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一、目簡介項(xiàng)
山東海化股份有限公司天祥化工廠
山東海化股份有限公司座落在世界著名的風(fēng)箏之都山東省濰坊市西北部渤海萊洲灣南畔，是由國有特大型企業(yè)山東海化集團(tuán)有限公司作為獨(dú)家發(fā)起人，于1998年5月在深圳證券交易所掛牌交易的上市公司。下設(shè)純堿廠、天祥化工廠等多家子公司。
山東海化，以發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)，致力于發(fā)展海洋化工，依托當(dāng)?shù)氐锰飒?dú)厚的鹽資源優(yōu)勢，成功開發(fā)出以純堿為主導(dǎo)產(chǎn)品核心，以溴素、三聚氰胺、氯化鈣、硝酸鈉、亞硝酸鈉等主要產(chǎn)品為輔助，由堿系列、溴系列、苦鹵化工、精細(xì)化工等產(chǎn)品構(gòu)成的產(chǎn)品系列。純堿、溴素、溴化物、氯化鈣、三聚氰胺等多種產(chǎn)品的市場占有率雄居全國首位。
進(jìn)入21世紀(jì)以后，山東海化加快了發(fā)展的步伐，先后上馬了純堿廠60萬噸/年純堿項(xiàng)目，天祥化工廠4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項(xiàng)目。
同時(shí)山東海化與西門子的合作也進(jìn)入了一個(gè)新階段，以上這四套裝置的DCS系統(tǒng)全部采用了西門子PCS7，主要由上海西門子工業(yè)自動(dòng)化有限公司集成。
山東海化純堿廠60萬噸/年純堿裝置已于2004年初投入運(yùn)行，三年來取得了很好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果，使純堿廠成為亞洲最大的純堿生產(chǎn)廠。
山東海化天祥化工廠，成立于2004，致力于化工產(chǎn)品生產(chǎn)。先后建設(shè)了4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項(xiàng)目。為山東海化向化工產(chǎn)業(yè)的縱深發(fā)展邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐。
上海西門子工業(yè)自動(dòng)化有限公司近年來完成了多個(gè)化工裝置的控制系統(tǒng)，如江蘇梅蘭離子膜一期、二期，江蘇梅蘭PTFE，山東亞星離子膜，山東亞星雙氧水，上海賽科空分等，具備化工裝置控制系統(tǒng)集成的較強(qiáng)實(shí)力和豐富經(jīng)驗(yàn)。這些項(xiàng)目的成功實(shí)施同時(shí)也證明了PCS7在化工領(lǐng)域運(yùn)用的優(yōu)越性。
二、生產(chǎn)工藝
山東海化股份有限公司天祥化工廠5萬噸/年苯胺裝置
苯胺裝置采用化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院提供的生產(chǎn)工藝，該工藝主要分為硝化單元、還原單元、精制單元、廢酸濃縮單元、廢水處理單元和氫壓機(jī)單元。各單元簡介如下：
1．硝化單元
苯和硝酸反應(yīng)(83％的硫酸作為催化劑)，生成硝基苯，并產(chǎn)生68－70％的廢酸。
2．還原單元
硝基苯經(jīng)過初餾塔和精餾塔精制后成為精硝基苯；精硝基苯加氫還原（單銅硅膠為催化劑），生成粗苯胺。
3．精制單元
粗苯胺經(jīng)過脫水塔和精餾塔精制后成為精苯胺，精苯胺為最終產(chǎn)品。
4．廢酸濃縮單元
廢酸經(jīng)提取去除硝酸后蒸發(fā)成為83％的硫酸，再供硝化使用；
5．廢水處理單元
在硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的廢水，經(jīng)廢水汽提塔回收部分硝基苯后去污水處理單元進(jìn)行處理。
6．氫壓機(jī)單元
共4各氫壓機(jī)組，用于氫氣的壓縮，壓縮空氣供加氫還原使用。
由于苯胺裝置具有易燃易爆的特點(diǎn)，在本體設(shè)計(jì)時(shí)增加了很多防爆的安全裝置，如采用加固裝置、安全閥、防爆閥和信號(hào)隔離等。同時(shí)還采取了德國HIMA提供的ESD緊急停車系統(tǒng)，以降低裝置運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。ESD通過Modbus和DCS進(jìn)行通訊。
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
該裝置監(jiān)控系統(tǒng)為SIEMENS PCS7 V6.1 SP1。
SIEMENS PCS（Process Control System）7系統(tǒng)是面向工業(yè)過程的分布式的全集成控制系統(tǒng)，它綜合了DCS、PLC及現(xiàn)場總線的技術(shù)。
開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、開放式操作系統(tǒng)以及開放式接口使公司范圍內(nèi)，即從生產(chǎn)級(jí)到管理級(jí)的整個(gè)信息系統(tǒng)最優(yōu)化；在全集成自動(dòng)化的環(huán)境下，采用統(tǒng)一的自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制和管理。
