金属铼生产过程的集中控制系统

程惠伦，魏志

（1.铜陵铜冠优创特种材料有限公司，安徽 铜陵 244100；2.北京智弘科技有限公司，北京 100085）

1 引言

铼是一种稀有高熔点金属，具有良好的塑性、耐磨损、抗腐蚀性能。铼及其合金被广泛应用到航空航天、电子工业、石油化工等领域。由于其特殊性能，含铼单晶空心叶片是涡轮发动机的首选和趋势。本文针对铼酸铵提纯，铼酸铵还原、制备高纯金属铼生产工艺，采用西门子全集成自动化（TIA）控制系统，实现了生产过程的集中控制。

设计了一种多入多出的智能协调控制器，通过合理调节冷冻机组和调节阀，实现了铼酸铵结晶的供水冷量、冷冻水槽的冷水冷量、结晶温度的稳定控制。即满足了生产的需要，又达到了节能的目的。设计了一种自动加水控制器，实现了纯水的自动实时加水和准确计量。满足了生产工艺中使用添加剂的浓度控制要求。

采用多种通讯协议实现了与不同第三方设备的通讯，高度集成了生产监控和操作，极大程度上提高了生产的安全性，降低了操作人员的劳动强度。

2 工艺概述

铼酸铵还原高纯金属铼生产工艺的基本流程如图1所示。

图1 工艺流程

本高纯金属铼粒生产采用“粗铼酸铵重结晶+离子交换提纯—两段氢气还原—压制成型—高温烧结”工艺流程。粗铼酸铵原料纯度为99%，经过重结晶+离子交换提纯工艺后得到99.99%的高纯铼酸铵，经过两段氢气还原将高纯铼酸铵还原为高纯金属铼粉，高纯金属铼粉经过压坯和高温烧结得到99.99%以上的高纯金属铼粒（条）产品。

考虑到需要监控的点较分散、数量较多，第三方成套设备种类也较多，而且生产工艺尚处试验阶段，还要充分考虑到系统的扩展性、兼容性、修改的便利性等，因此控制系统采用了西门子全集成自动化（TIA）控制系统。

3 系统配置

西门子全集成自动化（TIA）控制系统，遵循工业自动化领域的国际标准，着眼于满足先进自动化理念的所有需求，并结合系统完整性和对第三方系统的开放性，以一致的软件和硬件接口，可实现与运营层、管理层数据的无缝集成。

针对金属铼生产工艺、设备的特点，系统网络拓扑结构如图2所示。工程师站安装TIA STEP7、TIA WinCC编程组态软件，操作员站安装TIA WinCC监控软件。采用S7-1500系列控制器及模块，实现信号采集、设备控制、联锁保护、回路调节。与第三方自带系统通过通讯的方式实现集中的监控。通过Profibus-DP转Modbus RTU实现与冷冻机组、空压机的通讯；通过S7通信实现与蒸发器、烧结炉的通讯；通过OPC实现与纯水机、空调机组的通讯。

图2 系统网络拓扑图

TIA博途软件为全集成自动化的实现提供了统一的工程平台。是工业领域第一个带有“组态设计环境”的自动化软件。自动执行工程组态任务、连接产品生命周期管理与自动化工程组态、基于云平台的高效组态、虚拟调试、集成能源管理、设备与信息安全、云服务数据采集、通过通信网络处理物联网数据。

S7-1500控制器以其卓越的产品设计理念为实现工厂的可持续性发展提供强有力的保障。

①CPU最快位处理速度达1ns；采用百兆级背板总线确保极端的响应时间；强大的通信能力，CPU本体支持最多三个以太网网段；支持最快125μs的PROFINET数据刷新时间。

②统一编程调试平台，程序通用，拓展性强；支持IEC 61131-3编程语言（LAD/FBD、STL、SCL 和 Graph）；借助ODK，可直接运行高级语言算法（C/C++）。

③可直接在控制器中对简单到复杂的运动控制任务进行编程（例如速度控制轴、凸轮传动）；可借助 I/O 模块实现各种工艺功能（例如 PTO）。

④集成标准化的OPC UA通信协议，连接控制层和IT层，实现与上位SCADA/MES/ERP 或者云端的安全高效通信；通过PLC SIM Adv可将虚拟PLC的数据与仿真软件对接；虚拟调试提前预知错误，减少现场调试时间。

⑤集成复制保护和专有技术保护功能可确保知识产权不受侵犯；改进保护功能，能够防止篡改并抵御网络威胁（身份验证）。

⑥借助1：1LED通道分配，可在现场快速定位错误；发生故障时无需编程就可通过编程软件、HMI、Web Server等途径快速实现通道级诊断；使用标准化的ProDiag功能，可高效分析过程错误，甚至在HMI 中直接查看出现错误的程序段，大大减少调试与生产停机时间。

