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案例详细
标题基于PROFIBUS的硫酸转化自动控制系统
技术领域
行业
简介针对某冶炼厂硫酸转化对控制的要求，设计并实现了一套基于SIMATIC S7-400系列PLC和PROFIBUS现场总线的分布式计算机自动控制系统。系统包括现场控制层和车间监控层，采用STEP 7进行硬件组态和控制编程，用监控软件WINCC对生产过程进行动态监视和管理，实现了硫酸转化系统的集中管理和分散控制。实际应用效果表明，该控制系统工作可靠，操作方便，控制精度高，取得了很好的经济效益。
内容
1、生产工艺简介
       冶炼烟气在除去一切有害杂质后，进入硫酸转化系统。气体进入硫酸转化系统后，在一定温度下，通过触媒催化，使烟气中的二氧化硫与氧化合生成三氧化硫，反应如下：
这一反应过程就叫二氧化硫的转化，工业上俗称硫酸转化。已转化为三氧化硫的二氧化硫与开始二氧化硫总量之百分比叫转化率。“双转双吸”硫酸转化[1]工流程如图1所示。



图1 硫酸转化工艺流程
        转化器是该系统的主体设备，分为五层结构，每一层加入不同的触媒，实现二氧化硫向三氧化硫的转化；热交换器的作用是冷却转化气和加热炉气；自动阀和手动阀的作用是控制气体流量；1#电加热炉和2#电加热炉分别用于加热一层和四层进口温度。经转化后的烟气送吸收塔（一吸收塔或二吸收塔）进行硫酸吸收处理，最终得纯度高的硫酸。
        温度控制是转化器日常操作的中心环节，必须精心调节，严格控制各段温度在一定的范围内，以充分发挥转化器的效能。温度控制遵循的原则是：
①   根据所用触媒的特性，将反应温度确定在起热温度以上，耐热极限温度以下，即触媒的活性温度之内；
②   要保证有较高的转化率；
③   要保证有较快的反应速度，以尽量减少触媒用量。
        在正常情况下，转化器各段进口温度应分别由各段付线旁路阀放入较冷烟气量的大小来调节；若将旁路阀全关闭，温度仍下降时，可适当减少通气量；若温度仍不能维持时，可从外补充能量，如开电炉。
2 系统控制结构
        硫酸转化自动控制系统的结构如图2所示，主要由现场控制层和车间监控层构成。