全集成自動(dòng)化方案就是用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能。應(yīng)用這種解決方案，可以大大簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少了大量接口部件，應(yīng)用全集成自動(dòng)化可以克服上位機(jī)和各工業(yè)控制器之間，連續(xù)控制和邏輯控制之間，集中與分散之間的界限。同時(shí)，全集成自動(dòng)化解決方案還可以為所有的自動(dòng)化應(yīng)用提供統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境，基于這種環(huán)境，技術(shù)人員可以在同一個(gè)平臺(tái)下對(duì)所有應(yīng)用進(jìn)行組態(tài)和編程。
本監(jiān)控系統(tǒng)采用了西門子400系列冗余控制器：2套CPU 417-4H（儀表部分YB1、YB2）和1套CPU 414-4H（電氣部分DQ）。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：CPU冗余、電源冗余、I/O冗余、Profibus-DP冗
余、以太網(wǎng)冗余、服務(wù)器冗余，冗余SERVER-CLIENT結(jié)構(gòu)，雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)、終端網(wǎng)絡(luò)為局域網(wǎng)。穩(wěn)定性顯而易見，同時(shí)還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和移植性。
DCS系統(tǒng)通過西門子通訊卡件CP341和ESD系統(tǒng)通訊，采用Modbus485通訊協(xié)議，組態(tài)設(shè)置和編程都十分簡單易懂。ESD把自身的狀態(tài)及其采集的信號(hào)狀態(tài)、ESD報(bào)警和動(dòng)作等信息通訊給DCS，以方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采用相應(yīng)措施以維持裝置的安全運(yùn)行。
下圖為YB1 CPU柜的前視圖：
下圖為YB1硬件配置圖：
四、控制系統(tǒng)完成的重點(diǎn)分析
基于苯胺裝置的危險(xiǎn)性，在工程之初，設(shè)計(jì)院、海化天祥化工廠及上海西門子工業(yè)自動(dòng)化有限公司就對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的安全性能做了深入分析，采用了大量的安全柵、繼電器以隔離防爆；同時(shí)增強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)的冗余，特別是IO冗余。同時(shí)海化天祥化工廠的工程師還提出了控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控。
這里，就IO冗余和控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)監(jiān)控作一些分析。
1. IO冗余
下圖為IO冗余結(jié)構(gòu)示意圖，冗余卡件的使用，使得當(dāng)一個(gè)卡件或通道故障時(shí)相應(yīng)的IO信號(hào)仍然能夠保持正常。
本項(xiàng)目中，用到了AI冗余、AO冗余、DO冗余和Modbus冗余，這里以AI冗余為例說明。
AI冗余分為帶有冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式：
和接入非冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式：
在本項(xiàng)目中，模擬量輸入為4線制或2線制4－20mA信號(hào)，傳感器不冗余，AI卡件為6ES7 331-7KF02-0AB0，故采用了第二種方式中的間接電流測量方式。
1.1 硬件設(shè)計(jì)
下圖為接線原理圖:
由于一個(gè)信號(hào)要接入兩個(gè)卡件，所以我們采用了冗余端子，AI冗余端子結(jié)構(gòu)如下（僅為示意圖，冗余端子可由有資質(zhì)的柜廠訂做或者向有資質(zhì)的第三方購買）：（R1、R2為250歐姆）
當(dāng)信號(hào)為4－20mA 2線制時(shí)，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應(yīng)通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應(yīng)通道）
當(dāng)信號(hào)為4－20mA 4線制時(shí)，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應(yīng)通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應(yīng)通道）
1．2 組態(tài)設(shè)置
設(shè)置控制器過程影像分區(qū)：
