PCS7在聚丙烯挤压造粒机控制系统上的应用

1 PCS7PCS7 在聚丙烯挤压造粒机控制系统中的应用在聚丙烯挤压造粒机控制系统中的应用 摘要 摘要 在介绍上海石化聚丙烯挤压机工艺特点和原控制方案的基础上 详细介绍了将控制系统升级到 PCS7 的实施方案 并通过 2 个关键回路 的组态和分析 总结了在 PCS7 软件组态方面的经验和特点 关键词 关键词 挤压机 PCS7 控制系统 联锁 1 1 引引 言言 上海石化聚丙烯装置是二套年产量 10 万吨的聚丙烯生产装置 各有一套挤压造粒 系统 原控制系统采用西门子 S5 135U PLC 加模拟盘二次表的混合控制模式 运行到 现在已经 20 年 设备老化严重 S5 早已停止生产 备件采购成本高 供应无法保证 影响装置安稳运行 近年来故障频繁 由于当时技术水平的限制 系统没有 SOE 报警 事件记录 功能 也没有配置操作员站和工程师站 给故障原因分析和日常操作 维 护带来很大的困难和不便 为此 于 2009 年 10 月份利用西门子 PCS7 对原系统进行更 新改造 此次改造使用西门子以 S7 系列 PLC 为硬件基础的 PCS7 替换原有 S5 系统 PCS7 分 布式控制系统具备强大的组态工具 成熟的 Profibus 系统总线技术 专业应用于过程 控制领域的编程方式 详细的上位机显示画面以及完备的报警 趋势管理系统 能够 充分满足改造的要求 2 2 工艺概述工艺概述 挤压造粒机将聚丙烯粉末和添加剂以一定的配比进行掺混后进入筒体 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 3 3 原系统结构简介原系统结构简介 原控制系统采用现场盘 S5 PLC 加模拟盘的混合控制方式 现场盘主要是各种操 作按钮 指示灯以及部分盘装显示仪表 用于操作员的现场操作控制 S5 PLC 是原系 统的核心 所有的控制逻辑全部在此实现 系统中全是数字量点 模拟量通过盘装二 2 次表来集中显示和控制 包括温度 压力 流量 转矩 电流等信号的控制和显示 联锁阀值的设定 筒体温度的加热和冷却控制 趋势记录等 4 4 PCS7PCS7 系统的系统的硬件配置和系统构成硬件配置和系统构成 4 14 1 PCS7PCS7 系统概述系统概述 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 1 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 PCS 7 系统主要由以下几部分组成 SIMATIC 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 HW 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 CFC 和 SFC 编辑器 用以建立连续功能图和顺序控制图 PCS 7 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 4 24 2 系统配置系统配置 这次升级改造中 原来的所有盘装显示 控制仪表都直接进入 PCS7 系统 现场盘 的按钮 指示灯等功能保留 用西门子触摸屏取代原来的模拟显示表 原模拟盘完全 拆除 新系统网络构成如图 所示 3 图 系统网络结构示意图 工程师站 台 用于系统工程组态以及维护过程中的程序或参数修改 如系统网 络硬件组态 控制回路组态 用户程序设计 调试 下载 过程趋势和参数的设定 流程图画面 报表的生成等 正常情况也作为操作员站使用 操作员站 台 19 液晶显示器 作为系统和操作员间的人机接口 工业以太网 用于系统站之间的数据通讯 根据经济及装置的实际情况 配置 台 S7 417 控制站 用于对过程装置进行常规 逻辑以及顺序控制 控制机柜 个 用于安装控制站 个分布式 I O ET200M 站以及 电源 接线端子 继电器等辅助元件 ET200M 通过 Profibus DP 总线与控制站进行通 讯 现场操作柜配有一台西门子操作屏 