西门子S7-400H系统在造粒机组上的应用

安戈

(中国石化股份有限公司齐鲁分公司塑料厂,山东 淄博 255411)

西门子S7-400H系统在造粒机组上的应用

安戈

(中国石化股份有限公司齐鲁分公司塑料厂,山东 淄博 255411)

介绍了西门子S7-400H系统在聚丙烯造粒机组上的应用,包括控制系统的硬件配置情况、典型控制功能和第一故障原因闪光报警系统的实现方法。研究分析了FB41功能块的引脚功能、挤压造粒机筒体压力不稳和混炼电机连续启动现象的成因,解决了工艺参数控制不稳和混炼电机连续启动的问题。设备运行情况表明,西门子PLC满足机组对控制系统的要求。

S7-400H 参数控制 挤压机 混炼电机 连续启动 齿轮泵

0 引言

齐鲁石化公司聚丙烯装置是1986年引进的Himont公司的生产工艺,基础设计由美国Flour公司设计[1]。装置的挤压造粒机组选用日本制钢公司的CMP 280X型挤压造粒机,联锁控制系统采用Omron公司的C500型可编程逻辑控制器(programming logic controller,PLC)。从1990年装置开车到改造前,系统已经使用20多年,控制系统使用的所有卡件都已经停止生产和供应,这给备品备件带来极大困难。PLC的编程采用专用编程器——图形化编程器(graphic programming console,GPC)。这台编程器由于设备损坏已经无法使用,且生产厂家已经不提供C500的技术支持。因此,控制系统自身的安全存在重大隐患。另外,PLC自成体系,没有人机交互功能,无法与工厂信息管理系统联网,而且机组的工艺数据、设备状态信息没有历史记录,无法对设备信息做追溯。可编程控制器初期主要用于顺序控制[2],当前它不仅具有逻辑处理功能,还具有PID运算、构成网络等复杂功能[3]。基于上述原因,需要对控制系统进行升级改造,以满足工艺安全生产和工厂信息化管理的需求。

1 控制系统改造情况

改造有原型改造和升级改造两种形式。本次改造是聚丙烯装置造粒机组控制系统的升级改造。为了改变机组现有操作模式,取消现场控制室,同时也要满足挤压造粒机组控制、操作要求和工艺过程数据上网要求,需要增加操作站、工程师站。经过全面考虑安全、投资、易操作、易维护等方面的因素,最终选用西门子公司的S7-400H系统。

这套控制系统由AS-400H控制站和分布式I/O ET200M匹配。控制站由两套电源模块PS407、两套中央处理器CPU 414-H、两套通信模块CP443-1安装在冗余背板UR-H上,构成冗余控制器。控制器之间采用光纤连接,实现数据同步。S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余原理,两个控制器使用相同的用户程序,接收相同的数据,保证两个控制器数据同步更新。当前控制器发生故障时,可以无扰动地切换到备用控制器。分布式I/O ET200M由安装背板IM/IM(支持带电更换模块功能)、Profibus-DP接口模块IM153-2、Profibus-DP总线连接器以及S7-300的I/O模块组成。每个ET200M可安装8块I/O模块。ET200M是基于Profibus-DP现场总线的分布式I/O,可使用S7-300全系列模块。AS-400H控制站和分布式I/O ET200M的匹配模式有利于节省工程投资。

控制系统配置了1台工程师站和2台操作员站。工程师站安装在现场机柜间,便于仪表工程师做程序组态和系统调试。2台操作员站安装在中央控制室。由于现场机柜间距离中央控制室较远,控制站和操作员站之间使用冗余环形光缆网络连接,可以实现远程的现场监控和工艺参数调整。环形网络是由一系列通信链路把一系列节点连接成首尾相闭合的环路,信息在环路上流动[4]。为了便于操作工就地操作,现场安装一面就地控制盘,上面安装了操作按钮、选择开关和1台15.1英寸(1英寸=25.4 mm)触摸屏。

