鎖保護、回路調節(jié)。與第三方自帶系統(tǒng)通過通訊的方式實現(xiàn)集中的監(jiān)控。通過Profibus-DP轉Modbus RTU實現(xiàn)與冷凍機組、空壓機的通訊；通過S7通信實現(xiàn)與蒸發(fā)器、燒結爐的通訊；通過OPC實現(xiàn)與純水機、空調機組的通訊。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

TIA博途軟件為全集成自動化的實現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺。是工業(yè)領域第一個帶有“組態(tài)設計環(huán)境”的自動化軟件。自動執(zhí)行工程組態(tài)任務、連接產品生命周期管理與自動化工程組態(tài)、基于云平臺的高效組態(tài)、虛擬調試、集成能源管理、設備與信息安全、云服務數(shù)據(jù)采集、通過通信網(wǎng)絡處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

S7-1500控制器以其卓越的產品設計理念為實現(xiàn)工廠的可持續(xù)性發(fā)展提供強有力的保障。

①CPU最快位處理速度達1ns；采用百兆級背板總線確保極端的響應時間；強大的通信能力，CPU本體支持最多三個以太網(wǎng)網(wǎng)段；支持最快125μs的PROFINET數(shù)據(jù)刷新時間。

②統(tǒng)一編程調試平臺，程序通用，拓展性強；支持IEC 61131-3編程語言（LAD/FBD、STL、SCL 和 Graph）；借助ODK，可直接運行高級語言算法（C/C++）。

③可直接在控制器中對簡單到復雜的運動控制任務進行編程（例如速度控制軸、凸輪傳動）；可借助 I/O 模塊實現(xiàn)各種工藝功能（例如 PTO）。

④集成標準化的OPC UA通信協(xié)議，連接控制層和IT層，實現(xiàn)與上位SCADA/MES/ERP 或者云端的安全高效通信；通過PLC SIM Adv可將虛擬PLC的數(shù)據(jù)與仿真軟件對接；虛擬調試提前預知錯誤，減少現(xiàn)場調試時間。

⑤集成復制保護和專有技術保護功能可確保知識產權不受侵犯；改進保護功能，能夠防止篡改并抵御網(wǎng)絡威脅（身份驗證）。

⑥借助1：1LED通道分配，可在現(xiàn)場快速定位錯誤；發(fā)生故障時無需編程就可通過編程軟件、HMI、Web Server等途徑快速實現(xiàn)通道級診斷；使用標準化的ProDiag功能，可高效分析過程錯誤，甚至在HMI 中直接查看出現(xiàn)錯誤的程序段，大大減少調試與生產停機時間。

⑦ CPU自帶面板支持診斷、初始調試和維護（變量狀態(tài)、IP地址分配、備份、趨勢圖顯示，讀取程序循環(huán)時間，支持自定義頁面，支持多語言）；智能多功能型I/O模塊，優(yōu)化的產品線，方便選型與備品備件。

冷凍機組、空壓機自帶S7-200Smart控制器，配有Modbus RTU從站通訊模塊。本系統(tǒng)選用鼎實科技的PBB-MM協(xié)議總線橋實現(xiàn)Profibus-DP與Modbus RTU的通信轉換，并通過CP1542-5通信模塊與控制器進行連接。

蒸發(fā)器、燒結爐自帶S7-1200控制器，純水機、空調機組自帶昆侖通態(tài)觸摸屏，本系統(tǒng)分別采用S7通信和OPC的通訊協(xié)議，實現(xiàn)了與系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)交互。

4 冷凍水智能協(xié)調控制

冷卻結晶是制取高純錸酸銨的關鍵工序，而冷凍水的品質對結晶起到了至關重要的作用。

本文設計了一種多入多出的智能協(xié)調控制器，實現(xiàn)了對冷凍水品質的穩(wěn)定控制，同時也實現(xiàn)了節(jié)能的目標。冷凍水控制的回路圖如圖3所示。

圖3 冷凍水控制回路

智能協(xié)調控制器的控制目標是：1、一次結晶的供水冷量恒定；2、二次結晶的供水冷量恒定；3、冷凍水槽的冷水冷量恒定；4、冷凍水槽的冷水溫度恒定。調節(jié)的執(zhí)行機構是：1、一次結晶的供水調節(jié)閥；2、二次結晶的供水調節(jié)閥；3、冷凍水槽的進水調節(jié)閥；4、冷凍機組的功率。

在冷凍水整體的工藝回路中，冷凍機組的功率、冷凍水槽的進水調節(jié)閥開度、一次結晶的供水調節(jié)閥開度、二次結晶的供水調節(jié)閥開度、冷凍水槽的冷水冷量、冷凍水槽的冷水溫度、一次結晶的供水冷量、二次結晶的供水冷量互相影響，互相耦合，單回路的控制算法不能滿足工藝的整體需求。

智能協(xié)調控制器的算法結構如圖4所示。

圖4 智能協(xié)調控制器的算法結構

恒溫控制器通過調節(jié)冷凍機組的功率保證了冷凍水槽溫度的恒定；恒冷量控制器1通過調節(jié)一次結晶供水調節(jié)閥的開度保證了一次結晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器2通過調節(jié)二次結晶供水調節(jié)閥的開度保證了二次結晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器3通過調節(jié)冷凍水槽進水調節(jié)閥的開度保證了冷凍水槽的冷水冷量的恒定。

冷凍機組的功率、一次結晶供水調節(jié)閥的開度、二次結晶供水調節(jié)閥的開度對冷凍水槽的冷水冷量控制起到前饋的作用；冷凍水槽的冷水冷量、冷凍水槽的液位、冷凍水槽的進水調節(jié)閥構成串級控制。

5 純水自動加水

溶解是冷卻結晶的前置工序，是冷卻結晶的關鍵，純水供應水量的計量對溶解非常重要。通過操作人員手動加水不僅計量不準還會出現(xiàn)馬虎大意的事故。

本文設計了一種自動加水控制器，一鍵關聯(lián)純水泵、調節(jié)閥、開關閥，實現(xiàn)了純水加水的一鍵控制和精準計量。純水自動加水控制的回路圖如圖5所示。

圖5 純水自動加水控制回路

純水自動加水的控制目標是：1、保證純水加入量的精準；2、防止誤操作并保護純水泵。調節(jié)的執(zhí)行機構是：1、純水泵；2、主管調節(jié)閥；3、一次開關閥；4、二次開關閥。

純水自動加水的算法結構如圖6所示。

圖6 純水自動加水的算法結構

操作人員在選擇了加水目標后，點擊“加水啟停按鈕”，系統(tǒng)自動完成純水的加入與計量。

系統(tǒng)首先根據(jù)加水目標自動打開相應的開關閥，調節(jié)閥開度開到100%，在純水箱液位足夠的前提下，自動啟動純水泵。系統(tǒng)根據(jù)供水流量，自動進行供水量的計量。當供水量計量接近設定值時，調節(jié)閥控制器發(fā)出指令將調節(jié)閥慢慢關小，直至供水量達到設定值時，純水泵停止、調節(jié)閥全關、開關閥關閉。

6 結語

針對錸酸銨還原高純金屬錸生產工藝的特點，采用西門子全集成自動化（TIA）控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產過程的集中控制。與第三方成套設備采用多種通訊方式，最終實現(xiàn)了生產監(jiān)控的高度集成和全流程的安全保護。針對生產中的關鍵控制點，冷凍水控制和純水加水，分別設計了智能協(xié)調控制器和自動加水控制器，滿足了工藝需求，同時降低了操作人員的勞動強度，杜絕了安全事故。