分布式控制系统在气相法白炭黑生产过程中的应用

关键词：白炭黑;工业以太网; DCS;SIEMENS;TI555;APT;WinCC

1 前言

　　气相法生产的白炭黑是沈阳化工股份有限公司的产品，自六十年代开发成功以来，一直采用仪表控制。为了克服仪表控制的漂移、不稳定、不可靠性，提高产品质量和生产自 动化水平，我公司于1998年对白炭黑进行扩产改造，我们采用了德国西门子公司SIMATIC DCS 过程控制系统对生产过程进行控制。我们开发了适合于白炭黑现场的应用软件。此套系统自98年2月开发成功并投入运行以来，大大地提高了白炭黑的产品质量和生产过程的稳定性，减少了工人的劳动强度，降低了生产成本。2002年由于监控站的计算机系统落后于时代，我们对此系统又进行了二次改造，形成了目前的基于工业以太网的分布式控制系统。本文将就二次改造后的控制系统，从工艺流程、控制点到控制系统的软、硬件方面进行介绍。

2 工艺流程和设备简介

　　气相法生产的白炭黑主要工艺过程如图1所示。

图1：气相法生产的白炭黑主要工艺流程图

　　空气经空压机升压后，通过冷却器进入喷淋塔，与低温盐水进行换热除水，然后进入储罐送至空气分配台。氢气经氢压机升压后，通过冷却器进入喷淋塔，与低温盐水进行换热除水，然后进入储罐送至氢气分配台。

　　四氯化硅由高位槽储罐进入汽化器。空气分配台来的汽化空气进入汽化器。将汽化后的四氯化硅送入水解炉内，与由空气、氢气分配台来的空气、氢气相混合发生水解反应。生成的白炭黑粒子与其它反应气体一起进入聚集器，聚集成较大的白炭黑粒子。通过旋风分离器将反应气体与白炭黑分离。由旋风分离器分离下来的白炭黑粒子通过喷射器连续加入到脱酸炉内，脱去表面吸附的HCL。然后送至沸腾床内，在沸腾床内脱除大粒子的白炭黑进入成品储罐，经真空压缩后包装成每袋5KG的成品白炭黑。

3 控制系统的构成

　　3.1 硬件配置

　　该控制系统有两个控制站，选用性能先进、可靠性高的SIEMENS公司的TI555型控制器。由于控制系统的I/O控制点数较多，因此又扩展了1个I/O站。TI555型控制器，能通过分布式远程机架最多处理8192个I/O点，并且这8192个I/O可以是开关量和模拟量的任意组合。TI555的内存为1920KB，它处理速度快，执行1K字节布尔逻辑指令的时间仅为0.068ms，每秒可进行600次回路计算，且处理独立的PID回路数可达64个。

　　根据SIMATIC DCS分散控制、集中管理的系统结构，本系统设有2个操作员监控站，选用的是西门子工业控制计算机。计算机内安装SIEMENS公司的CP1413通讯卡，采用国际化标准的网络协议，使系统具有开放性，实现了数据和资源共享。CP1413通讯卡通过EMS电气转换器分别与两个控制站内的CP1434TF通讯板卡相连。计算机控制系统硬件配置及网络结构如图2所示：

图2 控制系统硬件结构图

　　3.2 软件配置

　　控制站的组态和编程是通过面向过程控制的软件包APT（Application Productivity Tool）来实现的。顺序控制和连续量的调节分别使用SFC顺序功能图表和CFC连续功能图表来描述。APT的编程主导思想是把复杂的控制问题分解为若干个相对独立的子单元。对常用设备阀、泵等的控制用DEVICE来描述，对I/O变量和内部变量用具有实际意义的名称，使编程和调试更加方便和快捷。APT可在程序编程过程中随时验证所编程序的正确性，将编辑过程中的事件以报告形式存档，并可完整地显示和打印所编程序和报告。

　　操作站的监控软件选用SIEMENS公司的WinCC。WinCC即Windows_Control_Center（视窗控制中心），是SIEMENS公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司共同开发的居于世界领先地位的工控软件。WinCC是一个强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话界面，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。

　　WinCC拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：

　　● 图形系统

　　用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。

　　● 报警信息系统

　　记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。

　　● 变量存档

　　接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。

　　● 报表系统

　　用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或事件触发来对信息操作、文档、当前数据进行用户报表输出。

