西门子PCS7控制系统在挤压造粒机组上的应用

【摘要】某煤制烯烃项目聚丙烯装置选用德国CWP公司生产的ZSK350捏合型同向旋转双螺杆挤压机，采用西门子PCS7控制系统进行控制，主要介绍了西门子PCS7控制系统硬件配置和系统构成、故障安全F功能块的使用。

【关键词】PCS7；硬件及网络结构；故障安全；F功能块

前言

某煤制烯烃项目聚丙烯装置选用德国CWP公司生产的ZSK350捏合型同向旋转双螺杆挤压机， 产量：27-45 t/h。以美国陶氏化学公司的Unipol聚丙烯工艺生产的丙烯为主要原料生产聚丙烯粒状树脂产品，与添加剂以一定配比掺混后， 进入筒体，经高温熔融后，在主电机的驱动下，筒体中的旋转螺杆搅动并将熔体送至模板，高速旋转的切粒刀将熔体切成小颗粒，经切粒水带到干燥部分，经干燥后，进入振动筛筛选，最后将合格的颗粒送入料仓等待包装。

1.PCS7系统的硬件配置和系统构成

1.1 PCS7系统概述

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。系统硬件采用西门子S7-417H加ET200M分布式I/O的结构模式，输入输出模块为S7-300模块，通讯系统采用的是工业以太网和Profibus现场总线，系统内嵌WinCC用于操作和监控的人机界面组态。

PCS7系统主要由以下几部分组成：

①SIMATIC Manager，它是PCS7的核心应用程序，使用它可建立PCS 7项目的所有应用程序，是建立整个项目的起点。

②HW Config，用以组态一个系统的全部硬件，例如CPU、电源以及通讯处理器等。

③CFC和SFC编辑器，用以建立连续功能图和顺序控制图。

④PCS7 OS编辑器，用以操作员站（OS）的组态。

其中SIMATIC Manager 提供三种不同的窗口，这些窗口主要特点就是它们包含的对象在实际中只存在一次，但可以在各种不同的窗口中显示和操作。每一种窗口基本上都具有相同的结构：在左窗格中是树形结构，在右窗格中是详细的窗口。根据当前任务，每一种窗口都有其自己的特殊优点：

组件窗口（Component view）表示每个对象的物理存储位置，例如功能图和功能图的物理存储位置，在组件窗口中，可以立即看到功能图和CPU的对应关系。

工厂窗口（Plant view）显示工厂的层次结构，可以将工厂分为几个工段或单元，并知道某个工厂工段包含哪些功能图和过程图像。

过程对象窗口（Process object view）显示工厂窗口的每个对象的详细情况，这尤其适用于将类似的参数值分配给大量的对象，为其添加注释或将之互连。

1.2 系统结构描述

由于聚丙烯装置连续性生产，负荷不能进行频繁的调整，装置的中间物料存储能力相对较小，造粒机组的连续稳定运行是非常重要的。某煤制烯烃项目30万吨/年聚丙烯装置中的挤压造粒机采用西门子S7-417FH（高可靠性和故障安全型）控制系统，具有结构简单、编程方便、控制器冗余、网络冗余、可靠性高的特点，能最大程度的避免由于控制系统故障而引起的机组停机，从而减少了装置的生产波动，提高了经济效益。

1.3 控制系统的网络结构

1.4 控制器的构成

挤压造粒机组控制系统采用硬件冗余的工作方式。CPU采用西门子公司高级容错控制器S7-417FH（容错型），下载和组态程序时只需要对一台CPU下载，两台CPU之间会自动进行数据同步。两个互为热备的CPU 417H，通过光纤电缆连接，实现了两个CPU之间的数据和信息的快速同步，同时光缆能提供很高的抗干扰能力。

S7-417H采用“热备用”模式的主动冗余原理，一旦主CPU发生故障，系统将自动无扰动地切换到从CPU，由从CPU继续负责整个系统的控制，主/从CPU的切换时间为ms级。无故障时，两个子单元都处于运行状态。

417-4H控制器单元主要由以下几部分构成：CPU、电源、通讯卡、底板、I/O模块等。CPU作为整个控制器的核心，其作用相当于人的大脑，起到发送和接收指令的作用。处理器上有两个通讯接口， MPI接口和PROFIBUS的DP接口。MPI接口支持MPI协议，用来和上位机进行通讯，实现编程、组态功能。PROFIBUS的DP接口支持PROFIBUS DP协议，实现CPU和I/O模件进行通讯，这两个接口的通讯速率最大均可达到12M bit/s。电源采用PS407 10A电源模块，对主机架进行供电。按照I/O模块应用的不同，常规控制采用通用型I/O卡件，对于重要的安全回路采用故障安全型卡件，可以自动识别回路中出现的短路、接地等情况，并会做出相应的动作保护卡件、现场设备及人身的安全。

1.5 PLC与现场I/O的连接

PLC与现场I/O之间以两个冗余现场总线PROFIBUS来实现冗余的通讯连接。现场控制器与现场I/O站ET200M之间通过ET200M机架上的双IM153模块实现双通道切换。I/O模块采用S7-300模块。

1.6 操作站与PLC的连接

操作站与PLC之间的通讯采用西门子100M光纤双环网来实现网络的全冗余功能。通过在S7-417FH的两套中央机架上分别安装一块工业以太网卡CP443-1，并在操作站上也分别安装工业以太网卡CP1613，实现了整个控制系统高可靠性的冗余光纤双环网，确保操作站与PLC之间的通讯畅通。

根据操作的要求，设置三台操作站，分别为工程师站（日常可作为操作员站使用）、操作员站、现场触摸屏。现场触摸屏是通过光缆、KVM延长器将触摸屏与操作员站连接，将操作员站的显示、操作功能延伸到现场，供操作员在挤压造粒机组开车时使用。

1.7 与DCS的通讯

聚丙烯装置DCS使用的霍尼韦尔PKS控制系统位于中央控制室内，与挤压造粒机组控制系统距离较远。生产上要求位于中央控制室内的操作人员能够监测挤压造粒机组的运行状态、数据。因此要求PLC系统能够将挤压造粒机的数据上传到DCS系统。

在西门子从站上安装CP341通讯模块，采用RS-485传输接口，实现挤压造粒机组与中央控制室的聚丙烯装置DCS之间的数据通讯。两套控制系统之间采用Modbus通讯协议。

1.8 模块配置

解决措施：由于机柜内空间有限，不能对所有回路增加保险端子，对信号进行隔离。目前只能在24V总供电空开“3.3F1”与各个端子排中间增加空开，若某一端子排中的单一回路出现接地现象，只会导致对应端子排空开跳闸，不会导致24V总供电空开“3.3F1”跳闸，降低机组跳车的可能性。如图6所示，在空开“3.3F1”与端子“4.1X8”中间增加空开“4.3F1”

参考文献

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社， 2002.

[2]胡轶.聚丙烯挤压造粒机的主电机控制[M].石油化工自动化，2003.5.

[3]西门子中国有限公司.深入浅出Wincc V6.第二版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4]廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用[M].重庆：重庆大学出版社，2001.

[5]邵建设.安全联锁系统的可靠性及可用性分析[M].化工自动化及仪表m2003.3.

作者简介：杜伟（1986―），男，2009年毕业于东北石油大学自动化专业，神华包头煤化工有限公司机电仪中心仪表专业助理工程师，主要从事仪表控制系统和现场仪表的维护工作。