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Siemens Pcs7在山东海化苯胺项目中的应用

产品部门:AS    所属行业:其它工业领域工程
来源:杜家全 (上海西门子工业自动化有限公司, 上海)

摘要:本文简要介绍了全集成自动化控制系统PCS7在山东海化天祥化工厂5万吨/年苯胺装置中的应用,PCS7系统的全集成性和开放性及强大功能在本项目中得到了充分应用,PCS7组态的方便性和多种工具的应用也为控制技术人员的集成、组态和调试带来了很大方便。本文着重介绍了本项目的两个重点:IO冗余和控制网的监控。 
关键词:全集成自动化  PCS7  IO冗余  控制网 
Abstract

This paper introduces the application of TIA process control system PCS7 in 50,000 ton / year aniline project, Tianxiang Chemical Factory of Shandong Haihua Group Company. The speciality of TIA and openness of PCS7 is implemented in the project, good characteristics and many useful tools make the integration, configuration and commissioning easier for engineers. IO redundancy and plant bus monitoring are two important point. 
Key Words: TIA   PCS7    IO redundancy    Plant bus

 一、目简介项


山东海化股份有限公司天祥化工厂

山东海化股份有限公司座落在世界著名的风筝之都山东省潍坊市西北部渤海莱洲湾南畔,是由国有特大型企业山东海化集团有限公司作为独家发起人,于1998年5月在深圳证券交易所挂牌交易的上市公司。下设纯碱厂、天祥化工厂等多家子公司。山东海化,以发展循环经济为主导,致力于发展海洋化工,依托当地得天独厚的盐资源优势,成功开发出以纯碱为主导产品核心,以溴素、三聚氰胺、氯化钙、硝酸钠、亚硝酸钠等主要产品为辅助,由碱系列、溴系列、苦卤化工、精细化工等产品构成的产品系列。纯碱、溴素、溴化物、氯化钙、三聚氰胺等多种产品的市场占有率雄居全国首位。进入21世纪以后,山东海化加快了发展的步伐,先后上马了纯碱厂60万吨/年纯碱项目,天祥化工厂4万吨/年甲烷氯化物、10万吨/年乙酸乙酯和5万吨/年苯胺项目。同时山东海化与西门子的合作也进入了一个新阶段,以上这四套装置的DCS系统全部采用了西门子PCS7,主要由上海西门子工业自动化有限公司集成。山东海化纯碱厂60万吨/年纯碱装置已于2004年初投入运行,三年来取得了很好的经济运行效果,使纯碱厂成为亚洲最大的纯碱生产厂。山东海化天祥化工厂,成立于2004,致力于化工产品生产。先后建设了4万吨/年甲烷氯化物、10万吨/年乙酸乙酯和5万吨/年苯胺项目。为山东海化向化工产业的纵深发展迈出了坚实的步伐。上海西门子工业自动化有限公司近年来完成了多个化工装置的控制系统,如江苏梅兰离子膜一期、二期,江苏梅兰PTFE,山东亚星离子膜,山东亚星双氧水,上海赛科空分等,具备化工装置控制系统集成的较强实力和丰富经验。这些项目的成功实施同时也证明了PCS7在化工领域运用的优越性。
 二、生产工艺


山东海化股份有限公司天祥化工厂5万吨/年苯胺装置

苯胺装置采用化学工业第二设计院提供的生产工艺,该工艺主要分为硝化单元、还原单元、精制单元、废酸浓缩单元、废水处理单元和氢压机单元。各单元简介如下:

1.硝化单元
苯和硝酸反应(83%的硫酸作为催化剂),生成硝基苯,并产生68-70%的废酸。
2.还原单元
硝基苯经过初馏塔和精馏塔精制后成为精硝基苯;精硝基苯加氢还原(单铜硅胶为催化剂),生成粗苯胺。
3.精制单元
粗苯胺经过脱水塔和精馏塔精制后成为精苯胺,精苯胺为最终产品。
4.废酸浓缩单元
废酸经提取去除硝酸后蒸发成为83%的硫酸,再供硝化使用;
5.废水处理单元
在硝化反应中产生的废水,经废水汽提塔回收部分硝基苯后去污水处理单元进行处理。
6.氢压机单元
共4各氢压机组,用于氢气的压缩,压缩空气供加氢还原使用。