通过 Profibus DP 总线与控制站通讯 可以 在现场进行控制操作和数据监控 整个系统构成三级网络结构 第一级是工厂信息管理网 通过上位机 OPC 通讯接 口 连接工厂信息管理网 第二级是工业以太网 通信速率为 100Mbps 实现控制站与上位机 上位机与下位 机之间的数据快速通讯 第三级是 Profibus DP 网 是控制器 S7 417 主站与 ET200M 从站及现场显示屏之 间的通讯实现形式 2 5 5 程序设计程序设计 X208 工业以太网 Profibus DP 工程师站 ES操作员站 OS ET200M ET200M ET200M ET200M MP277 S7 417 以太网 4 这次升级改造中 要把原来的盘装显示 控制仪表都直接进入 PCS7 系统 这样势 必会引起对原控制程序的大量修改 既增加了工作量 又会出现许多不可预知的问题 可能会给开车调试带来诸多困难 为了避免以上问题的发生 同时充分运用 PCS7 强大 的过程控制功能和内嵌的 WinCC 过程监控系统 我们采取了保持原有的控制程序不变 的方法 其所有的输入输出全部采用中间变量 在 PCS7 的 CFC 连续功能图 中实现 中间变量与实际的输入输出地址的连接 对于所有需要修改和增加的地方全部在 CFC 中实现 系统控制程序主要包括筒体温度控制 离合器控制 辅机启动控制 主机的 启动和停止控制等五大部分 下面以 2 个有代表性的控制程序设计为例来加以说明 5 15 1 筒体温度控制筒体温度控制 5 1 15 1 1 程序组态程序组态 工艺上需要聚丙烯在熔融状态下进行挤压造粒 要把筒体温度控制在 250 左右 通过控制电加热电流大小和冷却水的流量来保持温度恒定 冷却水的流量是通过对脉 冲电磁阀通断时间的长短来控制的 改造前的控制功能是通过 块模拟二次表实现 改造后需要在 PCS7 中通过 CFC 实现 在系统的部件层级中打开控制站 AS1 点击 Charts 在右边窗口点击鼠标右键 选 择新建 这时会有一个新的 Chart 图标出现 重命名为 Barrel1 然后双击图标进入程 序组态画面 在窗口左面的块库中选择需要的块拖入 CFC 功能图中 本例中首先需要 2 个模拟量输入块 CH AI 因为需要在监控画面显示实时值 所以 需要 2 个显示块 MEAS MON 这 2 个输入还具有选择输入功能 所以同时进入选择块 FC15 PID 控制块 CTRL PID 对温度进行常规控制 选择块 FC15 的输出作为 PID 控制块 的 PV 值 PID 控制块的输出需要实现分程控制 在 0 50 时停止加热 只进行冷却控 制 同时脉冲电磁阀的脉冲时间可调 在 50 100 时停止冷却 只进行加热控制 另 外还需要一个比较块 CMP R 一个脉冲定时块 AFP 二者经过一个与逻辑块输出到 DO 块 CH DO 实现逻辑输出 加热控制直接通过一个模拟量输出块 CH AO 实现 把 50 100 对 应到 4 20mA 电流输出实现加热控制 筒体温度控制回路组态如图 所示 5 图 筒体温度控制系统组态回路图 5 1 25 1 2 回路分析回路分析 筒体温度控制系统设计关键点主要在两个地方 一是采用温度选择控制 这是改 造中新增加的功能 原系统中一个热电偶进 PID 控制 一个进记录仪 全部改造进入 PCS7 系统后 我们在操作员画面上设置切换开关 当一个测温点出现故障时 可以马 上切换另一路进入控制回路 避免停车 增加筒体温度控制的可靠性 另一个是筒体 温度的分程控制 即 PID 在 0 50 只有冷却控制 停止加热 在 50 100 只有加热 控制 停止冷却 在图 中可以看出直接通过一个比较块实现 关键点在冷却脉冲的 时间控制上 因为在控制时需要对脉冲动作时间控制来实现对冷却水流量的控制 以 满足工艺要求 为此 我们在操作画面上设计了两个输入框 一个输入脉冲周期 一 个输入脉冲周期中正值时间 脉冲周期时间通过在改造前现场测试大约为 10s 这个值 在新系统中也保持不变 鼠标单击 脉冲周期中正值时间 输入框 