一、簡介項目

　　山東海化股份有限公司天祥化工廠

　　山東海化股份有限公司座落在世界著名的風箏之都山東省濰坊市西北部渤海萊洲灣南畔，是由國有特大型企業山東海化集團有限公司作為獨家發起人，于1998年5月在深圳證券交易所掛牌交易的上市公司。下設純堿廠、天祥化工廠等多家子公司。
　　山東海化，以發展循環經濟為主導，致力于發展海洋化工，依托當地得天獨厚的鹽資源優勢，成功開發出以純堿為主導產品核心，以溴素、三聚氰胺、氯化鈣、硝酸鈉、亞硝酸鈉等主要產品為輔助，由堿系列、溴系列、苦鹵化工、精細化工等產品構成的產品系列。純堿、溴素、溴化物、氯化鈣、三聚氰胺等多種產品的市場占有率雄居全國首位。
　　進入21世紀以后，山東海化加快了發展的步伐，先后上馬了純堿廠60萬噸/年純堿項目，天祥化工廠4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項目。
　　同時山東海化與西門子的合作也進入了一個新階段，以上這四套裝置的DCS系統全部采用了西門子PCS7，主要由上海西門子工業自動化有限公司集成。
　　山東海化純堿廠60萬噸/年純堿裝置已于2004年初投入運行，三年來取得了很好的經濟運行效果，使純堿廠成為亞洲最大的純堿生產廠。
　　山東海化天祥化工廠，成立于2004，致力于化工產品生產。先后建設了4萬噸/年甲烷氯化物、10萬噸/年乙酸乙酯和5萬噸/年苯胺項目。為山東海化向化工產業的縱深發展邁出了堅實的步伐。
　　上海西門子工業自動化有限公司近年來完成了多個化工裝置的控制系統，如江蘇梅蘭離子膜一期、二期，江蘇梅蘭PTFE，山東亞星離子膜，山東亞星雙氧水，上海賽科空分等，具備化工裝置控制系統集成的較強實力和豐富經驗。這些項目的成功實施同時也證明了PCS7在化工領域運用的優越性。
二、生產工藝

　　山東海化股份有限公司天祥化工廠5萬噸/年苯胺裝置

　　苯胺裝置采用化學工業第二設計院提供的生產工藝，該工藝主要分為硝化單元、還原單元、精制單元、廢酸濃縮單元、廢水處理單元和氫壓機單元。各單元簡介如下：
　　1．硝化單元
　　苯和硝酸反應(83％的硫酸作為催化劑)，生成硝基苯，并產生68－70％的廢酸。
　　2．還原單元
　　硝基苯經過初餾塔和精餾塔精制后成為精硝基苯；精硝基苯加氫還原（單銅硅膠為催化劑），生成粗苯胺。
　　3．精制單元
　　粗苯胺經過脫水塔和精餾塔精制后成為精苯胺，精苯胺為最終產品。
　　4．廢酸濃縮單元
　　廢酸經提取去除硝酸后蒸發成為83％的硫酸，再供硝化使用；
　　5．廢水處理單元
　　在硝化反應中產生的廢水，經廢水汽提塔回收部分硝基苯后去污水處理單元進行處理。
　　6．氫壓機單元
　　共4各氫壓機組，用于氫氣的壓縮，壓縮空氣供加氫還原使用。
　　由于苯胺裝置具有易燃易爆的特點，在本體設計時增加了很多防爆的安全裝置，如采用加固裝置、安全閥、防爆閥和信號隔離等。同時還采取了德國HIMA提供的ESD緊急停車系統，以降低裝置運行的風險。ESD通過Modbus和DCS進行通訊。
三、控制系統構成
　　該裝置監控系統為SIEMENS PCS7 V6.1 SP1。
　　SIEMENS PCS（Process Control System）7系統是面向工業過程的分布式的全集成控制系統，它綜合了DCS、PLC及現場總線的技術。
　　開放式網絡結構、開放式操作系統以及開放式接口使公司范圍內，即從生產級到管理級的整個信息系統最優化；在全集成自動化的環境下，采用統一的自動化平臺實現對整個工廠的自動化控制和管理。
　　全集成自動化方案就是用一種系統完成原來由多種系統搭配起來才能完成的所有功能。應用這種解決方案，可以大大簡化系統的結構，減少了大量接口部件，應用全集成自動化可以克服上位機和各工業控制器之間，連續控制和邏輯控制之間，集中與分散之間的界限。同時，全集成自動化解決方案還可以為所有的自動化應用提供統一的技術環境，基于這種環境，技術人員可以在同一個平臺下對所有應用進行組態和編程。
　　本監控系統采用了西門子400系列冗余控制器：2套CPU 417-4H（儀表部分YB1、YB2）和1套CPU 414-4H（電氣部分DQ）。
　　系統結構如下：

