基于PCS7的干燥控制系統的設計與實現

高偉

【摘? 要】論文以SCR催化劑生產企業生產線中的干燥爐控制系統項目為背景，以SCR催化劑干燥工序中的干燥設備控制為研究和設計對象，針對干燥工藝控制的特殊要求，采用西門子公司的PCS7過程控制系統來設計干燥爐的控制系統。論文設計了干燥工藝順序控制程序，按SCR催化劑干燥的特定工藝要求順序執行干燥過程，溫度控制采用PID分組參數控制方法，為達到對干燥爐的精確控制，設計了專門的調節閥控制塊。通過PCS7軟件設計了上位機程序，實現各干燥爐的參數監控、干燥順控程序管理、記錄過程數據和生產數據、生成報表、查詢數據等功能。

【Abstract】This paper takes the drying furnace control system project in the production line of SCR catalyst production enterprise as the background， takes the drying equipment control in the drying process of SCR catalyst as the research and design object， and adopts Siemens PCS7 process control system to design the drying furnace control system according to the special requirements of drying process control. This paper designs the drying process sequence control program， executes the drying process according to the sequence required by the specific process of SCR catalyst drying， and adopts PID grouping parameter control method for temperature control. In order to achieve the accurate control of the drying furnace， a special control valve control module is designed. This paper designs the host computer program through PCS7 software to realize the functions， including parameter monitoring of each drying furnace， drying sequence control program management， recording process data and production data， generating reports， querying data， etc.

【關鍵詞】PCS7;干燥爐;過程控制系統

【Keywords】PCS7; drying furnace; process control system

【中圖分類號】TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0182-03

1 引言

隨著電廠脫硝SCR催化劑市場的飽和，鋼鐵、玻璃、水泥、化工等行業企業需求不斷地增加，全國催化劑廠家的不斷競爭，造成各家催化劑企業的成本壓力不斷增加，市場對SCR催化劑的需求不再以量大為特征，個性化、小規模、供貨周期短等因素，使得SCR催化劑企業不但從管理方面、產品研發方面，還從生產設備方面進行優化和改進，以滿足市場的需求。本文根據SCR生產的實際需求，以提高控制系統的可靠性和精度性為目標，適應個性化、小批量多變生產，降低系統能耗、結合原有干燥爐的硬件，將控制系統進行優化設計，最終滿足了優化生產工藝的需求。

2 SCR催化劑干燥控制系統的設計方案

2.1 SCR催化劑干燥控制系統的特點

系統采用快干型SCR催化劑工藝。干燥時間在48h左右，相比傳統催化劑干燥系統縮短了大量的時間，其單個體積較小，干燥溫度最高達到115℃，干燥效率較高，為了在快速干燥過程中不出現產品缺陷，在原料中加入了很多的化學原料以保證快干中不易出現缺陷。在干燥過程中對溫度的控制要求較高，一旦溫控沒有被嚴格控制，便會造成放熱反應，溫度會急劇上升到800℃，嚴重時會發生爆炸。因而，設備的結構比傳統的干燥設備更為復雜，系統由風機對蒸汽換熱器進行循環換熱，通過蒸汽調節閥控制換熱器的蒸汽，從而控制干燥溫度，快速關斷閥用于緊急關斷蒸汽。因此，對控制系統的可靠性、控制精度和安全聯鎖都提出了較高的要求。

2.2 SCR催化劑干燥爐的結構

干燥爐就是一個箱式干燥器，基本結構如圖1所示，干燥爐箱體前有爐門，可開啟后裝入需干燥的產品，由廢氣處理設備的余熱鍋爐提供的蒸汽通過換熱器由循環風機進行循環為干燥爐內的產品提供熱源，調節閥控制進入換熱器的蒸汽量從而控制循環的風的溫度，干燥過程中所需的新鮮空氣由循環風管道上的新鮮空氣調節閥進行控制[1]。干燥過程中不同工藝段所產生的廢氣不同，低溫時無有機物產生，低溫時的氣體將直接排放到大氣中，隨著溫度的升高，干燥爐中的產品會產生有機物，這些有機物必須經過高溫焚燒并降溫后才能排到大氣中，溫度高時產生的氣體將送到廢氣處理設備進行處理，含有機物的氣體經過高溫焚燒后去除了有機物，高溫的氣體經余熱鍋爐換熱產生蒸汽提供給干燥爐的換熱器，為干燥提供熱源，經過余熱鍋爐的氣體降低了溫度，達標的排入大氣中，換熱器產生的冷凝水到冷凝水回收系統統一收集進行再利用。

