西门子PCS7过程控制系统在电石行业中的应用研究

周瑞虎

摘 要：青海盐湖海纳化工有限公司20万吨电石生产装置采用SIMATIC PCS7控制系统。该装置应用西门子全集成自动化理念，系统由多用户HMI系统（C/S模式）、网络通讯系统、现场控制站等部件组成，通过统一的数据管理、通讯和组态功能，实现过程的自动化输出。

本文介绍了西门子公司过程控制系统SIMATIC PCS7应用于电石冶炼生产及其附属设备的控制，阐述了该系统的软硬件配置，控制系统完成的功能和控制难点及工艺实现方法。

关键词：电石冶炼 PCS7过程控制系统 工艺实现方法

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

青海盐湖海纳化工有限公司20万吨电石生产装置采用SIMATIC PCS7控制系统。该装置应用西门子全集成自动化理念，系统由多用户HMI系统（C/S模式）、网络通讯系统、现场控制站等部件组成，通过统一的数据管理、通讯和组态功能，实现过程的自动化输出。

1 工艺、设备简介

合格粒度的焦炭、石灰按比例混合，经电炉上方的进料仓进入电石炉，炉料由电弧热和电阻热在1800℃—2200℃的高温下熔融生成液体电石。液态电石冷却凝固后经过初次破碎送往乙炔装置。生产过程中产生的炉气（主要成分为CO）经过净化系统回收送往煤气储柜，作为气烧石灰窑和炭材烘干窑的燃料。

本装置由原料储运系统、电石冶炼系统、出炉系统、冷却系统、尾气处理系统、除尘系统、水系统等辅助设施组成。原料储运系统由2条输送皮带将合格的焦炭、石灰输送至中间储仓；电石冶炼系统由一台90MW密闭矩形电石炉，加热和熔化物料的能量均由六根自焙电极提供，自焙电极由三台65MVA单相变压器供电，电极升降、压放由液压缸驱动，3台冷却风机对炉底进行冷却；出炉系统由6台液压机械手实现远程操作出炉； 2台10吨行车对出炉轨道上的电石锅自动夹取，送至输送系统；尾气系统由4台尾气风机将炉气抽取，经过高温布袋除尘、强制通风冷却器，由增压风机送至气柜。

2 系统实现

PCS7（Process Control System）是西门子的DCS系统，基于过程自动化，从傳感器、执行器到控制器，再到上位机，自下而上形成完整的全集成自动化架构。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等软件，组态对象选用S7400高端CPU。PCS7具有集成化，模块化，可视化，强大的功能块和系统开放性，能够满足各种工况要求。

2.1 系统结构

本系统采用西门子全集成自动化系统，包括工程师站、操作员站、自动化站。工程师站用来对所有PCS7系统组件进行集中管理，包括操作员站，批处理站，自动化站，集中和分布式远程I/O；操作员站对PCS7系统设备进行过程的监控，提供标准的操作界面，方便的在线修改，报警提醒及数据的归档；自动化站对所连接的集中和分布式I/O的过程变量进行记录和处理，并输出控制信息和设定值，提供可视化数据信息记录，将操作员站上指令传送到生产过程中去。

2.2 主要控制方案

原料输送控制：合格的原料运输到石灰中间储存仓和焦炭中间储存仓，经称重皮带机称重，按一定的配比由犁式输送机输送到电石炉喂料仓进入炉子参加反应。进料系统所使用的标准对象是来自PCS7高级过程控制库（APL）作为自定义对象，当中间储料仓的料位低的状态下就会开始进料。有4个称重变速输送机可成对操作来混合储仓和计量区域中的石灰和焦炭物料，根据石灰和焦炭对这个输送的速度比率进行自动调节。

炉本体控制：主要包含炉变控制、电极控制及炉本体各参数监控。本台电石炉由3台单相变压器组成，通过DCS控制GIS（气体绝缘全封闭组合电器）实现变压器的星三角转换，并且对有载调压开关档位进行切换，从而实现对电石炉负荷的控制。电极的升降、压放控制通过DCS对控制阀、比例阀发送指令，使电极位置满足生产需求，并且根据设定需要的功率、电流或电阻，DCS会根据需要通过PID调节控制电极升降，使功率、电流或电阻接近设定值。同时，DCS系统对炉本体膨胀状态、循环水、温度指标，炉底冷却温度及炉本体各部位温度指标实时监控，并提供报警提示或连锁功能。

冷却系统控制：冷却系统包括轨道系统、冷却车间、破碎上料系统。生产的电石从出炉口流到锅内，由出炉口的推锅器将热锅推出通过轨道将热锅带到拾取站，由天车将拾取站的热锅吊到冷却架上进行冷却。冷却合格的电石由天车吊到辊道输送机的掉落站，通过辊床输送到斜坡提升机顶部，再由翻锅机进行翻锅，将电石倒入溜槽中，成品电石由此输送至乙炔装置

尾气回收控制：电石冶炼过程中会产生一定量的尾气，对其除尘降温后进行回收利用显得格外重要。本系统主要由上升烟道、文丘里、尾气风机、循环风机、高温布袋除尘、增压风机等设备组成。配有变频调速的尾气风机和风机风门，通过DCS控制把电石炉内上部空间压力调节在微正压状态，通过循环风机将冷却后的尾气送入文丘里中，与高温炉气汇流，经过高温布袋除尘，强制通风冷却器冷却后，由增压风机送至煤气气柜二次利用。

3 应用体会

电石生产过程是一个较复杂的电弧和电阻加热使石灰焦炭在熔化状态下的化学反应。影响电石炉操作的因素涉及到石灰杂质、碳酸钙含量、粒度、焦炭的灰分、水分、电气参数设定、炉料配比等。实际上，上述原料状态参数较难直接准确实时采样得到，其影响间接地反映在各种可测电气参数和压力温度等工艺参数上。

从控制角度讲，此类问题属于多因子、非线性、高噪声、样本分布不均匀的问题。这类问题给复杂数据建模带来不确定性。因此，符合生产实际的控制模型建立是当前亟待解决的问题，这就需要通过大量的数据采集，结合工艺特性及自动控制实现。通过数学模型的建立，对电石冶炼二级系统进行技术数据管理、质量控制的优化、工艺参数的自动收集、产品质量跟踪、数据取样和评估、生产批次的报告合成。应用数据的采集和有效评估，实现对电极调节策略的研究，提高产品质量、降低功耗、减少对电网的冲击，进一步做到节能减排，资源利用的最大化。

4 结语

目前，电石行业生产正处在生产装备大型化、密闭化、集约化更新发展的时期，面对生产装备技术水平的不断提高，容量的不断增大。自动化控制技术将在稳定安全生产、提高生产效率、降低劳动成本、节能减排等方面发挥其特有优势，本文西门子PCS7过程控制系统在电石行业的应用控制系统应用范围较广，具有很大参考价值。

参考文献

[1] 马荣荣.电石生产节能降耗控制研究[D].北京化工大学，2015.

[2] 陆德民.石油化工自动控制设计手册（第三版）[J].化工自动化及仪表，2000（02）：18.