pcs7的离子膜烧碱控制系统.doc

窗体顶端
一 过程管理层硬件设计
这一层包括的过程管理计算机主要有工程师站和操作员站,同时采用过程控制层的的设备来实现过程装置的控制管理。操作人员通过工程师站和操作员站可以管理和监视生产过程中的所有信息,集中显示操作,实现各种常规控制策略、控制回路组态和参数的修改,优化过程处理等任务。通过服务器直接获取控制层的实时数据,进行生产过程的监视、故障检测和数据存储等工作。
(l)工程师站
工程师站是为具有相关专业知识的工程技术人员设计,在工程师站装有组态工具平台和控制系统维护工具软件,工程师站负责整个系统的组态,数据库生成,上位监控画面制作,报表制作,程序下载,给操作员站分配监控画面等。
该项目的工程师站由一台高性能SIMATIC商用机组成(调试过程),分别负责工艺区的程序编制、调试以及控制系统维护,这些工程师站通过工业以太网网络与各个控制站进行数据交换,自动化程序一定要在所在权限的工程师站上进行修改,下载。当离子膜烧碱生产正常运行时,工程师站将不起作用,由操作员站负责监控,此时,只留用一台工程师站。
(2)操作员站
操作员站负责各子系统的监控,操作员站是互相备用的,当其中的一个操作员站出了故障时,其它的操作员站可以代替它继续正常工作。所以相对于工程师站,操作员站的硬件设计相对简单,主要由PC机、显示器、鼠标、键盘、打印机等组成,操作员站通过WICC组态软件设计上位监控界面,实现各生产过程的图形化界面监视、报警、报表等管理功能。
该项目的操作员站由四台SIMATIC商用机组成,操作员站通过以太网卡与服务器相连进行数据通信,其主要用来对整个生产线的生产状态进行监管控制,修改相关生产工艺参数,操作员站的机器没有权限去访问,存储和修改控制程序。其监控画面和生产参数与服务器保持同步,这四台机器可以对每个工艺环节进行监控,所以每个工艺段需要分配专职操作员,这样可以避免操作冲突。
(3)服务器
该项目有两台冗余服务器，均能独立监控整个生产过程,这样可以防止电脑故障而引起的生产事故,增加了系统的可靠性。
二 过程控制层硬件设计
过程控制层是集散控制系统最底层的部分,也是最基础的一个层次,它直接与生产过程相连接。过程控制层直接与现场的各类变送器、执行器、分析仪表等相连接,对所连接的装置实施数据采集、过程监测和流量控制；同时,它向上与第二层的过程管理层相连接，接收来自上层的操作和管理命令,并向上传递装置的特性参数和采集到的实时生产数据。其主要实现的功能有:过程数据的采集、直接数字过程控制、设备检测、系统的测试和诊断以及安全性、冗余方面措施的实施。
在SIMATIC PCS7控制系统中,过程控制层的硬件系统主要包括:控制器、电源转换设备和控制机柜等。
三 控制器AS
化工自动化生产中，对控制系统的容错性和可靠性要求较高，一旦意外停车将会给生产带来很大的损失，而具有完备冗余功能的西门子公司SIMATIC S7-400H能够充分满足这些要求。
S7-40OH是最新的冗余PLC,代表冗余自动化系统,它能连续运行,即使控制器的某些部件由于故障而失效也不受影响。它始终要求采取附加措施以控制和安全有关的过程。冗余自动化系统可用来降低生产损失风险,而与该损失是由操作失误或者维护所导致无关。故障时间内导致的损失越多,越有必要使用冗余系统。
S7-400H自动化系统,能满足对最先进可编程逻辑控制器在有效性、智能度和分布式方面的高要求,系统提供了采集以及准备过程数据所需的所有功能,其中包括用于控制、开环控制以及监视机组和设备的功能。
S7-400H标准模块包括CPU模块、电源模块、同步模块、通信模块和扩展接口模块。
（1）CPU模块选择
根据整个系统总的I/O点数、所要求存储器的容量以及CPU的通讯能力,确定CPU模块的型号。在本项目中选择的CPU模块为西门子SIMATIC S7-400的417-4H冗余型。该型号具有快捷、强劲的通讯功能,可以与SIMATIC组态工具配套使用,从而可以进行高效的配置和编程,并且当系统在停电或故障掉电的情况下,有后备电池来保持数据,保证数据不会丢失,可靠性高。另外,CPU模块中集成的PROFIBUS-DP通讯接口可以周期性地自动交换I/O模块的数据。
(2)电源模块
电源模块用来给CPU模块、通讯模块供电,本项目采用的是PS4O71OA电源模块,可将其连接到120/230VAC(50Hz)或24DC电源上,输出电压为+24V,输出电流为1-10A，在选择电源模块时,原则是系统的负载小于其最大输出的70%。
(3)通信模块