卡件冗余設(shè)置：
輸入設(shè)置，在本項(xiàng)目中測量類型應(yīng)為1－5V電壓類型而非4－20mA電流型：
地址設(shè)置，過程影像區(qū)設(shè)為PIP1：
注：以上設(shè)置只對(duì)主卡件（低地址）設(shè)置，可以認(rèn)為備用卡件不存在。
1．3 CFC
在CFC中，只需對(duì)冗余IO的低地址進(jìn)行組態(tài)，可以認(rèn)為高地址的卡件不存在；且冗余IO的驅(qū)動(dòng)塊必須放在和卡件過程影像區(qū)對(duì)應(yīng)的OB中，否則有可能出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定。本項(xiàng)目中，卡件過程影像區(qū)為PIP1，對(duì)應(yīng)的OB為OB35，所以驅(qū)動(dòng)塊應(yīng)放在OB35中。如下圖所示：
2. Plant Bus環(huán)網(wǎng)監(jiān)控
2．1 OSM狀態(tài)監(jiān)視
2．1．1 OSM設(shè)置
運(yùn)行PST工具s7wnpstx.exe（該工具可以從西門子網(wǎng)站上免費(fèi)下載），設(shè)
置OSM的地址。具體步驟可參見其幫助信息，這里不一一說明。
打開IE EXPLORER，輸入 http://192.168.0.201/，打開如上網(wǎng)頁，Login ID為admin，Password默認(rèn)為admin。在如下的OSM配置頁面內(nèi)可以對(duì)OSM進(jìn)行具體配置，如，是否監(jiān)視電源輸入，是否監(jiān)視兩個(gè)光纖口的狀態(tài)，等等。
2．1．2 OPC設(shè)置
添加OPC SNMP節(jié)點(diǎn)OSM，做相應(yīng)設(shè)置并Export Tags for Wincc（具體步驟略）。
經(jīng)過以上步驟，在Wincc項(xiàng)目中生成了OPC連接Simatic_OpcsvrConn，如下圖所示：
參數(shù)SNMP_OSM.snOsmFaultState的值在OSM正常時(shí)為1，故障時(shí)為2。
2．1．3 注冊(cè)O(shè)SM OCX控件
在Graphics Designer 中，注冊(cè)O(shè)SM_Control_1_active X.ocx（該控件可從西門子網(wǎng)站下載），并在相應(yīng)畫面中添加該控件，且  設(shè)置如下。 
運(yùn)行后，可監(jiān)視OSM狀態(tài)  。點(diǎn)擊該圖標(biāo)，OSM具體狀態(tài)如下。 
2．2 環(huán)網(wǎng)監(jiān)控
2．2．1 OPC Scout
運(yùn)行OPC Scout，把OSM的相關(guān)參數(shù)添加到OPC，并生成連接OPC_SimaticNet，如下圖（具體步驟略）。
2．2．2 畫面組態(tài)
參數(shù)OSMsnRmState在環(huán)網(wǎng)正常時(shí)的值為1，環(huán)網(wǎng)故障時(shí)為2，因此可在畫面中組態(tài)以判斷環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。
在相應(yīng)畫面添加一個(gè)Ellipse代表環(huán)網(wǎng)，其Flashing屬性的Flashing Line Active設(shè)置如下動(dòng)態(tài)連接，就可以監(jiān)視環(huán)網(wǎng)狀態(tài)了。
動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置如下：
畫面監(jiān)視如下：
2．3 OSM及環(huán)網(wǎng)的報(bào)警
可以通過Global Script把SNMP_OSM.snOsmFaultState和OSMsnRmState的值讀取到某個(gè)DB塊中，再通過CFC可以對(duì)OSM狀態(tài)及環(huán)網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視并進(jìn)行聲音報(bào)警設(shè)置等。
五、項(xiàng)目運(yùn)行
該苯胺裝置已于2006年10下旬進(jìn)行試車，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常。
六、應(yīng)用體會(huì)
全集成的過程控制系統(tǒng)PCS7為用戶提供了統(tǒng)一的平臺(tái)，它的開放性和組態(tài)功能的強(qiáng)大在本項(xiàng)目中得到了充分應(yīng)用。
SIMATIC PCS7是西門子公司結(jié)合最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，在西門子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，面向所有過程控制應(yīng)用場合的先進(jìn)過程控制系統(tǒng)。 SIMATIC PCS7采用優(yōu)秀的上位機(jī)軟件WinCC作為操作和監(jiān)控的人機(jī)界面，利用開放的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和系統(tǒng)通訊，采用S7自動(dòng)化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實(shí)現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號(hào)。