在本系统中,硬件I/O模块使用了模拟量输入卡(analog input,AI)、模拟量输出卡(analog output,AO)、数字量输入卡(digital input,DI)、数字量输出卡(digital output,DO)。模拟量输入卡的功能是将过程模拟量信号转换成S7-300内部所用的数字量信号。模拟量输入卡可以连接电压传感器、电流传感器、热电阻、热电偶传感器,测量范围可以由量程卡设定。模拟量输出卡是把由S7-300处理的数字信号转换为过程要求的模拟信号[5]。

系统中上位机的人机接口软件(human machine interface,HMI)使用WinCC(Windows control center),用于操作员控制和监视。目前,国际和国内市场上常用的HMI系统有WonderWare公司的InTouch、西门子公司的WinCC、Intellution公司的iFix、Rockwell公司的Rsview32、LogoSystem公司的LogView等,以及国内的组态王、力控等软件[6]。

2 典型控制功能的实现方法

系统硬件安装、组态完成后进行软件编程。这套系统的用户软件实现了造粒机组的联锁逻辑控制和切粒水温度、筒体压力等自动调节,另外还有挤压机工艺参数显示和工艺参数的历史记录、报警信息记录、动设备运行状态显示。

2.1 自动调节回路

自动调节回路由AI点、AO点和功能块以及相应程序段组成(如TRCA-825)。

2.1.1 定义AI点、AO点

首先在硬件设备上定义AI点(TE-825)、AO点(TY-825)。程序中的寻址方式可以用绝对地址寻址,也可以使用符号(位号)寻址。在西门子的Step7中,符号表中的符号必须是惟一的[7]。使用符号寻址编程会使程序读起来更容易。当用户程序使用符号地址编程时,Step7会自动将符号地址转换成绝对地址。

2.1.2 工程量转换和报警设置

工程量转换借助于FC275块来实现,它在系统中称为驱动块。报警设置借助于FB65块来实现,它在系统中称为测量值监视块。每个FB65块可以设置低低报、低报、高报、高高报4个报警点。如果1个AI点只是做显示,不需要产生开关量信号,则可以不必使用FB65块。

2.1.3 编程

调节控制功能采用FB41模块完成。使用这个模块可以实现对工艺参数的自动控制和手动操作,还可以完成其他一些功能,如输出限幅、设置控制死区等。手自动切换、设定值给定、手动输出给定、PID参数等的改变可以在功能块引脚上调整,也可以在上位机的WinCC画面中调整。FB41模块产生的输出信号由LMN引脚送给FC106模块。在FC106模块中,将整型数转换成工程单位数后由OUT引脚送出。

为了实现手自动无扰动切换,程序中使用了MOVE功能块做赋值。当参数"TY825".MAN_ON为“1”时,将"TY825".PV_IN的值赋给"TY825".SP_ INT,以保证在手自动切换时SP值和PV值一致,避免切换后出现工艺参数波动。本例中工艺过程的水温控制是以冷水阀为主控对象,热水阀和冷水阀同时动作但开度相反,调节器的作用设置为反作用。FB41模块本身不具有正反作用选择的功能,因此先把PID参数的P值乘以(-1)后再送给FB41的GAIN引脚,实现调节器的反作用控制。

2.2 联锁回路

普通联锁回路通过与、或、非逻辑关系的组合就可以实现逻辑功能。例如改造中,筒体冷却水箱的补水控制阀门ZY-8711的控制要求是:水箱中水位低报开关LSL-8711报警时,打开阀门ZY-8711补水并保持,直到水位高报开关LSH-8711报警时,关闭阀门ZY-8711。该系统采用断开报警的约定。实现上述控制要求的逻辑图如图1所示。