中央处理器采用工业以太网模块CP443-1与上层设备进行通讯,数据传输介质采用屏蔽双绞线,传输速率可达100MbPs；采用CPU模块上集成PROFIBUS DP口与下层设备进行网络通讯,数据传输介质采用标准DP电缆。
（4）同步模块
同步模块通过光缆用以将S7-400H两个冗余CPU进行互连,使CPU之间能够进行通讯。
(5)扩展接口模块
通过扩展接口模块可以进行集中式扩展；用ET200M进行远程分布式扩展。从站中配冗余的IM 153-2接口模块,支持PROFINET和PROFIBUS现场总线。高度的模块化设计及与PCS7系统的完善兼容使ET200M非常适用于复杂的化工生产自动控制系统。
2：电源转换设备
要想保证现场控制站的正常工作,必须配备合适的电源转换设备来保证电源的稳定可靠。在本项目中,采用的电源转换设备是AC-DC转换器和不间断电源系统UPS。
(1)AC-DC转换器
集散控制系统电源设备的主要部分是AC/DC转换器,其主要作用是将交流电转换为直流电输出,供控制机柜使用。AC/DC转换器有两种类型:线性电源和开关电源。本项目中使用的是西门子的SITOP开关电源,输入是120/23OV、50/60Hz的交流电,输出为24V、20A的直流电。为了增加供电的可靠性,电源系统将采用2个SITOP开关电源构成冗余的24V直流供电系统,任何一路电源故障都会产生报警信息,并且两路冗余电源会自动切换,以保证系统的供电。
SITOP电源具备最高的安全性能和强大的功能,可以防范和解决各种供电安全问题。例如,电压波动和电源故障。另外,通过SITOP独特的附加模块,可实现供电的全面保护,为集散控制系统的控制机柜提供一个良好的运行环境。
(2)不间断电源系统UPS
由于离子膜烧碱生成工艺对控制连续性要求特别高,所以在系统中应该配备不间断电源系统UPS。正常时,电网电源通过它输出工作电源；停电时,电蓄电池经逆变输出供电电源。UPS有两种类型,一种是后备式,一种是在线式。在线式是在交流电源供电时,首先将输入的交流电整流成直流电,再逆变成交流电输出。在线式UPS有良好的抗交流噪声干扰的能力,并且在电网电源停电时不需要转换时间,直接给设备供电。在本项目中,根据现场装置在停电后必须保持的正常控制时间,选择的是GA的1小时在线式单相UPS。
3：安全栅
由于化工过程具有易燃、易爆和高温的环境特征,所以在一些I/O模块的输入输出端需要采用安全栅来隔爆。安全栅是一种安装在安全场所的本质安全型防爆仪表的关联设备,当本安防爆系统的本安仪表发生故障时,安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内,从而确保现场设备、人员和生产的安全。由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口,因此无论控制室设备处于正常或故障状态,安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。常见的安全栅结构形式分为二大类:一类为齐纳式安全栅,另一类是隔离式安全栅。
在本项目中,安全栅采用的是隔离式安全栅,主要是隔离转换器。
4：控制机柜
在过程控制层,控制机柜可以将工业现场的恶劣环境与控制器隔离,使系统可靠、安全的运行。控制机柜的设计要求合理、牢固,便于操作和设备维修时的装卸,并且要注意使用环境的温度范围。机柜的外壳要采用金属材料,活动部分之间保证有良好的电气连接,使其为内部的电子设备提供完善的电磁屏蔽。机柜内部的器件布局、接线方式、接线排的余量等问题,都要详细考虑,尽量使之清晰、合理。为了操作人员的安全,机柜还要求可靠的接地。另外,为保证机柜内电子设备的散热降温,柜内需要安装风扇,以提供强制风冷气流。
在本项目中,整个控制系统包括AS柜2个、I/O柜共7个,UPS电源1个。
典型控制机柜设计图：
项目中的机柜都采用机柜正反面设计,机柜正面主要是有CPU,工业以太网用的交换机以及供电模块和相应的端子排等,I/O模块通过ET200M扩展模块采用导轨式安装。机柜侧面有端子排,主要用于连接机柜间的相关信号,机柜背面是端子排和线槽,负责I/0模件所用的安全栅的分布。机柜底部会有大小尺寸不一的格兰头,电缆从格兰头处进入机柜,拧紧格兰头后会有很好的密封效果。机柜顶部如图所示有两个风扇,负责加快热量的散失。
四：系统网络设计
系统网络是DCS的骨架,也是DCS的基础和核心。由于DCS中的通信网络是用于工业生产过程的控制和管理,因此,它应该具有以下优良的特性:良好的实时性和快速的动态响应,保证实时的过程信息和操作管理信息能在确定的时间限度内完成传递;高度的可靠性,能使工业生产过程连续不断的进行;适应恶劣的工业现场环境的能力,保证信息传递的正确性;开放的系统互连性和互操作性,兼容不同厂商的设备和总线标准。
