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案例頻道1、生產(chǎn)工藝簡介
冶煉煙氣在除去一切有害雜質(zhì)后，進(jìn)入硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。氣體進(jìn)入硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)后，在一定溫度下，通過觸媒催化，使煙氣中的二氧化硫與氧化合生成三氧化硫，反應(yīng)如下：
這一反應(yīng)過程就叫二氧化硫的轉(zhuǎn)化，工業(yè)上俗稱硫酸轉(zhuǎn)化。已轉(zhuǎn)化為三氧化硫的二氧化硫與開始二氧化硫總量之百分比叫轉(zhuǎn)化率。“雙轉(zhuǎn)雙吸”硫酸轉(zhuǎn)化[1]工流程如圖1所示。
圖1 硫酸轉(zhuǎn)化工藝流程
轉(zhuǎn)化器是該系統(tǒng)的主體設(shè)備，分為五層結(jié)構(gòu)，每一層加入不同的觸媒，實(shí)現(xiàn)二氧化硫向三氧化硫的轉(zhuǎn)化；熱交換器的作用是冷卻轉(zhuǎn)化氣和加熱爐氣；自動閥和手動閥的作用是控制氣體流量；1#電加熱爐和2#電加熱爐分別用于加熱一層和四層進(jìn)口溫度。經(jīng)轉(zhuǎn)化后的煙氣送吸收塔（一吸收塔或二吸收塔）進(jìn)行硫酸吸收處理，最終得純度高的硫酸。
溫度控制是轉(zhuǎn)化器日常操作的中心環(huán)節(jié)，必須精心調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制各段溫度在一定的范圍內(nèi)，以充分發(fā)揮轉(zhuǎn)化器的效能。溫度控制遵循的原則是：
① 根據(jù)所用觸媒的特性，將反應(yīng)溫度確定在起熱溫度以上，耐熱極限溫度以下，即觸媒的活性溫度之內(nèi)；
② 要保證有較高的轉(zhuǎn)化率；
③ 要保證有較快的反應(yīng)速度，以盡量減少觸媒用量。
在正常情況下，轉(zhuǎn)化器各段進(jìn)口溫度應(yīng)分別由各段付線旁路閥放入較冷煙氣量的大小來調(diào)節(jié)；若將旁路閥全關(guān)閉，溫度仍下降時(shí)，可適當(dāng)減少通氣量；若溫度仍不能維持時(shí)，可從外補(bǔ)充能量，如開電爐。
2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
硫酸轉(zhuǎn)化自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由現(xiàn)場控制層和車間監(jiān)控層構(gòu)成。
現(xiàn)場控制層將現(xiàn)場設(shè)備與控制器連接，同時(shí)與PLC各種功能模塊進(jìn)行通訊，使PLC能及時(shí)有效地對生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。生產(chǎn)過程的各種過程變量通過分散過程控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過分散過程控制裝置送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
車間監(jiān)控層對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯示各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，完成各種物理量設(shè)定功能，操作方式（手動/自動）切換功能，對自動閥等設(shè)備進(jìn)行PID控制，對故障進(jìn)行自動報(bào)警并顯示處于報(bào)警狀態(tài)的控制點(diǎn)，定時(shí)打印生產(chǎn)報(bào)表。
本系統(tǒng)中PLC與ET200之間的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議采用PROFIBUS-DP，PLC與上位機(jī)及上位機(jī)之間的通訊采用PROFIBUS-FMS實(shí)現(xiàn)。使用PROFIBUS現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[2-3]：
① 通過PROFIBUS-DP，可將PLC與現(xiàn)場設(shè)備距離拉開，實(shí)現(xiàn)分布式I/O控制，避免高溫、高酸等惡劣環(huán)境對PLC的損壞。同時(shí)避免大量信號線的長距離布線；
② 通過PROFIBUS-DP，可以將Siemens S7-400系列的PLC和Siemens S7-300系列的模塊（其它老系統(tǒng)）進(jìn)行組合，既利用了S7-400系列PLC的高速高穩(wěn)定性，又充分利用了S7-300系列模塊的廉價(jià)性；
③ 通過PROFIBUS-FMS，本系統(tǒng)和其它集散控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的通訊，且易于擴(kuò)展。
3 系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
SIMATIC S7-400是用于中高檔性能范圍的可編程控制器，其模塊化的設(shè)計(jì)容易擴(kuò)展，廣泛的通訊能力，容易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作，使SIMATIC S7-400成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。本系統(tǒng)選用SIEMENS S7-400控制器，其中央處理單元模塊為CPU 414-2 DP，其型號為6ES7 414-2XG03-0AB0 V3.0，并用ET200進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)分布式I/O控制[4]。
電源模塊為PS 407 4A電源模塊，其型號為6ES7 407-0DA01-0AA0，用于對SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網(wǎng)絡(luò)電壓轉(zhuǎn)換為所需的5V DC和24V DC工作電壓。
