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1系統分析

1．1被控對象分析

蒸發器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發器上部進入蒸發器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變為冷凝水排出。蒸發器為真空操作，蒸發器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。

1．2工藝流程分析蒸發器的工藝流程可以具體描述為：

1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發器E1201注入稀液，并使蒸發器液位穩定在80％左右。

2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發器通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，并保持穩定。

3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續出料，使濃縮液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩。

2系統總體方案設計

2．1控制要求與技術指標

（1）控制要求

基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發器液位、提升蒸發器溫度、蒸發器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發器溫度控制、蒸發器液位控制、濃縮液流量控制。

（2）系統安全要求

現代過程控制系統包括基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統（SIS）。蒸發過程可能會出現蒸發器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統的設計非常重要。

2．2控制系統總體方案設計

考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與pcs7BOX構成冗余結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統（BPCS）和安全控制系統（SIS）的功能，正常運行狀態下PCS7BOX執行BPCS功能，PLCS7416－2F執行SIS功能。BPCS系統和SIS系統共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統DCS和SIS之間復雜的數據處理，節省了成本與安裝費用，系統中備件品種少，經濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統與SIS系統之間的通信連接采用光纖實現，使系統的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統的存在與否不影響控制系統的正常運行。用PROFINET工業以太網擴展此系統，使此系統一方面可與管理系統對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現監控功能，同時使此系統的維護也變得更加方便。

3控制系統硬件設計與實現

3．1儀表供配電設計

為保證供電的安全和可靠，設計供電系統時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。

3．2輸入／輸出模塊配置

BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產品ET200M。

3．3系統控制柜設計

接下來是系統控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統輸入輸出模塊的接線原理圖。

3．4系統組態

在SIMATICManager中完成系統組態。系統硬件組態如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統的硬件組態，右邊是SIS系統的硬件組態。通信網絡的組態如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。

4控制系統軟件設計與實現

4．1控制程序總體設計

根據程序的功能以及程序執行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：

1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執行一次，通過該組織塊可以實現初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系統不斷地循環調用。通過OB1可以進行系統常規處理，轉換系統的運行狀態，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。

3）循環中斷OB35。循環中斷組織塊按照設定的時間間隔執行中斷程序。在循環中斷中完成模擬量采集、數字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。

4．2控制程序設計與實現

（1）S7CFC編程語言

CFC（ContinuousFunctionChart，連續功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環和開環控制等領域。編程的時候將需要的功能塊復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。

（2）定時中斷的整體結構

在定時中斷中進行模擬量采集、數字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現參數超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場調試情況來確定。

4．3推理程序設計與實現

經過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統分解成相對獨立的簡單子系統進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控對象的分析，發現濃縮液濃度不可在線測量。為了實現濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調用。BPCS部分主要采用連續功能圖CFC實現。

4．4系統安全SIS設計

作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數工業生產過程要求安全儀表系統和信號報警遵循失效安全原則，使工業設備在發生故障的時候轉入預定義的安全狀態。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯鎖等安全控制。緊急停車聯鎖在蒸發器裝置的機械設備故障、某些過程參數越限、系統自身故障或稀液進料中斷時，對系統實施緊急停車。緊急停車聯鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態。

4．5系統監控設計

控制系統使用西門子WinCC組態軟件對操作員站進行了組態，實現對蒸發器的實時控制及調整、系統運行監控與管理。WinCC使生產過程的狀態能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態可打印的報表。

5系統運行與驗證控制

系統在組態完成后，進行了現場調試運行。系統運行的曲線。圖中系統運行穩定后從上到下的曲線依次是蒸發器液位、蒸發器溫度、濃縮液流量以及濃縮液濃度。從曲線圖中可以看出，各工藝參數均能滿足技術指標，且濃度估測準確，證實本控制系統具有良好的控制效果。

作者：袁凱 姜建芳 單位：南京理工大學自動化學院