SIMATIC NET是西门子工业网络通信解决方案的统称,其系统结构如图
整个DCS控制系统的通信采用三层网络进行数据交换。
1现场设备层
现场设备层使用PROFIBUS现场总线。通过4—20mA信号电缆将分散在全厂范围内的一千多个仪表的信号传送到控制室内的I/O卡件，卡件再通过Profibus-DP总线将输入输出卡件上的仪表信息传送到控制器中。DCS的I/O设备以ET200M为主。根据要求ET200M可以支持I/O模块的带电插拔，开关量模块有16点、32点多种规格。
现场设备层采用PROFIBUS现场总线。现场总线是面向工厂自动化的一种国际性的现场总线标准,它规定了一种串行现场总线系统的技术特性和功能,用这种系统可以将现场中的分布式自动化设备在低性能和中等性能范围内相互连接成网络。PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层,支持主从方式、纯主方式以及多主多从通信方式。主站对总线具有控制权,主站间通过令牌来传递对总线的控制权,取得控制权的主站可以向从站发送、获取信息。PROFIBUS主要包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分。PROFIBUS-DP用于分布式I/O与控制设备间的高速数据传输,可取代4-20mA模拟信号的传输。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的,数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。其传输技术使用的是IEC1158-2,确保了本质安全和系统的稳定性,并通过现场总线对现场设备供电。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主从网络。在这三种协议中,PROFIBUS-DP的应用是最为广泛的。
本项目中,由于离子膜烧碱的控制点数和控制设备多,所以采用冗余的DP总线连接处理器与远程分布式ET200M,以此来进行数据的交换。对于远程站,为了保证数据传输的实时性与安全性,选择光纤作为传输介质,并在通讯端分别加上一台光电藕合器(OLM),通过OLM来进行PROFIBUS-DP信号与光信号的转换。另外,在每根DP电缆的起始端和终端都需要加入一个终端电阻,这样可以消除信号反射带来的干扰,保证数据传输的可靠性。
2控制层
DCS控制网络的主要作用是要完成现场控制站之间的信息传递,以实现不同回路间的协调、连锁、联动,将现场控制站的现场信息及时、完整、准确地送到操作员站和系统服务器,以实现操作员对现场的监督控制和人工干预,并实现更高级的优化控制和生产管理调度功能。西门子工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术,符合IEEE802.3以及IEEE802.11标准,使用ISO和TCP/IP通讯协议,并采用10Mbit/s以及100Mbit/s、1Gbit/s快速以太网技术。其不仅秉承了传统以太网的诸多优势,而且还具有高通信速率、成本低廉、资源共享能力强、适应恶劣的现场环境和可持续发展潜力大等特点,完全可以满足DCS中控制网络的要求。
控制网络中的系统总线是西门子公司生产的100M工业以太网, 采用光缆作为通讯介质，整个光纤网络连成了环状，可以实现网络介质的冗余。
3过程监控层
指的是冗余服务器与客户机(操作员工作站)之间的通信，为操作终端网。操作终端网为服务器/客户机方式，是通过普通以太网络实现的，采用TCP／口协议进行传输。
窗体底端
窗体顶端
1现场设备层
现场设备层使用PROFIBUS现场总线。通过4—20mA信号电缆将分散在全厂范围内的一千多个仪表的信号传送到控制室内的I/O卡件，卡件再通过Profibus-DP总线将输入输出卡件上的仪表信息传送到控制器中。DCS的I/O设备以ET200M为主。根据要求ET200M可以支持I/O模块的带电插拔，开关量模块有16点、32点多种规格。