　　● 数据处理

　　对图形对象的动作使用C语言及C编译器进行编辑。

　　● 标准接口

　　通过ODBC和SQL访问用于组态和过程数据的SYBASE数据库。

　　● 应用程序接口

　　允许用户编写可用于扩展WinCC基本功能的标准应用程序。

　　另外，WinCC还提供多种可选软件包。如，通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。

　　WinCC的组态及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。很多标准的应用如Microsoft_Excel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载过程数据。操作员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。更进一步，集成的OPC（OLE_for_process_control）服务器使得过程数据可由其它应用程序（OPC客户机）访问。

4 控制系统的软件设计

　　4.1监控站的软件设计

　　监控站软件实现控制系统的工艺流程画面显示，实时和历史趋势曲线显示，报警等功能。

　　监控站共绘制了图形15张，其中工艺流程图9张，报警图1张，联锁图1张，流量累积表2张，产品质量表1张，总貌图1张。在工艺流程图上，可以观察到各个检测点的实时 数据显示，并可对回路控制进行操作： 手/自动切换、更改设定值、设置PID参数等。总貌图汇集了工艺流程图、实时趋势画面、历史趋势画面、报警组、TAG组（过程组），每一次查询都可从总貌图开始，再向下进行。

图3：操作画面总貌图

　　4.2控制站的软件设计

　　APT是面向过程控制的软件包，适于对控制站的组态、编程和调试，也可监控控制器的运行状态和变量。使用APT编程，对顺序量控制和连续量的调节分别用SFC和CFC来描述。

　　我们先列出两个SFC的编程例子和再举两个CFC的编程例子 。

　　4.2.1 SFC编程举例

　　任何SFC的执行都是从主SFC开始的，这里主SFC包括OK-4-NGHT（ 4# 晚班指示灯控制）、OK-2-NGHT（2# 晚班指示灯控制）、F1-Timer（流量累积之一）、F2-Timer（流 量累积之二）。主SFC结构图和编程如下：

　　（1）SFC：Main-SFC

　　（2）SFC OK-4-NGHT 4#白炭黑晚班产品质量灯控制

　　4.2.2 CFC编程举例：

　　用以下程序实现流量累积开始、停止、复位按钮之间的逻辑关系。这种逻辑关系可以使累积方式灵活，便于管理和考核。它们之间的逻辑关系为：假如按下复位按钮，则 开始按钮和停止按钮为false，累积量清零。假如按下开始按钮，则停止按钮为false，开始累积。假如按下停止按钮，则开始按钮为false，停止累积。

　　标 题: BTN-106

　　boolean: V12-1,V12-2;

　　begin

　　if RESET-106 then

　　STR-106:=false;

　　STP-106:=false;

　　F106-TOTAL:=0.0;

　　RESET-106:=false;

　　endif;

　　if STR-106 and not（V12-2） then

　　if STP-106 then

　　STR-106:=false;

　　endif;

　　V12-1:=true;

　　else

　　V12-1:=false;

　　endif;

　　if STP-106 and not（V12-1） then

　　if STR-106 then

　　STP-106:=false;

　　endif;

　　V12-2:=true;

　　else

　　V12-2:=false;

　　endif;

　　下面这段程序实现了自动联锁。联锁关系为：假如自动按钮已按下，当被控点温度小于 低限时，启动电加热装置，当被控点温度高于高限时，不管自动按钮启动还是停止，电加热 装置都停止，保证了安全，这里的温度高限和低限可以根据现场情况任意更改，这样比较灵 活方便，并且可以节省能源。程序如下：

　　标 题: LOCK-TS

　　begin

　　if KB-1 and TI-104

　　TS-104:=true;

　　endif;

　　if TI-104>TS-104-H and KB-1 or not（KB-1） then

　　TS-104:=false;

　　endif;

5 结束语

　　随着计算机技术的不断发展，工业控制机的档次也不断提高。 由于CPU速度的增长，满足了生产现场实时控制的要求;软件技术的发展，使得应用开发变得更加简单，功能也更加全面。本系统自2002年9月正式投入运行以来，系统效果很好，系统功能丰富全面，而且易于操作和维护，系统可靠性高，至今计算机控制系统运行一切正常，并带来了可观的效益。