通訊模塊為CP 443-5 Ext通訊模塊，其型號為6GK7 443-5DX03-0XE0。CP 443-5擴(kuò)展型通訊模塊是PROFIBUS總線系統(tǒng)中SIMATIC S7-400所需的模塊，它能為用戶提供多種PROFIBUS總線系統(tǒng)的通訊服務(wù)：PROFIBUS-DP通訊、PG/OP通訊、S7通訊、S5兼容的通訊。
模擬量輸入模塊共選用了3種模塊，分別為SM331；AI8×12位（其型號為6ES7 331-7KF02-0AB0）、SM331；AI8×RTD（其型號為6ES7 331-7PF00-0AB0）、SM331；AI8×TC/4×RTD.EX（其型號為6ES7 331-7SF00-0AB0），這些模塊是現(xiàn)場模擬量輸入接口。現(xiàn)場模擬量是指轉(zhuǎn)化器各層的進(jìn)出口煙壓和煙溫、轉(zhuǎn)換器各層的觸煤溫度、熱交換器進(jìn)出口的煙壓和煙溫等。
模擬量輸出模塊為SM332；A○4×12位，其型號為6ES7 332-5HD01-0AB0，是控制現(xiàn)場設(shè)備的接口，如調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器一層和四層入口煙溫電動調(diào)節(jié)蝶閥。
數(shù)字量輸入模塊為SM321；DI16×24VDC，其型號為6ES7 321-1BH02-0AA0，用于現(xiàn)場開關(guān)量，如自動/手動切換、運(yùn)行/停止按鈕、正轉(zhuǎn)按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、限位開關(guān)等。
數(shù)字量輸出模塊為SM322；D○8×Relay.230VAC/5A，其型號為6ES7 322-1HF10-0AA0，是控制現(xiàn)場設(shè)備的接口，如控制皮帶加料機(jī)的正轉(zhuǎn)開/停和反轉(zhuǎn)開/停、輸送機(jī)的開/停、通風(fēng)機(jī)的開/停等。
車間監(jiān)控層主要設(shè)備是上位計(jì)算機(jī)，具有DCS的工程師站和操作員站的功能，為了節(jié)約成本，該集散控制系統(tǒng)采用通過密碼識別功能，將工程師站和操作員站合用一臺上位計(jì)算機(jī)。上位計(jì)算機(jī)可以選用工控計(jì)算機(jī)（IPC）或商用計(jì)算機(jī)（PC）。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采集／控制和上位機(jī)監(jiān)控兩個(gè)應(yīng)用程序。
（1）下位機(jī)數(shù)據(jù)采集／控制程序
下位機(jī)數(shù)據(jù)采集／控制程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7軟件平臺上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā)的。程序采用梯形圖邏輯，其中有各種程序塊，包括邏輯塊(組織塊0B、功能塊FB、功能FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)等。
下位機(jī)數(shù)據(jù)采集／控制程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7軟件平臺上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā)的。程序采用梯形圖邏輯，其中有各種程序塊，包括邏輯塊(組織塊0B、功能塊FB、功能FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)等。
如圖3所示，在主程序OB1中調(diào)用FC1（P_data_collecting）壓力信號數(shù)據(jù)采集程序塊、FC2（TI_data_collecting）換熱器溫度信號數(shù)據(jù)采集程序塊、FC3（T2_data_collecting）轉(zhuǎn)化器溫度信號數(shù)據(jù)采集程序塊、FC20（Heating_control）1-2#加熱爐控制程序塊。其中FC1、FC2、FC3程序塊采集的數(shù)據(jù)分別存取到數(shù)據(jù)塊DB1、DB2、DB3中。
（2）上位機(jī)監(jiān)控程序
上位機(jī)監(jiān)控程序基于SIMATIC WinCC V5.0[5]編制而成，主要有工藝流程圖、參數(shù)表、PID調(diào)節(jié)畫面、趨勢圖、報(bào)警、報(bào)表打印等功能。WinCC與PLC之間通過Profibus協(xié)議進(jìn)行銜接，通過調(diào)用PLC中的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)視和控制。
為了節(jié)約成本，該集散控制系統(tǒng)采用密碼識別功能，將工程師站和操作員站合用一臺上位計(jì)算機(jī)，所以為了系統(tǒng)的安全性，防止系統(tǒng)被破壞，必須對不同的用戶授予不同的權(quán)限。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用了WinCC的“用戶管理器”編輯器來實(shí)現(xiàn)對不同用戶的權(quán)限的管理，這樣可以控制訪問每一個(gè)生產(chǎn)過程、記錄和WinCC的操作，以防止沒有授權(quán)的存取；還可以根據(jù)變量動態(tài)設(shè)定存取級別。本系統(tǒng)設(shè)置了用戶管理、變量輸入、過程控制和畫面編輯四個(gè)授權(quán)級別。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)應(yīng)用于某銅冶煉廠自動化系統(tǒng)改造工程，實(shí)現(xiàn)了硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的“集中管理，分散控制”，提高了硫酸轉(zhuǎn)化率，增加了處理量，保證了生產(chǎn)穩(wěn)定，使該廠在成功地實(shí)現(xiàn)爐型改變和生產(chǎn)擴(kuò)大的同時(shí)，保證了排出煙氣滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 王世娟．硫酸轉(zhuǎn)化工藝進(jìn)展綜述[J]．南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 15（4）：47-49．
[2] 李
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號