现场设备层采用PROFIBUS现场总线。现场总线是面向工厂自动化的一种国际性的现场总线标准,它规定了一种串行现场总线系统的技术特性和功能,用这种系统可以将现场中的分布式自动化设备在低性能和中等性能范围内相互连接成网络。PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层,支持主从方式、纯主方式以及多主多从通信方式。主站对总线具有控制权,主站间通过令牌来传递对总线的控制权,取得控制权的主站可以向从站发送、获取信息。PROFIBUS主要包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分。PROFIBUS-DP用于分布式I/O与控制设备间的高速数据传输,可取代4-20mA模拟信号的传输。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的,数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。其传输技术使用的是IEC1158-2,确保了本质安全和系统的稳定性,并通过现场总线对现场设备供电。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主从网络。在这三种协议中,PROFIBUS-DP的应用是最为广泛的。
本项目中,由于离子膜烧碱的控制点数和控制设备多,所以采用冗余的DP总线连接处理器与远程分布式ET200M,以此来进行数据的交换。对于远程站,为了保证数据传输的实时性与安全性,选择光纤作为传输介质,并在通讯端分别加上一台光电藕合器(OLM),通过OLM来进行PROFIBUS-DP信号与光信号的转换。另外,在每根DP电缆的起始端和终端都需要加入一个终端电阻,这样可以消除信号反射带来的干扰,保证数据传输的可靠性。
2控制层
DCS控制网络的主要作用是要完成现场控制站之间的信息传递,以实现不同回路间的协调、连锁、联动,将现场控制站的现场信息及时、完整、准确地送到操作员站和系统服务器,以实现操作员对现场的监督控制和人工干预,并实现更高级的优化控制和生产管理调度功能。西门子工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术,符合IEEE802.3以及IEEE802.11标准,使用ISO和TCP/IP通讯协议,并采用10Mbit/s以及100Mbit/s、1Gbit/s快速以太网技术。其不仅秉承了传统以太网的诸多优势,而且还具有高通信速率、成本低廉、资源共享能力强、适应恶劣的现场环境和可持续发展潜力大等特点,完全可以满足DCS中控制网络的要求。
控制网络中的系统总线是西门子公司生产的100M工业以太网, 采用光缆作为通讯介质，整个光纤网络连成了环状，可以实现网络介质的冗余。
4过程监控层
指的是冗余服务器与客户机(操作员工作站)之间的通信，为操作终端网。操作终端网为服务器/客户机方式，是通过普通以太网络实现的，采用TCP／口协议进行传输。
窗体底端
窗体顶端
五：控制系统的软件设计
1SIMATIC PCS7简介
SIMATIC PCS7是西门子公司在1997年德国法兰克福ACHMA展会上推出的一种基于现场总线的模块化的新一代过程控制系统。它基于全集成自动化TIA理念,将传统集散控制系统和PLC控制系统的优点有机地结合在一起,既保持了集散控制系统所具有的分散控制、集中管理等特征,同时也具有西门子SIMATIC S7系列可编程控制器的通用性。作为先进的过程控制系统,它采用标准的SIMATIC软件和硬件组件,和PROFIBUS现场总线融为一体,结合网络通信技术、图像处理技术和先进控制理论,为用户提供了一种开放式面向未来的性价比较高的自动化解决方案。
SIMATIC PCS7软件工具可以支持并配置所有需要的硬件组件,并且软件系统功能先进,可以满足诸如化工、水泥、制药、水处理以及电力等工业领域中的组态设计、控制和调试等各种自动化任务。控制对象分析
1离子膜烧碱DCS控制系统设计方案概述
通过分析工艺对过程控制的要求，并考虑当前自动控制技术的发展及企业管理的需要，制定了总体设计方案，决定采用西门子公司的PCS7(Process Control System 7)过程控制系统作为全厂的自动监控系统。PCS7是一种模块化的、基于现场总线的过程控制系统，它结合了传统DCS和PLC的优点及功能。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台；所有软件也都集成在SIMATIC程序管理器下，具有同一的软件平台；在网络配置上使用标准的工业以太网和Profibus现场总线。由于PCS7消除了DCS和PLC的界限，真正实现了仪表控制和电气控制的一体化，使系统应用范围更广。它是一种适用于现在，面向未来的开放型现场总线过程控制系统。现场控制站采用1台西门子S7 400系列的CPU 417-4 H，具有很强的计算功能和容错性。有灵活的模块化结构和高度的性能裕量，是一个用于制造工业和过程工业系统解决方案的自动化平台。