会出现一个下拉 式选择菜单 有 0 ms 100ms 200ms 300ms 500ms 700ms 900ms 1s 2s 3s 5s 10s 等可供选择 也就是通过控制现场电磁阀的通断时间长短来控制冷却强度的大小 加热时通过模拟 量输出通道块 CH AO 把 4 20mA 电流输出到电气电加热控制器 实现加热强度控制 5 25 2 主电机停机控制主电机停机控制 5 2 15 2 1 程序组态程序组态 为了改造的可靠性同时减少停车时间 在设计中保持主电机程序不变 直接由 s5 导入 s7 原来的外部输入 DI 点全部转换为 200 对应的中间变量 如 I1 1 对应为 M201 1 原来的外部输出 DO 点全部转换为 300 对应的中间变量 如 Q11 1 对应为 M311 1 原来的中间变量保持不变 这样就保证了在调试和试车时遇到问题就可以忽 6 略对原程序设计错误的怀疑 节省查找故障的时间 主电机停机控制逻辑框图如图 3 所示 与外部的输入输出连接全部在 CFC 中通过 CH DI 块和 CH DO 块实现 如图 所 示 图 3 主电机停机控制逻辑框图 3 7 图 输入输出连接图 4 5 2 25 2 2 控制逻辑分析控制逻辑分析 1 挤压机主电机功率 4400KW 2 挤压机主电机功率 3900KW 是整个挤出造粒部分 的核心设备 所以主电机联锁停逻辑就是保证在异常情况下主电机能安全停车 防止 对操作人员的伤害 同时也保护设备不受损坏 该联锁程序所有的条件连接到一个与 门 与门的输出通过硬件回路输出一副触点到电气的主电机电源控制回路 所有联锁 信号正常时 输出信号为 1 继电器常开触点闭合 主电机电源回路通电 当有联 锁条件出现时 输出信号为 0 继电器常开触点断开 主电机电源回路失电 主电 机停机 从图 4 中可以看到所有参与联锁的条件 首先是直接进与门的条件 开车时 只有在离合器啮合命令发出 15S 之后才可以启动主机 因为离合器的啮合是通过一定 压力的仪表空气来推动的 这需要一定的时间 在主机正常运行期间出现以下任何一 个条件 离合器控制程序联锁 旋转阀 RF802 停 3 分钟以上 开车阀故障 15S 以上 主机停按钮等 22 个条件之一 切粒机旁路时开车阀切向地面和切粒机保护罩位置同时 不满足要求 切粒机未旁路时出现切粒机压力高等 7 个条件之一 主电机会马上停车 6 6 系统改造中的经验总结和分析系统改造中的经验总结和分析 a 运用合适的程序设计方法 因为旧程序肯定是正确的 在升级改造中把其作为 一个整体原封不变的导入新系统 通过中间变量实现新老程序的连接 这样可大大提 高程序的可靠性 减少调试时间 便于故障原因分析 b 所有的现场有源变送器输入信号需安装隔离栅 因为现场有大功率电机 电气 设备比较多 干扰信号比较强 由于在设计时考虑不周 没有设计隔离栅 所有的现 场有源变送器输入信号都出现频率很高的干扰信号 会触发联锁条件 致使无法开车 安装隔离栅后才较好地解决了这一问题 c 完善程序设计 确保筒体加热和冷却正常控制 充分利用原系统的条件 设计 了 PID 控制器 PV 输入的双路选择控制 当一路故障时可切换到另一路输入 提高控制 的可靠性 减少停车 另外在冷却脉冲电磁阀的时间选择分布上要前密后稀 就是说 100ms 1s 范围内要时间间隔短 在 1s 10s 范围内可时间间隔长 这样可提高控制的 精确性 d 系统增加 SOE 功能 把现场关键的检测信号和主要的操作信号接入 SOE 卡板 SOE 最重要的作用就是以 ms 分辨率记录信号动作 可以在停车时快速找到第一时间联 锁动作信号 便于原因分析和减少停车时间 e 设计人性化的操作画面 便于操作和管理 根据工艺流程设计了工艺显示画面 8 操作画面 重要的关联趋势画面 特别是操作画面 如图 5 所示 要根据它们的重要 性 关联性来确定布局 同时为操作人员设计了重要数据一览画面 方便抄写数据记 录表 f 现场的硬件检测工作要细致 拆线 接线工作虽然很枯燥 但一定要认真细致 要做好指导和监督工作 因为拆错线或者遗漏线 在调试时可能