图1 逻辑图Fig.1 The logic diagram

2.3 第一故障原因的闪光报警系统

在造粒机组的联锁停车逻辑中,有27个条件可以触发停车联锁。一旦停车后,报警灯屏上会出现很多报警,包括第一故障报警和次生报警,因此通过报警灯屏无法准确判断出哪个是导致停车的第一报警。由于WinCC扫描时间的限制,报警不能做到实时记录,有时候甚至记录不全,给停车原因分析带来很大不便。为了解决这个问题,我们做了能够区分第一故障原因的闪光报警系统。该系统的工作原理与一般闪光报警系统十分相似,区别是第一故障原因的闪光报警系统需要设计程序,用于对首出信号进行存储并保持,对后续信号进行互锁[8]。利用该程序段,在造粒机组正常运行期间,一旦联锁停车条件出现,就会被锁定,同时禁止其他次生报警显示。第一事故报警出现以后,如果造粒机组没有运行,报警灯屏上的报警不能被确认,只能消音。

3 开车过程中的故障解决

3.1 切粒水温度控制不稳

由于切粒水的测温点和调节阀之间的安装距离较远,造成控制系统纯滞后时间较大,因此无法通过PID参数整定来稳定被调参数。通过研究FB41的引脚功能发现,DEADB_W引脚可作为调节死区使用。当测量值和给定值的偏差在设置的死区范围内时,调节器不再进行调节,输出值保持不变。该引脚系统默认值为0,将其修改为0.2,被控参数明显趋稳。为了取得良好的控制效果,最终把DEADB_W设为0.5,即当测量值和设定值的偏差大于±0.5 K时,PID参数起作用,输出自动调整;当偏差小于±0.5 K时,输出暂时保持不变。实际控制效果表明,切粒水温度偏差可以收敛到±0.2 K之内,能够满足生产对切粒水温度的要求。

3.2 混炼电机开车过程中多次启动

在改造试车过程中,操作工反映开车时发现混炼电机存在多次启动的现象。现场确认表明,在一次开车过程中混炼电机连续启动次数最多时达到4次。这台电机是6 000 V交流电机,连续启动对电机本身损伤很大;电机的连续启动也会干扰电网的正常运行。调取相关工艺参数的历史趋势记录看到,在混炼电机启动的瞬间,混炼电机绕组温度检测点TE8213/TE8215/ TE8217同时出现瞬间测量值达到最高值的情况。由于这3个测温点参与了停车联锁,当其中任一个达到联锁值时都会触发混炼电机的联锁停车。这就是混炼电机启动后就停下来的原因。

可是既然联锁已经触发,为什么混炼电机又启动了呢？由造粒机组的控制逻辑可以看出,混炼电机的自动开车条件是启动电机的运行信号。自动开车模式下,在启动电机运行20 s后,混炼电机自动启动,而且启动指令一直保持到启动电机停止时结束。造粒机组主要设备的开车顺序是:开车电机、混炼电机、加料线M802电机等依次启动运行。开车电机在加料线电机运行10 s后自动停止。因此,在混炼电机启动后到启动电机停止前的15 s内,出现联锁停车条件时混炼电机停车,联锁条件消失,混炼电机再次启动,程序照常往下执行,不会导致混炼电机停下开不起来。

由测温点的历史趋势可以看到测量值满量程的脉冲信号,这显然和温度参数的变化规律不符。现场检查发现测温元件是埋在绕组中的热电阻,测量值出现温度脉冲的原因是电机启动瞬间磁场变化引起的电磁干扰。在大功率变压器、交流电机、大电流导线等周围都有较强的交流磁场,如果仪表的信号连线通过时,就会受到交变磁场的影响而产生干扰[9]。查找MTL温变型隔离栅的资料,发现它不能解决这种形式的干扰。通过研究测量监控模块FB65的引脚功能,其HYS引脚可以对输入的模拟量做滞后处理,系统默认值为5.0。通过试验发现,把它增加到25.0就可以有效避开启动瞬间的干扰脉冲。最终我们把3个测温点的HYS引脚参数设置为30.0,修改后没有再出现过触发联锁误动作的情况。