2控制系统分区
(l)工艺原则，在工艺上联系紧密的工段设备的测点信号需要被分配到同一个控制站中,这样可以减少不同工段之间的联系以及影响,减少AS（Automation station）站之间信号通讯。
(2)区域原则,一般把距离相近的设备的测点信号配到同一个I/O站中，这样可以减少电缆铺设,提高通讯质量。
(3)CPU的负载限制,在系统分区时,应该考虑CPU的负载限制,如果测点信号过多,超出CPU的负载限制,将会影响控制器的运行速度。
(4)现场总线负载的能力，采用PROFIBUS现场总线,理论上每条总线可以挂125个通讯设备,实际上,当通讯设备超过60个的时候通讯质量将降低,所以在控制系统分区时应考虑现场总线的负载能力。
本系统分为8个单元：06盐水工段、07化学脱氯、08氯酸盐分解、11电解工段、31阳极液循环、50氯氢处理、60液氯包装、90碱罐区
3控制系统点号表设计
本项目有2000个I/O点，模拟量700点，数字量1300点
编号岗位名称数字量点数模拟量点数总I/O点数
06 盐水工段 30 150 180
07 化学脱氯 70 150 220
08 氯酸盐分解 30 50 80
11 电解工段 100 200 300
31 阳极液循环 70 50 120
50 氯氢处理 180 300 480
60 液氯包装 50 50 100
90 碱罐区 8 10 18
本控制系统有以下特点：
(l)通讯量大。本项目有测量点2000个，在网络通讯中，有100多个DP通讯设备与测点数据交换。
(2)开关量多,在本项目中,开关量测量点占总测量点的70%左右,这些开关量测点大多为电机的启动、停止、电机保护信号，阀门的开关、自身保护信号。
(3)设备连锁要求高,因为烧碱生产要求连续性和很高的安全性,所以同一工艺段的设备一定要按顺起逆停的顺序去操作,当一个工艺段的某个设备出现故障,那么此设备的连锁设备必须立即停车,避免生产事故。
4控制系统的功能要求
系统控制功能的优劣，不但可以影响到生产运行的稳定，而且还会影响到离子膜生产的效率和效益。
(l)足够的可靠性。为了保证系统的可靠,首先要提高I/O模块、控制器模块、网络等模块的设计标准,选用高质量的元器件。系统必须具有完善的硬件、软件故障自诊断功能,自动记录故障报警并能提示维护人员进行维护，任何单点故障都不能影响DCS系统的整体功能。
（2）冗余原则。系统必须具有完备的冗余和容错技术。所有电源设备和部件必须配置为双重冗余结构。各级网络通讯设备和总线必须采用双重冗余。控制站处理器等功能卡必须采用双重冗余。每个操作员站必须带有独立的计算机主机,操作员站之间必须具备工作冗余的功能。对冗余的设备,必须能在线故障诊断、报警、自动切换及维修提示。冗余的设备必须能在线插拔、更换。
(3)DCS系统应采取有效措施,以防止各类计算机病毒的侵害和DCS内各存储器的数据丢失。
(4)过程报警和系统报警。系统应能通过接点的状态变化,或者参照预先存储的参考值,对模拟量输入、数字量输入、计算点、平均值等进行扫描比较,分辨出状态是否正常。若确认某点超过预先给定的范围,操作站上应显示相应的报警信号,并发出报警声音。
(5)系统网络采用工业以太网网络结构,主干网采用冗余环网,所有子站通过电缆挂接在主干网络上,系统应具有极强的通讯扩展能力,并且提供与其他系统的通讯接口。
(6)在操作站的操作画面上必须显示重要设备的关键参数,可以让操作员实时了解设备的运行状态。并且模拟量数据需做历史趋势归档,以便操作员和工程师查看该模拟量参数过去某一时刻的历史数据。
（7）系统的负荷要求:生产控制系统包括所有功能系统及硬件设备如工程师站,操作员站,供电系统,电源控制设备,通讯网络系统等设计负荷都不超过系统软硬件承载能力的60%。机柜内直流稳压SITOP电源负荷不超过用电的70%。
(8)控制室内需配备打印机,能随时打印从任意操作站发出的打印命令,并打印所需内容,如控制方式变化、报警值、PID参数更改、报警确认等信息。
窗体顶端
第3章控制系统的硬件设计
为了满足自动化生产功能分层的需要,集散控制系统的结构采用层次化的体系结构,它是集散控制系统分散控制、集中操作和管理特点的集中体现。其体系结构可分为四个级别:过程管理级,过程控制级,现场控制级和经营管理级。集散控制系统的硬件采用积木式结构,通过网络系统将不同数量的现场控制站、服务器、操作员站和工程师站连接起来,共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。