由于苯胺装置具有易燃易爆的特点,在本体设计时增加了很多防爆的安全装置,如采用加固装置、安全阀、防爆阀和信号隔离等。同时还采取了德国HIMA提供的ESD紧急停车系统,以降低装置运行的风险。ESD通过Modbus和DCS进行通讯。
 
三、控制系统构成
  该装置监控系统为SIEMENS PCS7 V6.1 SP1。
SIEMENS PCS(Process Control System)7系统是面向工业过程的分布式的全集成控制系统,它综合了DCS、PLC及现场总线的技术。
开放式网络结构、开放式操作系统以及开放式接口使公司范围内,即从生产级到管理级的整个信息系统最优化;在全集成自动化的环境下,采用统一的自动化平台实现对整个工厂的自动化控制和管理。
全集成自动化方案就是用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能。应用这种解决方案,可以大大简化系统的结构,减少了大量接口部件,应用全集成自动化可以克服上位机和各工业控制器之间,连续控制和逻辑控制之间,集中与分散之间的界限。同时,全集成自动化解决方案还可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境,基于这种环境,技术人员可以在同一个平台下对所有应用进行组态和编程。

本监控系统采用了西门子400系列冗余控制器:2套CPU 417-4H(仪表部分YB1、YB2)和1套CPU 414-4H(电气部分DQ)。
系统结构如下:


DCS系统结构图
   本控制系统的特点是:CPU冗余、电源冗余、I/O冗余、Profibus-DP冗余、以太网冗余、服务器冗余,冗余SERVER-CLIENT结构,双层网络结构,控制网为环网、终端网络为局域网。稳定性显而易见,同时还具有很强的扩展性和移植性。
 DCS系统通过西门子通讯卡件CP341和ESD系统通讯,采用Modbus485通讯协议,组态设置和编程都十分简单易懂。ESD把自身的状态及其采集的信号状态、ESD报警和动作等信息通讯给DCS,以方便操作人员及时发现问题并采用相应措施以维持装置的安全运行。
     下图为YB1 CPU柜的前视图:


 下图为YB1硬件配置图:


四、控制系统完成的重点分析
  基于苯胺装置的危险性,在工程之初,设计院、海化天祥化工厂及上海西门子工业自动化有限公司就对监控系统的安全性能做了深入分析,采用了大量的安全栅、继电器以隔离防爆;同时增强了监控系统的冗余,特别是IO冗余。同时海化天祥化工厂的工程师还提出了控制网络环网的监控。
         这里,就IO冗余和控制网络环网监控作一些分析。
  1.    IO冗余
下图为IO冗余结构示意图,冗余卡件的使用,使得当一个卡件或通道故障时相应的IO信号仍然能够保持正常。


本项目中,用到了AI冗余、AO冗余、DO冗余和Modbus冗余,这里以AI冗余为例说明。
 AI冗余分为带有冗余传感器的冗余模拟量输入模板方式:


和接入非冗余传感器的冗余模拟量输入模板方式:


在本项目中,模拟量输入为4线制或2线制4-20mA信号,传感器不冗余,AI卡件为6ES7 331-7KF02-0AB0,故采用了第二种方式中的间接电流测量方式。
  1.1      硬件设计
下图为接线原理图:


由于一个信号要接入两个卡件,所以我们采用了冗余端子,AI冗余端子结构如下(仅为示意图,冗余端子可由有资质的柜厂订做或者向有资质的第三方购买):(R1、R2为250欧姆)


当信号为4-20mA 2线制时,接线方式如下:(CH1+/CH1-接入主卡件相应通道,CH2+/CH2-接入备用卡件相应通道)


当信号为4-20mA 4线制时,接线方式如下:(CH1+/CH1-接入主卡件相应通道,CH2+/CH2-接入备用卡件相应通道)


1.2     组态设置
设置控制器过程影像分区:


卡件冗余设置:


输入设置,在本项目中测量类型应为1-5V电压类型而非4-20mA电流型:


地址设置,过程影像区设为PIP1:


注:以上设置只对主卡件(低地址)设置,可以认为备用卡件不存在。
      1.3    CFC
 在CFC中,只需对冗余IO的低地址进行组态,可以认为高地址的卡件不存在;且冗余IO的驱动块必须放在和卡件过程影像区对应的OB中,否则有可能出现信号不稳定。本项目中,卡件过程影像区为PIP1,对应的OB为OB35,所以驱动块应放在OB35中。如下图所示:


2.    Plant Bus环网监控
  2.1    OSM状态监视
2.1.1 OSM设置    
运行PST工具s7wnpstx.exe(该工具可以从西门子网站上免费下载),设
置OSM的地址。具体步骤可参见其帮助信息,这里不一一说明。



打开IE EXPLORER,输入http://192.168.0.201/,打开如上网页,Login ID为admin,Password默认为admin。在如下的OSM配置页面内可以对OSM进行具体配置,如,是否监视电源输入,是否监视两个光纤口的状态,等等。


2.1.2     OPC设置


 添加OPC SNMP节点OSM,做相应设置并Export Tags for Wincc(具体步骤略)。


 经过以上步骤,在Wincc项目中生成了OPC连接Simatic_OpcsvrConn,如下图所示:


 参数SNMP_OSM.snOsmFaultState的值在OSM正常时为1,故障时为2。   2.1.3 注册OSM OCX控件
         在Graphics Designer 中,注册OSM_Control_1_active X.ocx(该控件可从西门子网站下载),并在相应画面中添加该控件,且设置如下。


运行后,可监视OSM状态。点击该图标,OSM具体状态如下。


2.2    环网监控
  2.2.1 OPC Scout
运行OPC Scout,把OSM的相关参数添加到OPC,并生成连接OPC_SimaticNet,如下图(具体步骤略)。


2.2.2 画面组态
参数OSMsnRmState在环网正常时的值为1,环网故障时为2,因此可在画面中组态以判断环网状态。在相应画面添加一个Ellipse代表环网,其Flashing属性的Flashing Line Active设置如下动态连接,就可以监视环网状态了。动态属性设置如下:


 画面监视如下:


2.3 OSM及环网的报警
可以通过Global Script把SNMP_OSM.snOsmFaultState和OSMsnRmState的值读取到某个DB块中,再通过CFC可以对OSM状态及环网状态进行监视并进行声音报警设置等。


五、项目运行
  该苯胺装置已于2006年10下旬进行试车,监控系统运行正常。
  六、应用体会
  全集成的过程控制系统PCS7为用户提供了统一的平台,它的开放性和组态功能的强大在本项目中得到了充分应用。
SIMATIC PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术,在西门子公司S5,S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上,面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。 SIMATIC PCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面,利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯,采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制,以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。
SIMATIC PCS7是基于全集成自动化思想的系统,其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件,所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次,这样就大大增强了系统的整体性和信息的准确性。
SIMATIC PCS7的通讯系统采用的是工业以太网和PROFIBUS现场总线。工业以太网 用于系统站之间的数据通讯。
SIMATIC PCS7采用符合IEC-1131-3国际标准的编程软件和现场设备库,提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块,可大大简化组态工作,缩短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等标准接口,并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络,从而具有很强的开放性,可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂厂商的控制系统。全集成自动化系统控制网络总图操作员站和服务器采用客户机/服务器结构,客户机与服务器之间通过100MHz以太网通讯。服务器与AS417H自动化系统的CPU之间采用光缆介质连接,通过100MHz的工业以太网来交换数据.PCS7系统的工程师站同时挂在两个网络上,即连接客户机/服务器的100MHz以太网和连接自动化系统的CPU的100MHz工业以太网。工程师站可以完成控制画面和控制策略的组态。
AS417H自动化系统与远程I/O子站的通讯采用PROFIBUS-DP。AS417H通过PROFIBUS-DP的专用双绞线直接与远程I/O子站相连接。其它AS417H将通过冗余的光缆和冗余的接口模块与各自的远程I/O子站进行通讯,满足分散控制系统技术规范书中(1.5工厂及装置简况)提出的要求。
SIMATIC PCS7采用符合IEC-1131-3国际标准的编程软件和现场设备库,提供连续控制、顺序控制及高级编程语言SCL。SCL是一种类PASCAL的高级语言,它采用IEC-1131的标准。利用SCL可以很方便地编制用户功能块。用SCL生成的功能块可在CFC中被多次调用。用户可以把过程的数学模型和优化控制策略用SCL编成功能块,直接下载到控制器中运行。这样,可以把过程的优化控制放在控制器中,全面实现对工艺过程的优化控制。如能熟练使用连续控制、顺序控制及高级编程语言SCL就可大大简化组态工作,缩短工程周期。许多工艺控制上的难点就会迎刃而解。
  附件
苯胺装置正面图:


精馏塔和循环硫化床:



还原画面:(由于牵涉到技术秘密,天祥化工厂不允许拷贝运行的画面,这里以组态界面代替)


系统连锁画面: