西门子PCS7系统在海绵钛生产中的应用

马 城

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650100)

0 引言

我国有丰富的钛资源，在已探明储量中，我国占世界总量的40%多，且90%以上集中在西部。云南钛矿资源十分丰富，且相对集中，全省已探明钛铁矿床30个，其中大型15个，中型5个，小型10个。钛铁矿储量55610 kt，其中优质储量32650 kt，并具有储量大、品位高、易开采、选矿工艺简单等特点。

为充分开发本土钛资源，该工程设计年产10 kt商品海绵钛。生产方法采用国内外成熟的克劳尔法，利用高钛渣生产粗四氯化钛，通过提纯，利用金属镁还原生产海绵钛。整个生产过程工艺流程复杂，工艺参数控制要求严格，各工艺参数的控制精度直接影响中间产品、最终产品的质量及产量。该生产工艺自动化控制程度高，全厂自动化控制系统采用德国SIEMENS SIMATIC PCS7过程控制系统，先进的及高精度的自动化控制解决方案，为产出高品质商品海绵钛创造了重要条件。

1 工程自动化控制系统设计

1.1 PCS7过程控制系统

该工程自动化控制系统采用德国SIEMENS SIMATIC PCS7过程控制系统。PCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，它将传统DCS和PLC控制系统的优点有机的结合在一起，即具有DCS系统的分散控制、集中管理的特征功能，同时也保持了与SIMATICS7系列可编程控制器的通用性。系统大量采用了新技术，在网络配置上，使用标准工业以太网和PROFIBUS网络。系统所有硬件配置基于统一的硬件平台，所有的软件全部集成在SIMATIC管理器下，具有统一的软件平台。模块化结构，通用的硬件模块，系统配置灵活，易于扩展，特别适用于分散的过程控制应用场合。强大的系统软件和高度统一的数据库平台，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。

1.2 工程控制系统设计方案

海绵钛生产工艺流程复杂，共分为3个主体生产车间，即四氯化钛生产车间、海绵钛生产车间、镁生产车间。3个主体生产车间生产工艺流程相对独立，但又具有一定的关联性。海绵钛生产全厂控制系统依据3个主体车间分为3个相对独立的子系统，然后通过光纤环网连接构成一个庞大的控制系统。整个系统I/O点数为14501点(包含备用通道点数)，系统采用客户机/服务器结构，共有西门子S7-400 CPU 414H冗余控制器17对，S7-400 CPU 417H冗余控制器2对，S7-400 CPU 414H单控制器1台，ET200M远程I/O站90个，操作站共28台，工程师站4台，冗余配置的WinCC服务器4对，数据采集及数据库服务器5台。图1中上层光纤环网为系统Terminal BUS(终端总线)，采用Ethernet TCP/IP协议，下层光纤环网为 System BUS(系统总线)，采用 Industrail Ethernet Electrical-ISO协议，采用光纤环网通讯使控制系统的可靠性得到了保证。全厂控制系统结构图见图1。

图1 全厂控制系统结构图Fig.1 Structure diagram of factory control system

1.3 四氯化钛生产车间控制系统

(1)各工序控制系统配置

四氯化钛生产车间分为氯化和精制两个工序，分别设置独立的PLC机柜室及控制室。氯化工序控制系统配置一对冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通过Profibus-DP总线连接11个ET200M远程I/O站、20台西门子M440变频器。控制室设置2台双屏操作员站，操作员站采用客户机/服务器结构。

精制工序控制系统配置一对冗余S7-400 CPU 417-4H控制器，通过Profibus-DP总线连接12个ET200M远程I/O站及26台西门子M440变频器。设置工程师站1台作为氯化、精制工序控制系统编程组态的平台。控制室设置2台双屏操作员站，操作员站采用客户机/服务器结构。

氯化、精制工序2套控制器分别通过CP1623通讯卡连接到System BUS通讯网络，4台操作员站连接到Terminal BUS通讯网络。氯化、精制共用1对冗余配置的WinCC服务器，分别连接到System BUS和Terminal BUS通讯网络。操作员站的过程数据来源于WinCC服务器，这样的配置可以实现当单台服务器或者操作员站故障时不会对生产造成任何影响。

(2)各工序控制系统实现的功能

氯化工序控制系统主要实现以下功能:各原料仓的料量检测、原料输送设备的联锁控制、各原料的配料控制、氯化炉定量给料控制、氯化炉内压力调节、氯化炉内温度调节、循环水流量调节、中间槽、循环泥浆槽、底流槽温度检测及液位控制、变频器控制等。

精制工序控制系统主要是以下功能:低价氯化钛制备流程自动化控制、蒸馏釜液位、压力、温度控制，蒸馏塔、精馏塔温度、压力控制，中间储罐液位控制、精馏塔出料流量控制，蒸馏釜底流水解、沉降、蒸发流程自动化控制等。

1.4 海绵钛生产车间控制系统

(1)各工序控制系统配置

海绵钛生产车间分为还原、蒸馏、破碎包装3个主要工序分别设置独立的PLC机柜室及控制室。还原工序控制系统配置7对冗余S7-400 CPU 414H控制器，通过Profibus-DP总线连接23个ET200M远程I/O站，25个DP从站。通过西门子无线交换机连接氯化抬包车上的4个S7-300从站。设置工程师站1台作为还原工序控制系统编程组态的平台。控制室设置2台双屏操作员站，操作员站采用客户机-服务器结构。