通過公共廢氣管道線、蒸汽管線、冷凝水回水管線、控制管線等將14個干燥爐連接成一套系統。

2.3 SCR催化劑干燥爐控制系統的構成

干燥操作系統選用PCS7過程控制系統，自動化站AS采用H CPUs熱備冗余系統[2]，上位機OS采用上位機冗余，這樣從監控到控制都實現了冗余，當上位機OS中任何一臺發生故障后都不會影響操作人員對控制系統的監控，當故障排除投入運行后，系統會自動進行同步實現2臺上位機上的數據保持一致。控制站AS中2臺西門子417-4H的CPU進行熱備份實現冗余，正常運行時2個CPU同時工作，自動進行事件同步，在編程和下載程序時只考慮單個CPU，程序可自動拷貝到另一個CPU當中，主從CPU可以無擾動切換，故障排除后自動再投入運行。

干燥爐控制系統軟件分為2個部分。一部分為上位機，它包括工程師站項目組態軟件、上位機監控軟件;另一部分為自動化站控制軟件即控制程序。上位機的監控軟件和控制程序都是在工程師站ES上安裝的PCS7軟件SIMATIC Manager中進行設計制作，因公司其他設備使用的過程控制系統軟件為PCS7 V7.0 SP2版本，因此，本次設計使用的版本是西門子PCS7 V7.0 SP2。

上位機部分由一臺工程師站兼作操作員站的ES/OS和一臺操作員站OS組成，這2臺上位機組態為冗余。ES/OS在項目初期用于整個項目的組態、軟件編程等工作，項目完成后主要作為操作員站，用于干燥系統的監控，當系統出現問題時作為ES用于維護。OS主要用于操作員進行工藝監控。

自動化站由一套冗余的西門子S7-400系統組成，2塊417H CPU（含同步模塊）、2塊以太網通訊卡[3]。400CPU通過PROFIBUS現場網絡擴展8個分散式I/O站點，為使干燥爐系統可靠性增加，采用每2個干燥爐使用1個I/O站點，7個站點14個干燥爐，剩下1個站點用于公共部分如廢氣、直排管道等部分。整個控制系統的網絡由2個部分組成，一部分為系統總線由以態網組成，這一層網絡用于連接上位機與自動化站;另一部分為現場總線由冗余PROFIBUS DP構成，整個干燥爐控制系統結構如圖2所示。

整個控制系統的設計是在工程師站ES上安裝的PCS7軟件下進行。在PCS7的SIMATIC Manager中創建項目。SIMATIC Manager有2種視圖模式，一種是組件視圖;另一種是工廠視圖。在組件視圖中主要完成硬件組態（包括AS硬件組態和OS硬件組態）、網絡組態、組態數據配置與下載;工廠視圖主要完成工廠層級的設置、程序的設計（包括AS程序和OS程序），本次的項目名為PLANT、干燥爐控制系統的項目名為DRYER。

為實現工藝控制要求，需要設計干燥工藝順序控制程序、干燥程序結束時間推算塊、閥門控制塊，以及對干燥爐內溫度的精確控制，上位機需要實現干燥工藝順序控制程序的管理、生產數據的記錄查詢打印等功能。

3 控制系統軟硬件設計

3.1 控制系統硬件的設計

自動化站AS選用西門子S7 400系列CPU417-4H冗余控制器，IO模塊選用S7 300系列模塊，整個控制需要RACK：機架、底板、PS電源，CPU：中央處理器，CP：通訊處理器，ET200M：擴展標準I/O設備安裝S7-300模塊，IM153.2：總線接口模塊，RTD：熱電阻，DI：數字量輸入，AI：模擬量輸入，DO：數字量輸出等器件。系統網絡選用冗余的以太網，現場總線選用冗余的PROFIBUS DP。通過進一步考慮可靠性，DP站點采用2個干燥爐掛在一個機架上，這樣將整體的14個干燥爐和公共部分分配到8個分布式I/O站上去，這樣分配即使某個站點出現問題不會影響到其他站點的干燥爐運行，可將出問題后的損失降到最低。

一臺干燥爐的信號設計：通過PT100溫度傳感器采集的模擬輸入溫度RTD信號3個，通過RTK閥門電位器采集的模擬閥位信號（0～10V電壓信號）4個，通過濕度傳感器采集的模擬濕度信號（4～20mA電流信號）1個，控制閥門開關狀態的數字輸出控制信號12個，通過閥門反饋的數字輸入信號5個。

