西門子S7—400在精細化工過程控制系統中的應用

張偉++李玉章

摘 要：隨著我國工業自動化水平的提高，過程工業自動化的應用越來越廣泛。論文以新華制藥MAA水解反應系統為背景，闡述了西門子S7-400在系統中的應用，詳細敘述了西門子S7-400軟件的特點、及其在系統中的設計與實現，該系統已在淄博新華制藥安乃近廠房順利投產且穩定運行。

關鍵詞：西門子S7-400；過程工業自動化；MAA水解反應系統

1 項目簡介

隨著國家對工業自動化需求的提高，精細化工中很多崗位仍然繼續采用傳統的人工操作方式，這就不能滿足我國工業自動化的發展要求，本項目為精細化工過程中甲酸甲酯產品的生產過程，此過程稱為MAA水解反應過程，主要包括如下七個階段：進濃硫酸過程、進甲化液過程、進濃甲醇過程、升溫過程、蒸甲酯過程、蒸甲醇過程、蒸水過程。進料過程要求定量進料，蒸甲酯、蒸甲醇、蒸水過程要求將溫度控制在指定溫度范圍內。傳統的操作方式為人工通過開關手動閥門打料，人工通過調節手動閥門的開度大小來控制溫度，本系統通過改造之后，實現了系統自動打料、自動控溫的功能。

2 項目工藝介紹

該項目工藝如圖1所示，MAA水解反應中所需三種物料：濃硫酸、濃甲醇、甲化液，濃硫酸、濃甲醇來源于本車間內的濃硫酸儲罐和濃甲醇儲罐，甲化液來源于另外車間，通過控制電動開關閥來實現系統自動打料，進料之前排氣閥打開，三種物料全部進入到MAA水解反應罐a中之后，排氣閥關閉，蒸汽調節閥開到100%，對罐體進行加熱升溫，打開稀甲酯進料閥a，打開稀甲酯進料閥b，打開鹽水閥。當反應罐a罐內溫度達到55℃時，升溫階段結束，開始進入到蒸甲酯階段。系統采用PID算法調節溫度，通過調節蒸汽調節閥將反應罐a的內溫控制在108℃左右（偏差不超過2℃），通過調節冷水調節閥將冷凝器溫度（頂溫）控制在60℃左右（偏差不超過2℃）。內溫的控制是為了保證水解反應可以充分進行的情況下，最大可能地節約所需能源，頂溫的控制是為了生產所需產品，頂溫的控制是核心，因為它保證了所冷凝出來的物料是否為目標物料。蒸甲酯過程持續7小時候后，系統彈框提示是否進入到下一階段，點擊確定之后（不點擊確定，系統繼續處在蒸甲酯階段），系統自動進入到蒸甲醇階段，關閉稀甲酯進料閥a，關閉稀甲酯進料閥b，打開稀甲醇進料閥，此時，內溫控制在115℃左右，頂溫控制在92℃左右。蒸甲醇過程持續4小時候后，系統彈框提示是否進入到下一階段，點擊確定之后（不點擊確定，系統繼續處在蒸甲醇階段），系統自動進入到蒸水階段，此時，內溫控制在118℃左右，頂溫控制在98℃左右，此反應階段持續1小時后，反應結束，同時自動打開排氣閥。

3 項目硬件需求

本項目采用西門子S7-400PLC對系統進行信息采集和設備控制，本設備需要控制較多的氣動閥門，既有開關閥門也有調節閥門。需要讀取較多的模擬量，包括流量計、溫度計、壓力計等。另外，為提高系統運行對生產安全的可靠性，本系統要求對異常信號給出報警。系統需要設備數目及作用如表1所示。

4 控制系統構成及實現

項目的結構如圖2所示，CPU通過DP口分別與三個分站進行信息交換，通過MPI＼DP口與IND 560進行信息交換，通過CP443-1連接到交換機上，工程師站和操作員站通過各自電腦的1網端連接到交換機上，實現兩個工作站的上位機同時和下位機進行信息交流。工程師站和操作員站通過2網端相互連接，實現兩個工作站之間的信息轉遞。

工程項目中S7-400的硬件配置圖如圖3所示：

5 西門子S7-400的過程功能控制在系統中的設計與實現

5.1 本系統對過程控制的需求

在本工程控制系統中，系統對工藝要求較高，在控制過程中，涉及到控制閥門較多，而且中間涉及到調節閥開度的設定，對于閥門開啟關斷時間均有較高的自動控制，并且此工藝的生產過程必須嚴格按照順序一步一步執行，本項目為精細化工過程中甲酸甲酯產品的生產過程，此過程稱為MAA水解反應過程，主要包括如下七個階段：進濃硫酸過程、進甲化液過程、進濃甲醇過程、升溫過程、蒸甲酯過程、蒸甲醇過程、蒸水過程。這七個過程有著嚴格的先后順序，不能打亂。西門子S7-400軟件中的順序功能控制（SFC功能塊）正好可以實現這個順序控制功能。

