PCS7控制系统在伊朗空分系统中的应用

王海涛 方家堃

(杭州杭氧股份有限公司设计院，杭州 310014)

伊朗SAFA公司30 000Nm3/h空分设备采用常温分子筛吸附净化空气、增压透平膨胀机制冷。针对空分工艺复杂、控制逻辑多、模拟量控制回路多及主要设备分散等特点，选用DCS过程控制系统对空分系统中测点和调节系统进行监测和有效控制，使空分装置操作方便、控制容易，能够长期安全稳定地运行。

DCS系统选用SIMATIC PCS7系统，它是西门子公司开发的面向所有控制应用场合的基于现场总线的模块化先进控制系统，该系统使用统一的数据管理、通信、组态和编程软件，具有全集成自动化的特点[1]。全集成自动化解决方案对自动化应用提供统一技术环境，基于这种环境，大大简化系统结构，减少大量接口部件，在同一平台下完成上位机与控制器之间的逻辑控制，对所有应用进行组态和编程[2]。

1 DCS控制系统构成①

伊朗项目空分系统包括空压机、增压机、空冷系统、纯化系统、膨胀机系统、精馏系统和公用工程系统。空压机和增压机组由PLC控制，其结构如图1所示，通过PROFIBUS协议与DCS实现通信，在DCS上位机监测压缩机组的运行数据。

图1 PCS7系统结构

空冷系统、膨胀机系统及精馏系统等的监测、控制、报警和联锁功能在DCS里实现。控制系统主要包括控制站、工程师站、操作员站、通信网络及软件等。

系统包括以下设备和软件：

a. 一个工程师站ES，同时可兼作OS站,工程师站通过100MHz工业以太网连接客户机和服务器，完成控制画面和控制策略的组态，并且用于工程师调试和维护；

b. 两个操作员站OS，用于操作员操作DCS系统，进行正常的生产操作；

c. 一对冗余控制器417-4H CPU、冗余IO卡件、冗余工业以太网、冗余电源和冗余的PROFIBUS DP通信网络，AS站与IO站采用PROFIBUS DP网进行通信，控制器与ES/OS站通过以太网ETHERNET(100Mb/s)实现通信，网络设计为冗余的拓扑结构，通过工业以太网交换机X204-2组成环形工业以太网；

d. PCS7 V6.0软件包和WinCC HMI软件，用于组态硬件设备、控制程序(CFC和SFC功能块)和HMI操作画面。

1.1 硬件配置

控制器为一对AS417-4H CPU，工作时一个为主控制器，另一个为“热备用”模式，当主控制器出现故障或者突然死机时，能实现无扰动自动切换，热备控制器自动转换为主控制器，具备事件同步功能，系统不会停机。主控制器通过冗余PROFIBUS DP现场总线对IO站控制，PROFIBUS DP具有高速、低成本的特点，用于设备级控制系统与分散式IO通信，实现高速数据传输，提高了系统通信的可靠性。现场控制站ET200M分布式IO通过冗余现场总线连接主控制器，主控制器通过通信获得现场模拟量和数字量信号，同时将主控制器的命令发送给现场。每个ET200M上插有两块IM153-2通信接口模块，两块IM153-2通信模块互为冗余，可无扰动切换，并具有在线热插拔功能，当其中一个IM153-2接口模块出现故障，或者在线插拔维修，不会影响系统工作。空分项目中重要的报警点和联锁点采用冗余IO卡，当一块卡出现故障，系统自动从另一块冗余卡读取该测点信息，保证工艺不因此硬件故障而发生跳车事故。一台工程师站和两台操作员站选用DELL工控机。实际IO点数统计配置见表1。

表1 IO点数统计配置

硬件组态如图2所示。

图2 硬件组态

1.2 网络架构

WinCC数据服务器用于整个生产过程的数据归档和保存工作，操作员站主要用于对工艺过程的监视和操作，上位机系统和控制系统通过100M工业以太网通信，工程师站连接到工业以太网，完成硬件组态[3]。系统网络组态如图3所示，图中MAC是空压机，BAC是增压机。

图3 网络组态

1.3 软件组态

PCS7终端step7组态工具集功能十分强大，其CFC和SFC形象化的程序视图形式使得编程更加简便，这些方法可以混合使用，交叉引用，系统提供了近500个CFC标准功能块库，提高了系统组态效率。

CFC是连续功能图，它采用了IEC-1131的标准，用CFC进行组态时是以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能块都有一个参数表，每个CFC由6页组成。功能块之间的连接可以在不同的CFC页面之间进行，用以完成很复杂的大型控制任务。CFC主要用于连续过程的自动化控制任务的组态。通过强大的自动布线和集成报文组态，预定义的块可以在CFC中定位、进行参数化设置和互联。在生成一个新的CFC时根据图名自动生成一个顺序组，CFC图中的块自动添加到该顺序组，在编译时可对顺序进行优化，根据算法确定最佳的块扫描顺序。

SFC是顺序功能图，可用于图形化组态批量生产的顺序控制，SFC可直接在CFC中定位和连接CFC块，CFC块连接到SFC的step(步)或者transmitter(条件)块中，并通过顺序、并行分支、交替分支和回路结构实现顺序控制的功能。

1.4 系统的监控部分组态

系统的监控部分组态由WinCC来实现。根据工艺P&ID流程图组态满足工艺操作要求的画面，画面上工艺测点参数自动实时更新显示，调节模块和手操器模块能够对阀门和设备进行精确操作。DCS对一些重要的工艺测点要实时监控和报警，当系统有声光报警信息出现时，操作员能够及时查询报警信息，并据此对空分工艺进行操作调整，使空分在安全的状态下运行。操作员对已经归档的工艺测点均可以查看该变量的历史变化趋势，对查询空分故障原因和对空分设备安全操作有重要意义。另外，在操作过程变量时，如改变一个闭环控制器的模式，系统会自动生成操作员的操作并报警提示。WinCC提供了一套集成的报表系统，数据库里所有的过程点都可以以报表格式在屏幕上预览或者输出到打印机打印，运行此方式可以生成交接班记录、日报及月报等生产报表。

2 系统复杂控制回路设计

空分内压缩流程比较复杂的控制回路就是液氧泵控制回路。系统中有两个液氧泵，以液氧泵OP601A全速运行为例，另一个液氧泵OP601B惰转冷备，对应回流阀PV603B全开，当出现以下状

况时，DCS系统要及时采取有效的控制措施，实现两个泵的自动切换，以保证空分主塔工况稳定：

a. OP601A泵故障跳车，OP601A泵回流阀PV603A迅速全开。OP601B泵自动提升频率至OP601A泵全速运行时的频率，同时回流阀PV603B慢慢沿斜坡关至OP601A泵全速运行时回流阀PV603A的开度；

b. OP601A泵出口压力低于联锁值时，OP601B泵逐渐自动提升频率至OP601A泵全速运行时的频率，同时回流阀PV603B慢慢沿斜坡关至OP601A泵全速运行时回流阀的开度，当液氧泵OP601B出口压力达到要求压力时，OP601A泵自动停止，发出报警信息，回流阀PV603A全开。

液氧泵控制回路组态如图4所示。

图4 液氧泵控制回路组态

3 结束语

西门子PCS7系统在伊朗30 000Nm3/h空分项目中发挥了配置灵活、控制可靠、编程直观和调试维护方便等优势，提升了整个系统的稳定性，也提高了空分设备的安全可靠性。自PCS7系统投运以来DCS系统无故障，无系统误动作，很好地满足了工艺控制的要求。