本章详述过程管理层、过程控制层。
1过程管理层硬件设计
这一层包括的过程管理计算机主要有工程师站和操作员站,同时采用过程控制层的的设备来实现过程装置的控制管理。操作人员通过工程师站和操作员站可以管理和监视生产过程中的所有信息,集中显示操作,实现各种常规控制策略、控制回路组态和参数的修改,优化过程处理等任务。通过服务器直接获取控制层的实时数据,进行生产过程的监视、故障检测和数据存储等工作。
(l)工程师站
工程师站是为具有相关专业知识的工程技术人员设计,在工程师站装有组态工具平台和控制系统维护工具软件,工程师站负责整个系统的组态,数据库生成,上位监控画面制作,报表制作,程序下载,给操作员站分配监控画面等。
该项目的工程师站由一台高性能SIMATIC商用机组成(调试过程),分别负责工艺区的程序编制、调试以及控制系统维护,这些工程师站通过工业以太网网络与各个控制站进行数据交换,自动化程序一定要在所在权限的工程师站上进行修改,下载。当离子膜烧碱生产正常运行时,工程师站将不起作用,由操作员站负责监控,此时,只留用一台工程师站。
(2)操作员站
操作员站负责各子系统的监控,操作员站是互相备用的,当其中的一个操作员站出了故障时,其它的操作员站可以代替它继续正常工作。所以相对于工程师站,操作员站的硬件设计相对简单,主要由PC机、显示器、鼠标、键盘、打印机等组成,操作员站通过WICC组态软件设计上位监控界面,实现各生产过程的图形化界面监视、报警、报表等管理功能。
该项目的操作员站由四台SIMATIC商用机组成,操作员站通过以太网卡与服务器相连进行数据通信,其主要用来对整个生产线的生产状态进行监管控制,修改相关生产工艺参数,操作员站的机器没有权限去访问,存储和修改控制程序。其监控画面和生产参数与服务器保持同步,这四台机器可以对每个工艺环节进行监控,所以每个工艺段需要分配专职操作员,这样可以避免操作冲突。
(3)服务器
该项目有两台冗余服务器，均能独立监控整个生产过程,这样可以防止电脑故障而引起的生产事故,增加了系统的可靠性。
2过程控制层硬件设计
过程控制层是集散控制系统最底层的部分,也是最基础的一个层次,它直接与生产过程相连接。过程控制层直接与现场的各类变送器、执行器、分析仪表等相连接,对所连接的装置实施数据采集、过程监测和流量控制；同时,它向上与第二层的过程管理层相连接，接收来自上层的操作和管理命令,并向上传递装置的特性参数和采集到的实时生产数据。其主要实现的功能有:过程数据的采集、直接数字过程控制、设备检测、系统的测试和诊断以及安全性、冗余方面措施的实施。
在SIMATIC PCS7控制系统中,过程控制层的硬件系统主要包括:控制器、电源转换设备和控制机柜等。
3.控制器AS
化工自动化生产中，对控制系统的容错性和可靠性要求较高，一旦意外停车将会给生产带来很大的损失，而具有完备冗余功能的西门子公司SIMATIC S7-400H能够充分满足这些要求。
S7-40OH是最新的冗余PLC,代表冗余自动化系统,它能连续运行,即使控制器的某些部件由于故障而失效也不受影响。它始终要求采取附加措施以控制和安全有关的过程。冗余自动化系统可用来降低生产损失风险,而与该损失是由操作失误或者维护所导致无关。故障时间内导致的损失越多,越有必要使用冗余系统。
S7-400H自动化系统,能满足对最先进可编程逻辑控制器在有效性、智能度和分布式方面的高要求,系统提供了采集以及准备过程数据所需的所有功能,其中包括用于控制、开环控制以及监视机组和设备的功能。
S7-400H标准模块包括CPU模块、电源模块、同步模块、通信模块和扩展接口模块。
（1）CPU模块选择
根据整个系统总的I/O点数、所要求存储器的容量以及CPU的通讯能力,确定CPU模块的型号。在本项目中选择的CPU模块为西门子SIMATIC S7-400的417-4H冗余型。该型号具有快捷、强劲的通讯功能,可以与SIMATIC组态工具配套使用,从而可以进行高效的配置和编程,并且当系统在停电或故障掉电的情况下,有后备电池来保持数据,保证数据不会丢失,可靠性高。另外,CPU模块中集成的PROFIBUS-DP通讯接口可以周期性地自动交换I/O模块的数据。
(2)电源模块
电源模块用来给CPU模块、通讯模块供电,本项目采用的是PS4O71OA电源模块,可将其连接到120/230VAC(50Hz)或24DC电源上,输出电压为+24V,输出电流为1-10A，在选择电源模块时,原则是系统的负载小于其最大输出的70%。
(3)通信模块