5.2 西門子S7-400中過程制功能塊SFC介紹

SFC工作原理

（1）可以在SFC編輯器內使用圖形工具創建順序控制系統。根據固定規則將SFC的元素放入順控程序中。無需關注諸如算法或者設備資源分配等詳細信息，只需注意組態的技術方面。

（2）在創建了包括一系列步和轉移的順控程序后，繼續組態SFC、順控程序、步和轉移的對象屬性，并在其中定義相應屬性。組態下列各項：

SFC的工作參數；

順控程序的啟動條件；

步的動作；

轉移的步使能條件。

（3）當完成此組態后，用SFC編譯可執行機器代碼，然后將其下載到AS中，并使用SFC測試功能進行測試。

SFC圖表：

如果從未使用過SFC編輯器，則最好先從SFC圖表開始。為此，需要了解下列各個主題：

創建、組態、編譯和下載順序控制系統；

順序控制系統在AS中如何工作；

如何在測試模式下，在順序控制系統中使用各種命令（如：啟動和中止）。

SFC類型和SFC實例：

一旦了解了如何使用SFC圖表實現順序控制系統，即可開始使用SFC類型和SFC實例。然后可以確定兩種順序控制系統中的哪一種更適合于特定任務。

SFC類型和SFC實例引入了使用順序控制系統的新方式。使用SFC圖表時，可以直接開始工作，因為SFC圖表可以立即生成并隨后進行編譯、下載和測試。

使用SFC類型，為了順序控制系統可以多次被使用，可以以模板的形式創建與特定應用無關的順序控制系統。

隨后，創建SFC實例，使其適用于特定應用場合，并且與基本自動化塊互連。

為了將SFC實例和基本自動化相連，必須提供用于SFC類型的標準接口?？梢詳U展此接口以包括新的輸入/輸出，或者從工藝角度將所需的輸入/輸出創建為SFC類型的特征參數。

隨后，編譯程序，將其下載到AS并測試SFC實例。這也將間接測試SFC類型。

5.3 西門子S7-400中過程控制功能塊SFC在本系統中的設計與實現

首先，系統SFC功能塊打到自動狀態下，檢測到自動信號之后，系統進入到冷態開車階段：關閉排氣閥、關閉濃硫酸進料閥、關閉甲化液進料閥、關閉濃甲醇進料閥、關閉稀甲酯進料閥a，b、關閉稀甲醇進料閥。系統檢測到所有閥門關到位信號后，進入到數據錄入階段，工作人員輸入本次生產的批號、甲化液的量、濃硫酸的配比、濃甲醇的配比，點擊確定后，系統進入到數據確認階段，濃硫酸的量和濃甲醇的量是系統通過甲化液的量和濃硫酸、濃甲醇的配比計算得來的，濃硫酸的量=甲化液的量*75%/98%，濃甲醇的量=甲化液*35%/95%工作人員確定進料量后，系統進入到進硫酸階段，達到設定量后，系統自動關閉濃硫酸閥。

然后系統進入到進甲化液階段，達到設定量后，系統自動關閉甲化液閥。然后系統進入到進濃甲醇階段，達到設定量后，系統自動關閉濃甲醇閥。然后系統進入到升溫階段，蒸汽閥全部打開對罐體進行升溫，到達理想溫度后，進入到蒸甲酯階段，此時系統自動投切PID，打開稀甲酯進料閥a，b，把頂溫和內溫控制在設定溫度下，7小時之后，進入到蒸甲醇階段關閉稀甲酯進料閥a，b，打開稀甲醇進料閥。3小時之后，進入到蒸水階段，蒸水1小時后，整個流程結束。

6 項目運行、應用體會

該系統在淄博新華制藥順利投產，運行情況穩定且良好，能夠較好地實現產品的生產，工人反映控制系統使用方便。

在項目實際調試過程中，SIEMENS產品的使用具有靈活性、開放性，遇到問題能很快地在網上得到答案。在軟冗余的實現過程中，可通過對資料的搜集簡單學習，對軟冗余的原理等有較好的理解，并且無論在硬件配置還是軟件編程方面，均比較容易理解，架構清晰。通過簡單鏈接就能夠順利摸清各個功能塊的具體用途并順利使用。通過與其他產品的PLC使用情況相比，SIEMENS的PLC可以完整地實現邏輯功能，模擬量輸入數據處理和輸出數據控制均非常準確，尤其是SM331-7KF02的強大信號功能，為系統調試提供了多方式的信號類型，提到的功能均可實現，保證了項目的按時完成。

在這里要特別感謝西門子電話客服工作人員的熱心幫助和相關人士提供的資料，為項目的完成提供了非常大的技術支持。

參考文獻

[1]西門子公司內部刊物.Siemens PLC系統軟件的說明與實現[EB/OL].http：//www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx？ID=1251

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作者簡介：張偉，重慶，青島科技大學副教授，博士，碩士生導師。

李玉章，山東德州，青島科技大學，碩士。