SIMATIC PCS7是基于全集成自動(dòng)化思想的系統(tǒng)，其集成的核心是統(tǒng)一的過程數(shù)據(jù)庫和唯一的數(shù)據(jù)庫管理軟件，所有的系統(tǒng)信息都存儲(chǔ)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫中而且只需輸入一次，這樣就大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性和信息的準(zhǔn)確性。
SIMATIC PCS7的通訊系統(tǒng)采用的是工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場總線。工業(yè)以太網(wǎng) 用于系統(tǒng)站之間的數(shù)據(jù)通訊。
SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件和現(xiàn)場設(shè)備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級(jí)編程語言。現(xiàn)場設(shè)備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設(shè)備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等標(biāo)準(zhǔn)接口，并且應(yīng)用以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線等開放網(wǎng)絡(luò)，從而具有很強(qiáng)的開放性，可以很容易地連接上位機(jī)管理系統(tǒng)和其它廠廠商的控制系統(tǒng)。
全集成自動(dòng)化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)總圖操作員站和服務(wù)器采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶機(jī)與服務(wù)器之間通過100MHz以太網(wǎng)通訊。服務(wù)器與AS417H自動(dòng)化系統(tǒng)的CPU之間采用光纜介質(zhì)連接，通過100MHz的工業(yè)以太網(wǎng)來交換數(shù)據(jù).PCS7系統(tǒng)的工程師站同時(shí)掛在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，即連接客戶機(jī)/服務(wù)器的100MHz以太網(wǎng)和連接自動(dòng)化系統(tǒng)的CPU的100MHz工業(yè)以太網(wǎng)。工程師站可以完成控制畫面和控制策略的組態(tài)。
AS417H自動(dòng)化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程I/O子站的通訊采用PROFIBUS-DP。AS417H通過PROFIBUS-DP的專用雙絞線直接與遠(yuǎn)程I/O子站相連接。其它AS417H將通過冗余的光纜和冗余的接口模塊與各自的遠(yuǎn)程I/O子站進(jìn)行通訊，滿足分散控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范書中(1.5工廠及裝置簡況)提出的要求。
SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件和現(xiàn)場設(shè)備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級(jí)編程語言SCL。SCL是一種類PASCAL的高級(jí)語言，它采用IEC－1131的標(biāo)準(zhǔn)。利用SCL可以很方便地編制用戶功能塊。用SCL生成的功能塊可在CFC中被多次調(diào)用。用戶可以把過程的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制策略用SCL編成功能塊，直接下載到控制器中運(yùn)行。這樣，可以把過程的優(yōu)化控制放在控制器中，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過程的優(yōu)化控制。如能熟練使用連續(xù)控制、順序控制及高級(jí)編程語言SCL就可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。許多工藝控制上的難點(diǎn)就會(huì)迎刃而解。
附件
苯胺裝置正面圖：
精餾塔和循環(huán)硫化床：
還原畫面：（由于牽涉到技術(shù)秘密，天祥化工廠不允許拷貝運(yùn)行的畫面，這里以組態(tài)界面代替）
系統(tǒng)連鎖畫面：
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