中央处理器采用工业以太网模块CP443-1与上层设备进行通讯,数据传输介质采用屏蔽双绞线,传输速率可达100MbPs；采用CPU模块上集成PROFIBUS DP口与下层设备进行网络通讯,数据传输介质采用标准DP电缆。
（4）同步模块
同步模块通过光缆用以将S7-400H两个冗余CPU进行互连,使CPU之间能够进行通讯。
(5)扩展接口模块
通过扩展接口模块可以进行集中式扩展；用ET200M进行远程分布式扩展。从站中配冗余的IM 153-2接口模块,支持PROFINET和PROFIBUS现场总线。高度的模块化设计及与PCS7系统的完善兼容使ET200M非常适用于复杂的化工生产自动控制系统。
电源转换设备
要想保证现场控制站的正常工作,必须配备合适的电源转换设备来保证电源的稳定可靠。在本项目中,采用的电源转换设备是AC-DC转换器和不间断电源系统UPS。
(1)AC-DC转换器
集散控制系统电源设备的主要部分是AC/DC转换器,其主要作用是将交流电转换为直流电输出,供控制机柜使用。AC/DC转换器有两种类型:线性电源和开关电源。本项目中使用的是西门子的SITOP开关电源,输入是120/23OV、50/60Hz的交流电,输出为24V、20A的直流电。为了增加供电的可靠性,电源系统将采用2个SITOP开关电源构成冗余的24V直流供电系统,任何一路电源故障都会产生报警信息,并且两路冗余电源会自动切换,以保证系统的供电。
SITOP电源具备最高的安全性能和强大的功能,可以防范和解决各种供电安全问题。例如,电压波动和电源故障。另外,通过SITOP独特的附加模块,可实现供电的全面保护,为集散控制系统的控制机柜提供一个良好的运行环境。
(2)不间断电源系统UPS
由于离子膜烧碱生成工艺对控制连续性要求特别高,所以在系统中应该配备不间断电源系统UPS。正常时,电网电源通过它输出工作电源；停电时,电蓄电池经逆变输出供电电源。UPS有两种类型,一种是后备式,一种是在线式。在线式是在交流电源供电时,首先将输入的交流电整流成直流电,再逆变成交流电输出。在线式UPS有良好的抗交流噪声干扰的能力,并且在电网电源停电时不需要转换时间,直接给设备供电。在本项目中,根据现场装置在停电后必须保持的正常控制时间,选择的是GA的1小时在线式单相UPS。
安全栅
由于化工过程具有易燃、易爆和高温的环境特征,所以在一些I/O模块的输入输出端需要采用安全栅来隔爆。安全栅是一种安装在安全场所的本质安全型防爆仪表的关联设备,当本安防爆系统的本安仪表发生故障时,安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内,从而确保现场设备、人员和生产的安全。由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口,因此无论控制室设备处于正常或故障状态,安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。常见的安全栅结构形式分为二大类:一类为齐纳式安全栅,另一类是隔离式安全栅。
在本项目中,安全栅采用的是隔离式安全栅,主要是隔离转换器。
控制机柜
在过程控制层,控制机柜可以将工业现场的恶劣环境与控制器隔离,使系统可靠、安全的运行。控制机柜的设计要求合理、牢固,便于操作和设备维修时的装卸,并且要注意使用环境的温度范围。机柜的外壳要采用金属材料,活动部分之间保证有良好的电气连接,使其为内部的电子设备提供完善的电磁屏蔽。机柜内部的器件布局、接线方式、接线排的余量等问题,都要详细考虑,尽量使之清晰、合理。为了操作人员的安全,机柜还要求可靠的接地。另外,为保证机柜内电子设备的散热降温,柜内需要安装风扇,以提供强制风冷气流。
在本项目中,整个控制系统包括AS柜2个、I/O柜共7个,UPS电源1个。
典型控制机柜设计图：
项目中的机柜都采用机柜正反面设计,机柜正面主要是有CPU,工业以太网用的交换机以及供电模块和相应的端子排等,I/O模块通过ET200M扩展模块采用导轨式安装。机柜侧面有端子排,主要用于连接机柜间的相关信号,机柜背面是端子排和线槽,负责I/0模件所用的安全栅的分布。机柜底部会有大小尺寸不一的格兰头,电缆从格兰头处进入机柜,拧紧格兰头后会有很好的密封效果。机柜顶部如图所示有两个风扇,负责加快热量的散失。
系统网络设计
系统网络是DCS的骨架,也是DCS的基础和核心。由于DCS中的通信网络是用于工业生产过程的控制和管理,因此,它应该具有以下优良的特性:良好的实时性和快速的动态响应,保证实时的过程信息和操作管理信息能在确定的时间限度内完成传递;高度的可靠性,能使工业生产过程连续不断的进行;适应恶劣的工业现场环境的能力,保证信息传递的正确性;开放的系统互连性和互操作性,兼容不同厂商的设备和总线标准。