⑦ CPU自带面板支持诊断、初始调试和维护（变量状态、IP地址分配、备份、趋势图显示，读取程序循环时间，支持自定义页面，支持多语言）；智能多功能型I/O模块，优化的产品线，方便选型与备品备件。

冷冻机组、空压机自带S7-200Smart控制器，配有Modbus RTU从站通讯模块。本系统选用鼎实科技的PBB-MM协议总线桥实现Profibus-DP与Modbus RTU的通信转换，并通过CP1542-5通信模块与控制器进行连接。

蒸发器、烧结炉自带S7-1200控制器，纯水机、空调机组自带昆仑通态触摸屏，本系统分别采用S7通信和OPC的通讯协议，实现了与系统与现场设备的数据交互。

4 冷冻水智能协调控制

冷却结晶是制取高纯铼酸铵的关键工序，而冷冻水的品质对结晶起到了至关重要的作用。

本文设计了一种多入多出的智能协调控制器，实现了对冷冻水品质的稳定控制，同时也实现了节能的目标。冷冻水控制的回路图如图3所示。

图3 冷冻水控制回路

智能协调控制器的控制目标是：1、一次结晶的供水冷量恒定；2、二次结晶的供水冷量恒定；3、冷冻水槽的冷水冷量恒定；4、冷冻水槽的冷水温度恒定。调节的执行机构是：1、一次结晶的供水调节阀；2、二次结晶的供水调节阀；3、冷冻水槽的进水调节阀；4、冷冻机组的功率。

在冷冻水整体的工艺回路中，冷冻机组的功率、冷冻水槽的进水调节阀开度、一次结晶的供水调节阀开度、二次结晶的供水调节阀开度、冷冻水槽的冷水冷量、冷冻水槽的冷水温度、一次结晶的供水冷量、二次结晶的供水冷量互相影响，互相耦合，单回路的控制算法不能满足工艺的整体需求。

智能协调控制器的算法结构如图4所示。

图4 智能协调控制器的算法结构

恒温控制器通过调节冷冻机组的功率保证了冷冻水槽温度的恒定；恒冷量控制器1通过调节一次结晶供水调节阀的开度保证了一次结晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器2通过调节二次结晶供水调节阀的开度保证了二次结晶的供水冷量的恒定；恒冷量控制器3通过调节冷冻水槽进水调节阀的开度保证了冷冻水槽的冷水冷量的恒定。

冷冻机组的功率、一次结晶供水调节阀的开度、二次结晶供水调节阀的开度对冷冻水槽的冷水冷量控制起到前馈的作用；冷冻水槽的冷水冷量、冷冻水槽的液位、冷冻水槽的进水调节阀构成串级控制。

5 纯水自动加水

溶解是冷却结晶的前置工序，是冷却结晶的关键，纯水供应水量的计量对溶解非常重要。通过操作人员手动加水不仅计量不准还会出现马虎大意的事故。

本文设计了一种自动加水控制器，一键关联纯水泵、调节阀、开关阀，实现了纯水加水的一键控制和精准计量。纯水自动加水控制的回路图如图5所示。

图5 纯水自动加水控制回路

纯水自动加水的控制目标是：1、保证纯水加入量的精准；2、防止误操作并保护纯水泵。调节的执行机构是：1、纯水泵；2、主管调节阀；3、一次开关阀；4、二次开关阀。

纯水自动加水的算法结构如图6所示。

图6 纯水自动加水的算法结构

操作人员在选择了加水目标后，点击“加水启停按钮”，系统自动完成纯水的加入与计量。

系统首先根据加水目标自动打开相应的开关阀，调节阀开度开到100%，在纯水箱液位足够的前提下，自动启动纯水泵。系统根据供水流量，自动进行供水量的计量。当供水量计量接近设定值时，调节阀控制器发出指令将调节阀慢慢关小，直至供水量达到设定值时，纯水泵停止、调节阀全关、开关阀关闭。

6 结语

针对铼酸铵还原高纯金属铼生产工艺的特点，采用西门子全集成自动化（TIA）控制系统，实现了生产过程的集中控制。与第三方成套设备采用多种通讯方式，最终实现了生产监控的高度集成和全流程的安全保护。针对生产中的关键控制点，冷冻水控制和纯水加水，分别设计了智能协调控制器和自动加水控制器，满足了工艺需求，同时降低了操作人员的劳动强度，杜绝了安全事故。