整套干燥系統由14臺干燥爐和公共系統組成，因此，系統設計信號為：RTD信號42個，0～10V信號56個、4～20mA信號14個、開關輸出信號168個，開關輸入信號70個。考慮公共管線的信號與10%的備用點位以及CPU、接口模塊、通訊模塊等，系統的硬件考慮統計如表1所示。

AS硬件組態需在PCS7 V7.0 SP2平臺下的組件視圖下的“HW Config”軟件中進行。AS部分要組態冗余的417-4H冗余控制器和由冗余控制器通過冗余的PROFIBUS DP現場總線擴展8個現場分布式I/O站，組態時需對417-4H冗余控制器分配IP地址，主控制器IP設為192.168.0.1，冗余控制器IP設為192.168.0.2，8個現場分布式I/O站DP地址分配分別為5～12，每個分布式I/O由ET200M擴展，ET200M由2塊IM153-2組成，它們分別連接到機架0和機架1上的CPU引出的PROFIBUS DP現場總線上，每個分布式I/O上掛接了不同數量AI、DI、DO模塊。AS硬件組態完成后如圖3所示。

3.2 控制系統控制站程序的設計

控制系統AS控制程序主要有工藝順控程序、開關閥控制程序、調節閥控制程序、風機控制程序以及溫度PID調節控制程序。工藝順控程序主要完成將數據庫中預先存儲的工藝數據讀出，并按工藝數據控制各器件，按預定的要求進行控制，推算結束時間，同時，可對順序控制程序進行暫停、跳轉、重新調整等;開關閥及風機按順控程序的指令進行動作;控制程序中最關鍵的程序為PID調節控制程序。由于工藝的需要，在低溫和高溫時的PID相應要求和控制精度不同，工藝順控程序在不同階段給PID不同的參數用于適應工藝控制要求。

控制程序中PID采用PCS7標準庫中的連續型PID控制器CTRL_PID（FB61）進行溫度控制，采用PCS7中自定義功能塊功能，在SCL中進行編程，實現項目所需的工藝順控程序、開關閥控制程序、風機控制程序等專用功能塊[4]，其中的1臺干燥爐的控制程序的整體結構如圖4所示，完成一臺干燥爐程序后并調試通過后，將其建立成模型，通過導入

模型的方式，實現其他干燥爐的程序。

3.3 控制系統上位機軟件的設計

上位機程序的設計主要使用的是PCS7中的WINCC軟件，與單純的WINCC軟件有所不同，該WINCC中的變量、報警、記錄、網絡、配置、部件的圖塊及控制面板等都是在PCS7中做好組態后編譯得到，大大地簡化了設計過程，干燥爐的上位機畫面如圖1所示，其中工藝流程畫面為手工繪制，風機、閥門、PID控制塊等都是通過編譯得到，特別注意的是，在PCS7中自定的塊，圖塊也需要進行編程設計，只有這樣才能通過編譯得到。

4 整套控制系統的實現

本文設計的干燥爐控制系統是在原有干燥爐基礎上進行改造升級，在原控制系統的控制旁增加一套新的400H CPU、通訊卡及上位機，先將待改造升級的1個站點與2臺干燥爐接入新的PCS7系統，其他干燥爐保持原有的運行模式，接入的站點調試運行成功后，再接入另一個站點進行調試，以此類推最終實現整個系統的改造升級。

5 結語

通過對整套控制系統的分析及工藝需求的探討，在沒有原系統原始程序的條件下，先改造其中2臺爐，成功后再對其他爐進行改造升級，整個改造升級過程僅會短時影響2臺爐的生產，最大限度地減小對生產的影響，避免了整體升級改造對企業帶來的生產損失，所設計的控制系統經過長期的運行，實現了產品多樣化生產、研發產品的快速批量生產、產品的定制等功能，為該催化劑企業有效參與市場競爭作出了巨大的貢獻。

【參考文獻】

【1】T. Kudra.Energy Performance of Convective Dryers[J].Drying Technology，2012，30（11-12）：190-1198.

【2】葉方威，薛士龍.基于PCS7的加熱爐控制方案設計及實施[J].化工自動化及儀表，2014，41（5）：545-549.

【3】尚朝奇，李杰.基于PCS7的發電廠脫硫系統特殊功能塊設計[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2013（11）：290-291.

【4】李康.PCS7自定義功能塊在粘膠短纖維生產控制中的應用[J].自動化技術與應用，2012，31（5）：47-51.