SIMATIC NET是西门子工业网络通信解决方案的统称,其系统结构如图
整个DCS控制系统的通信采用三层网络进行数据交换。
现场设备层
现场设备层使用PROFIBUS现场总线。通过4—20mA信号电缆将分散在全厂范围内的一千多个仪表的信号传送到控制室内的I/O卡件，卡件再通过Profibus-DP总线将输入输出卡件上的仪表信息传送到控制器中。DCS的I/O设备以ET200M为主。根据要求ET200M可以支持I/O模块的带电插拔，开关量模块有16点、32点多种规格。
现场设备层采用PROFIBUS现场总线。现场总线是面向工厂自动化的一种国际性的现场总线标准,它规定了一种串行现场总线系统的技术特性和功能,用这种系统可以将现场中的分布式自动化设备在低性能和中等性能范围内相互连接成网络。PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层,支持主从方式、纯主方式以及多主多从通信方式。主站对总线具有控制权,主站间通过令牌来传递对总线的控制权,取得控制权的主站可以向从站发送、获取信息。PROFIBUS主要包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分。PROFIBUS-DP用于分布式I/O与控制设备间的高速数据传输,可取代4-20mA模拟信号的传输。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的,数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。其传输技术使用的是IEC1158-2,确保了本质安全和系统的稳定性,并通过现场总线对现场设备供电。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主从网络。在这三种协议中,PROFIBUS-DP的应用是最为广泛的。
本项目中,由于离子膜烧碱的控制点数和控制设备多,所以采用冗余的DP总线连接处理器与远程分布式ET200M,以此来进行数据的交换。对于远程站,为了保证数据传输的实时性与安全性,选择光纤作为传输介质,并在通讯端分别加上一台光电藕合器(OLM),通过OLM来进行PROFIBUS-DP信号与光信号的转换。另外,在每根DP电缆的起始端和终端都需要加入一个终端电阻,这样可以消除信号反射带来的干扰,保证数据传输的可靠性。
控制层
DCS控制网络的主要作用是要完成现场控制站之间的信息传递,以实现不同回路间的协调、连锁、联动,将现场控制站的现场信息及时、完整、准确地送到操作员站和系统服务器,以实现操作员对现场的监督控制和人工干预,并实现更高级的优化控制和生产管理调度功能。西门子工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术,符合IEEE802.3以及IEEE802.11标准,使用ISO和TCP/IP通讯协议,并采用10Mbit/s以及100Mbit/s、1Gbit/s快速以太网技术。其不仅秉承了传统以太网的诸多优势,而且还具有高通信速率、成本低廉、资源共享能力强、适应恶劣的现场环境和可持续发展潜力大等特点,完全可以满足DCS中控制网络的要求。
控制网络中的系统总线是西门子公司生产的100M工业以太网, 采用光缆作为通讯介质，整个光纤网络连成了环状，可以实现网络介质的冗余。
过程监控层
指的是冗余服务器与客户机(操作员工作站)之间的通信，为操作终端网。操作终端网为服务器/客户机方式，是通过普通以太网络实现的，采用TCP／口协议进行传输。
窗体底端
窗体顶端
第四章控制系统的软件设计
六： SIMATIC PCS7简介
SIMATIC PCS7是西门子公司在1997年德国法兰克福ACHMA展会上推出的一种基于现场总线的模块化的新一代过程控制系统。它基于全集成自动化TIA理念,将传统集散控制系统和PLC控制系统的优点有机地结合在一起,既保持了集散控制系统所具有的分散控制、集中管理等特征,同时也具有西门子SIMATIC S7系列可编程控制器的通用性。作为先进的过程控制系统,它采用标准的SIMATIC软件和硬件组件,和PROFIBUS现场总线融为一体,结合网络通信技术、图像处理技术和先进控制理论,为用户提供了一种开放式面向未来的性价比较高的自动化解决方案。
SI