        现场控制层将现场设备与控制器连接，同时与PLC各种功能模块进行通讯，使PLC能及时有效地对生产进行实时控制。生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。
        车间监控层对现场设备进行实时监控，显示各种实时数据和现场设备状态，完成各种物理量设定功能，操作方式（手动/自动）切换功能，对自动阀等设备进行PID控制，对故障进行自动报警并显示处于报警状态的控制点，定时打印生产报表。
        本系统中PLC与ET200之间的数据通讯协议采用PROFIBUS-DP，PLC与上位机及上位机之间的通讯采用PROFIBUS-FMS实现。使用PROFIBUS现场总线的优点主要表现在以下几点[2-3]：
①   通过PROFIBUS-DP，可将PLC与现场设备距离拉开，实现分布式I/O控制，避免高温、高酸等恶劣环境对PLC的损坏。同时避免大量信号线的长距离布线；
②   通过PROFIBUS-DP，可以将Siemens S7-400系列的PLC和Siemens S7-300系列的模块（其它老系统）进行组合，既利用了S7-400系列PLC的高速高稳定性，又充分利用了S7-300系列模块的廉价性；
③   通过PROFIBUS-FMS，本系统和其它集散控制系统可实现数据的共享，并实现与上位机及实时数据库的通讯，且易于扩展。
3 系统硬件、软件的设计
3.1 系统硬件设计
        SIMATIC S7-400是用于中高档性能范围的可编程控制器，其模块化的设计容易扩展，广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作，使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。本系统选用SIEMENS S7-400控制器，其中央处理单元模块为CPU 414-2 DP，其型号为6ES7 414-2XG03-0AB0 V3.0，并用ET200进行扩展，实现分布式I/O控制[4]。
        电源模块为PS 407 4A电源模块，其型号为6ES7 407-0DA01-0AA0，用于对SIMATIC S7-400的供电，将AC或DC网络电压转换为所需的5V DC和24V DC工作电压。
        通讯模块为CP 443-5 Ext通讯模块，其型号为6GK7 443-5DX03-0XE0。CP 443-5扩展型通讯模块是PROFIBUS总线系统中SIMATIC S7-400所需的模块，它能为用户提供多种PROFIBUS总线系统的通讯服务：PROFIBUS-DP通讯、PG/OP通讯、S7通讯、S5兼容的通讯。
        模拟量输入模块共选用了3种模块，分别为SM331；AI8×12位（其型号为6ES7 331-7KF02-0AB0）、SM331；AI8×RTD（其型号为6ES7 331-7PF00-0AB0）、SM331；AI8×TC/4×RTD.EX（其型号为6ES7 331-7SF00-0AB0），这些模块是现场模拟量输入接口。现场模拟量是指转化器各层的进出口烟压和烟温、转换器各层的触煤温度、热交换器进出口的烟压和烟温等。
        模拟量输出模块为SM332；A○4×12位，其型号为6ES7 332-5HD01-0AB0，是控制现场设备的接口，如调节转换器一层和四层入口烟温电动调节蝶阀。
数字量输入模块为SM321；DI16×24VDC，其型号为6ES7 321-1BH02-0AA0，用于现场开关量，如自动/手动切换、运行/停止按钮、正转按钮、反转按钮、限位开关等。
        数字量输出模块为SM322；D○8×Relay.230VAC/5A，其型号为6ES7 322-1HF10-0AA0，是控制现场设备的接口，如控制皮带加料机的正转开/停和反转开/停、输送机的开/停、通风机的开/停等。
        车间监控层主要设备是上位计算机，具有DCS的工程师站和操作员站的功能，为了节约成本，该集散控制系统采用通过密码识别功能，将工程师站和操作员站合用一台上位计算机。上位计算机可以选用工控计算机（IPC）或商用计算机（PC）。
3.2 系统软件设计
        本系统主要包括下位机数据采集／控制和上位机监控两个应用程序。
（1）下位机数据采集／控制程序
        下位机数据采集／控制程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及控制程序的设计开发的。程序采用梯形图逻辑，其中有各种程序块，包括逻辑块(组织块0B、功能块FB、功能FC)和数据块(DB)等。


        如图3所示，在主程序OB1中调用FC1（P_data_collecting）压力信号数据采集程序块、FC2（TI_data_collecting）换热器温度信号数据采集程序块、FC3（T2_data_collecting）转化器温度信号数据采集程序块、FC20（Heating_control）1-2#加热炉控制程序块。其中FC1、FC2、FC3程序块采集的数据分别存取到数据块DB1、DB2、DB3中。
（2）上位机监控程序
       上位机监控程序基于SIMATIC WinCC V5.0[5]编制而成，主要有工艺流程图、参数表、PID调节画面、趋势图、报警、报表打印等功能。WinCC与PLC之间通过Profibus协议进行衔接，通过调用PLC中的地址进行数据交换，从而实现对PLC的监视和控制。
        为了节约成本，该集散控制系统采用密码识别功能，将工程师站和操作员站合用一台上位计算机，所以为了系统的安全性，防止系统被破坏，必须对不同的用户授予不同的权限。在本系统的设计中，使用了WinCC的“用户管理器”编辑器来实现对不同用户的权限的管理，这样可以控制访问每一个生产过程、记录和WinCC的操作，以防止没有授权的存取；还可以根据变量动态设定存取级别。本系统设置了用户管理、变量输入、过程控制和画面编辑四个授权级别。
4 结语
         该系统应用于某铜冶炼厂自动化系统改造工程，实现了硫酸转化系统的“集中管理，分散控制”，提高了硫酸转化率，增加了处理量，保证了生产稳定，使该厂在成功地实现炉型改变和生产扩大的同时，保证了排出烟气满足环保标准，获得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]  王世娟．硫酸转化工艺进展综述[J]．南通职业大学学报, 2001, 15（4）：47-49．
[2]  李