基于西門子PCS控制的多流體自動配料系統(tǒng)

摘 要：目前多流體智能配料系統(tǒng)在國內(nèi)外處于起步、發(fā)展階段。隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，工業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，企業(yè)對工藝產(chǎn)線的升級改造迫在眉睫。國內(nèi)的配料系統(tǒng)多以人工操作為主，隨著人口紅利的消失、勞動力短缺、人員成本的上升，通過自動化、智能化的產(chǎn)線來提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的需求將會呈現(xiàn)井噴之勢。

關(guān)鍵詞：多流體；自動化；配料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.144

1 工程概況

精餾車間自動配料項(xiàng)目是某藥業(yè)公司實(shí)現(xiàn)50000噸泛酸鈣生產(chǎn)的重點(diǎn)自控項(xiàng)目，采用西門子過程控制系統(tǒng)（PCS）實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動控制功能，精餾釜和蒸餾塔的工作溫度通過開發(fā)特定PID模塊來實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，精確度為±1℃。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)通過傳感設(shè)備將信號傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行集中控制。項(xiàng)目中的主要傳感器為磁翻板液位計(jì)、熱電阻、壓力變送器、流量計(jì)等，主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣動薄膜切斷閥、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)料泵等組成； CPU采用西門子400H系列，組成硬冗余系統(tǒng)，分站采用ET200M系列，接口模塊使用IM153-2冗余接口模塊；上位機(jī)由1臺工程師站和2臺操作員站組成，此3套上位機(jī)同時(shí)讀取、操作下位機(jī)PCS中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了不同車間、不同崗位同時(shí)讀取、操作同一CPU數(shù)據(jù)的功能。此項(xiàng)目的實(shí)施不僅優(yōu)化了泛酸鈣的生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和質(zhì)量的雙提升，而且把操作人員從現(xiàn)場中解放出來，減少了人員編制并提高了生產(chǎn)安全。

2 系統(tǒng)主要功能及優(yōu)勢

2.1 系統(tǒng)主要功能

2.1.1 信號采集遠(yuǎn)傳

通過溫度、壓力、液位、流量等傳感器將測量的結(jié)果通過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號（4-20ma/PT100）并傳送到采集模塊，由于現(xiàn)場存在較多的大功率感性設(shè)備，信號電纜采用屏蔽電纜，儀表端進(jìn)行單端接地。

2.1.2 信號處理

信號處理作為控制系統(tǒng)的核心組成部分，獲得精確的信號信息是控制系統(tǒng)成功的關(guān)鍵所在，通過軟件手段去除干擾因素，根據(jù)測試結(jié)果將信號進(jìn)行準(zhǔn)確的處理，為控制系統(tǒng)的判斷提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、記錄、報(bào)警

通過DCS將信號進(jìn)行處理后，將工藝流程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息和工作狀態(tài)顯示在操作界面上，操作人員可以通過界面顯示的信息實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)的狀態(tài)，車間管理人員亦可以通過信息判斷產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、進(jìn)度等情況

2.1.4 設(shè)備狀態(tài)顯示、報(bào)警

通過操作畫面可以實(shí)時(shí)顯示每個(gè)反應(yīng)釜的溫度、液位、壓力等參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)將產(chǎn)生報(bào)警（操作界面報(bào)警和聲光報(bào)警燈等多種形式）。

2.1.5 系統(tǒng)自診斷功能

通過對控制系統(tǒng)各部分的工作情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)檢測到來自傳感器或輸送給執(zhí)行元件的故障信號時(shí)，立即進(jìn)行報(bào)警。

2.1.6 閥門開度自動控制

通過PID控制實(shí)現(xiàn)閥門開度的自動調(diào)節(jié)，由于系統(tǒng)所配備的標(biāo)準(zhǔn)模塊無法達(dá)到現(xiàn)場的使用要求，通過對現(xiàn)有工藝參數(shù)的提取、分析，編寫特定的控制模塊以滿足現(xiàn)場控制的需要。

2.2 系統(tǒng)主要優(yōu)勢

控制系統(tǒng)采用集中式的控制結(jié)構(gòu)，主要操作模式為中控室控制和就地輔助控制，系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、運(yùn)行速度快、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由“上位計(jì)算機(jī)+PCS系統(tǒng)+流體配料控制閥門+信號采集傳感設(shè)備”組成。工程師站和操作員站具有不同的操作權(quán)限，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性和可靠性。上位系統(tǒng)可以通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程的可視化，最大程度的還原實(shí)際的生產(chǎn)情況，進(jìn)一步的減輕了操作人員的生產(chǎn)壓力，提高工作效率。

3 工作原理

系統(tǒng)分為自動控制和手動控制兩種控制模式。在自動模式下，現(xiàn)場信號采集設(shè)備（熱電阻、流量計(jì)、液位計(jì)、壓力變送器等）將采集信號通過輸入模塊傳輸?shù)絇CS，PCS通過對信號的內(nèi)部處理將結(jié)果反饋給現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)狀態(tài)將在上位系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。在手動模式下，操作人員通過手動輸入閥門的開關(guān)狀態(tài)和開度來調(diào)節(jié)現(xiàn)場閥門的工作狀態(tài)，工作流程為“上位輸入閥門狀態(tài)值-PCS處理狀態(tài)信息-通過輸出模塊輸出信號-閥門動作”。

3.1 系統(tǒng)組成

（1）上位機(jī)：上位機(jī)采用研華工控機(jī)，配備WINDOWS操作系統(tǒng)，操作軟件采用西門子WINCC上位組態(tài)軟件，該軟件穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、同時(shí)可以連接多套控制操作系統(tǒng)。冗余軟件采用SIMATIC.NET和REDCONNECT軟件，用來實(shí)現(xiàn)多操作站和冗余控制器的通訊功能，通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場PCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。組態(tài)界面依據(jù)現(xiàn)有控制系統(tǒng)操作界面編制。

（2）DCS：選用西門子414-5H PCS，主站主要用于現(xiàn)場設(shè)備控制，可滿足對現(xiàn)代自動化系統(tǒng)在可用性、智能化和分散化方面提出的高要求；分站選用西門子ET200M分站模塊，具有對裝配和設(shè)備進(jìn)行的開環(huán)控制、閉環(huán)控制和監(jiān)視的功能，主要用于現(xiàn)場I/O控制。

（3）觸摸屏。觸摸屏在部分功能上可以代替上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行配料流程的顯示、配方管理、系統(tǒng)操作等。由于觸摸屏存儲空間少，不能存儲配料數(shù)據(jù)，沒有報(bào)表查詢、打印等功能。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目多流體智能配送系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集并監(jiān)控到整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，管理系統(tǒng)采用的是成熟平臺系統(tǒng)，支持SqlServer、Oracle等主流數(shù)據(jù)庫。PCS控制模塊采用我公司根據(jù)客戶現(xiàn)場情況研制的PID模塊，該模塊能夠根據(jù)溫度的設(shè)定值自動改變調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)溫度控制的功能，該控制模塊具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和適用性，可在不同工位、不同物料配置后使用。通過對物料配送的智能化控制，顯著地提高了生產(chǎn)效率、降低了人員成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性，對企業(yè)的新舊動能轉(zhuǎn)換和精益生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王再英.過程控制儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]俞金壽.過程自動化及儀表[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]張萬忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[4]施仁.自動化儀表與過程控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5]孟華.工業(yè)過程檢測與控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[6]江孝國，王婉麗，祁雙喜.高精度PID溫度控制器[J].電子與自動化，2000（05）.

作者簡介：崔維賢（1991-），男，山東嘉祥人，本科，助理工程師，從事電氣工程工作。