3.3 造粒机组长周期运行困难

控制系统更新后造粒机组在一段时间内无法实现长周期运行,主要表现是齿轮泵运行不稳定,造粒机筒体压力控制不稳。机组的筒体压力控制出现空前困难。这条控制回路的压力检测仪表改造前使用电阻型压力传感器,传感器输出的非标信号通过专用电缆送给安装在控制室的转换器,经过转换后形成标准信号送到调节器。调节器采用日本横河的YS80调节器。调节器的输出送到电气控制齿轮泵电机,通过调整齿轮泵转速来稳定筒体压力。改造时,我们把现场的压力传感器换成了能够直接输出标准信号的压力变送器,标准信号直接接入AI卡,调节器功能由控制模块FB41和其他模块组合实现。

通过历史记录看到,开车后筒体压力波动幅度较改造前大很多,齿轮泵转速变化振幅也很大。这种现象通过对调节器PID参数的调整没有得到有效改善,甚至出现过由于压力调节失控造成机组上爆破膜爆破的情况,机组经常因为齿轮泵运转不正常而被迫停车。

通过仔细对比改造前后这条回路的情况发现,由于在改造时压力测量回路的信号接地没有处理好,信号在传输过程中引入了大量的干扰,造成了虚假信号。接地系统混乱对工业计算机系统的干扰主要是大地电位分布不均,不同接地点之间存在电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作[10]。完善信号回路的屏蔽接地后,造粒机组真正实现了长周期的平稳运行。

4 结束语

这次改造,从根本上解决了原控制系统本身没有备件和无法打开用户软件的不利局面。改造前的系统没有历史记录,在出现问题后不能客观地对故障前和故障时的情况进行还原。改造后,操作工远离了噪声超标的机组现场,可以通过友好的人机交互界面在远程操作站上观察和控制设备运行状况。所有的工艺参数有了历史记录,为工艺车间提升设备管理水平创造了条件。改造后,机组上的重要工艺参数通过网络上传到工厂管理系统,为企业的信息化管理提供了保障。经过一年多的使用证明,西门子S7-400H系统完全满足造粒机组的控制要求。

[1] 安戈,刘玉香.TPS中调节控制点的综合应用[J].自动化仪表, 2009,30(1):34-36.

[2] 厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].4版.北京:化学工业出版社, 2006:126.

[3] 杜鹃.测量仪表仪表与自动化[M].2版.山东:中国石油大学出版社,2006:172.

[4] 王森,晁禹,艾红.仪表工试题集.控制仪表分册[M].2版.北京:化学工业出版社,2003:145.

[5] 孙海维,崔世钢.SIMATIC可编程控制器及应用[M].北京:机械工业出版社,2012:24.

[6] 中国石油化工集团公司人事部,中国石油天然气集团公司人事服务中心.石油化工职业技能鉴定培训教材.仪表维修工[M].北京:中国石化出版社,2010:304.

[7] 沈毓亮.技术工人岗位培训题库.仪表工[M].北京:化学工业出版社,2003:83.

[8] 何衍庆,戴自祥,俞金寿.可编程控制器原理及应用技巧[M]. 2版.北京:化学工业出版社,2003:177.

[9] 范玉久,朱麟章.化工测量及仪表[M].2版.北京:化学工业出版社,2006:426.

[10] 陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2000:1101.

Application of Siemens S7-400H System in Granulation Unit

The application of Siemens S7-400H in polypropylene granulation unit is introduced.The hardware configuration of control system, the implementing methods of typical control functions and the first cause of the malfunction flashing alarm system are included in introduction. The pin assignment of FB41 function block,the causes of unstable cylinder pressure of granulation unit and continuously starting up of the mixer motor are researched and analyzed.The problems of unstable control of process parameters and continuously start up of mixer motor are resolved.The operation situation of the equipment shows that Siemens PLC satisfies the requirements of the control system.

S7-400H Parameter control Extruder Mixer motor Continuously starting up Gear pump

TP29

A

修改稿收到日期:2014-03-28。

作者安戈(1971-),男,2006年毕业于石油大学(华东)计算机专业,获学士学位,高级技师;主要从事化工自动化仪表的维护工作。