蒸馏工序控制系统配置9对冗余S7-400 CPU 414H控制器，通过Profibus-DP总线连接34个ET200M远程I/O站，40个DP从站。设置工程师站1台作为蒸馏及破碎包装工序控制系统编程组态的平台。控制室设置2台双屏操作员站，操作员站采用客户机/服务器结构。

破碎包装工序控制系统配置1台S7-400 CPU 414H控制器，通过Profibus-DP总线连接4个ET200M远程I/O站，15个DP从站。工程师站与蒸馏工序共用。设置2个控制室，分别为等外钛控制室和成品钛控制室，各配置2台双屏操作员站，操作员站采用客户机/服务器结构。

还原、蒸馏、破碎包装工序控制器分别通过CP1623通讯卡连接到System BUS通讯网络，8台操作员站连接到Terminal BUS通讯网络。还原、蒸馏各配置1对冗余的WinCC服务器，分别连接到System BUS和Terminal BUS通讯网络。破碎包装工序与蒸馏工序共用WinCC服务器。

(2)各工序控制系统实现的功能

还原工序是海绵钛生产中的关键过程，还原工序控制系统主要实现以下功能:四氯化钛储罐和高位槽的液位和压力控制，向还原反应器中加入四氯化钛的计量控制，还原过程的温度、压力控制，氯化镁排放控制，各还原炉电能消耗计量等。其中四氯化钛的计量控制可实现在还原反应过程中各阶段不同流量要求的自动加料控制，当四氯化钛加入量达到本阶段设定值时，系统提示需排放氯化镁并显示氯化镁排放量，同时氯化镁排放量通过无线网络传输到现场的氯化镁抬包车上显示，现场操作员根据排放信息排放氯化镁。氯化镁排放的炉号、实际排放量、排放时间等信息通过无线网络传输到控制系统，并在操作员站显示。

蒸馏工序控制系统主要实现以下功能:蒸馏过程的温度、真空度、压力控制，蒸馏过程中镁板熔化、低真空阶段、高真空蒸馏阶段和蒸馏结束阶段的程序控制，各蒸馏炉电能消耗计量等。

破碎包装工序控制系统主要实现以下功能:皮带输送机、破碎机、筛分机、振动给料机、混料机、中间料仓等的运行控制及联锁控制，海绵钛成品包装计量控制，成品批次、等级、粒度记录等。

2 镁生产车间控制系统

2.1 控制系统配置

镁生产车间分为镁电解、氯气压缩、镁精炼三个工序，设置1个PLC机柜室及控制室。镁生产车间控制系统配置一对冗余S7-400 CPU 414H控制器，通过Profibus-DP总线连接6个ET200M远程I/O站。设置工程师站1台作为镁生产车间控制系统编程组态的平台，控制室设置3台双屏操作员站，操作员站采用客户机/服务器结构。

镁生产车间控制器通过CP1623通讯卡连接到System BUS通讯网络，3台操作员站连接到Terminal BUS通讯网络。配置1对冗余的WinCC服务器，分别连接到System BUS和Terminal BUS通讯网络。

2.2 控制系统实现的功能

镁生产车间控制系统主要实现以下功能:电解槽电解质温度控制、电解槽压力、液位控制，氯气压缩流程自动控制，坩埚炉温度控制，精炼炉温度、压力控制，精炼炉液位检测等。

3 控制系统配电设计

全厂控制系统采用艾默生UPS(不间断电源)供电，UPS系统由整流模块、充电模块、蓄电池、逆变模块、自动旁路开关、手动维修旁路开关等组成。UPS系统将供电质量较差的厂用电源首先经整流装置变换成直流电源，一路经充电模块向蓄电池充电，另一路采用高频脉宽调制(SPWM)法在逆变装置内重新将直流电源变成高质量的正弦波电源向负载供电。当市电交流供电中断或整流装置元器件故障时，由蓄电池组经电池开关向逆变装置供电。当逆变装置故障输出电压异常或过载时，则切换到自动旁路开关由厂用电直接向负载供电。各工序UPS容量为:氯化工序30 kVA、精制工序30 kVA、还原工序60 kVA、蒸馏工序90 kVA、破碎包装工序30 kVA、镁生产车间30 kVA。UPS可以向控制系统提供高质量、安全可靠的电源。当市电供应中断时系统可发出报警信号，UPS的蓄电池可提供30 min以上对控制系统的供电，以保证全厂控制系统的安全、可靠、稳定运行。

4 结语

目前各工序控制系统已通过全面的系统调试，各工序已陆续投入了生产。控制系统运行情况良好，达到了预期目标。系统维护量小，到目前为止从未出现过因为控制系统故障而影响生产的情况。该项目中PCS7控制系统大量应用了冗余技术，控制器、服务器、操作站、通讯网络都做了冗余设计，单台控制器、服务器、操作站的停机不会对系统造成影响。PCS7拥有丰富的功能块库，可满足各种过程应用，还可采用SCL、STL等语言开发用户功能块，实现更为复杂的控制策略。西门子PCS7过程控制系统在该项目中的成功应用，为产出高品质商品海绵钛提供了条件，为企业带来了较好的经济效益。

［1］莫畏，邓国珠，罗方承.钛冶金［M］.北京:冶金工业出版社，1998.

［2］胡健.西门子S7-300/400PLC工程应用［M］.北京:航空航天大学出版社，2008.