　　DCS系統結構圖

　　本控制系統的特點是：CPU冗余、電源冗余、I/O冗余、Profibus-DP冗余、以太網冗余、服務器冗余，冗余SERVER-CLIENT結構，雙層網絡結構，控制網為環網、終端網絡為局域網。穩定性顯而易見，同時還具有很強的擴展性和移植性。
　　DCS系統通過西門子通訊卡件CP341和ESD系統通訊，采用Modbus485通訊協議，組態設置和編程都十分簡單易懂。ESD把自身的狀態及其采集的信號狀態、ESD報警和動作等信息通訊給DCS，以方便操作人員及時發現問題并采用相應措施以維持裝置的安全運行。
　　下圖為YB1 CPU柜的前視圖： 

　　下圖為YB1硬件配置圖：

四、控制系統完成的重點分析
　　基于苯胺裝置的危險性，在工程之初，設計院、海化天祥化工廠及上海西門子工業自動化有限公司就對監控系統的安全性能做了深入分析，采用了大量的安全柵、繼電器以隔離防爆；同時增強了監控系統的冗余，特別是IO冗余。同時海化天祥化工廠的工程師還提出了控制網絡環網的監控。
　　這里，就IO冗余和控制網絡環網監控作一些分析。
1.    IO冗余
　　下圖為IO冗余結構示意圖，冗余卡件的使用，使得當一個卡件或通道故障時相應的IO信號仍然能夠保持正常。

　　本項目中，用到了AI冗余、AO冗余、DO冗余和Modbus冗余，這里以AI冗余為例說明。
　　AI冗余分為帶有冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式：

　　和接入非冗余傳感器的冗余模擬量輸入模板方式：  

　　在本項目中，模擬量輸入為4線制或2線制4－20mA信號，傳感器不冗余，AI卡件為6ES7 331-7KF02-0AB0，故采用了第二種方式中的間接電流測量方式。
1.1 硬件設計
　　下圖為接線原理圖:

　　由于一個信號要接入兩個卡件，所以我們采用了冗余端子，AI冗余端子結構如下（僅為示意圖，冗余端子可由有資質的柜廠訂做或者向有資質的第三方購買）：（R1、R2為250歐姆）

　　當信號為4－20mA 2線制時，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應通道）

　　當信號為4－20mA 4線制時，接線方式如下：（CH1+/CH1-接入主卡件相應通道，CH2+/CH2-接入備用卡件相應通道）

1．2 組態設置
　　設置控制器過程影像分區：

　　卡件冗余設置：

　　輸入設置，在本項目中測量類型應為1－5V電壓類型而非4－20mA電流型：

　　地址設置，過程影像區設為PIP1：

　　注：以上設置只對主卡件（低地址）設置，可以認為備用卡件不存在。
1．3 CFC
　　在CFC中，只需對冗余IO的低地址進行組態，可以認為高地址的卡件不存在；且冗余IO的驅動塊必須放在和卡件過程影像區對應的OB中，否則有可能出現信號不穩定。本項目中，卡件過程影像區為PIP1，對應的OB為OB35，所以驅動塊應放在OB35中。如下圖所示：

2.    Plant Bus環網監控
2．1 OSM狀態監視
2．1．1 OSM設置 
　　運行PST工具s7wnpstx.exe（該工具可以從西門子網站上免費下載），設
　　置OSM的地址。具體步驟可參見其幫助信息，這里不一一說明。

　　打開IE EXPLORER，輸入http://192.168.0.201/，打開如上網頁，Login ID為admin，Password默認為admin。在如下的OSM配置頁面內可以對OSM進行具體配置，如，是否監視電源輸入，是否監視兩個光纖口的狀態，等等。

2．1．2 OPC設置

　　添加OPC SNMP節點OSM，做相應設置并Export Tags for Wincc（具體步驟略）。

　　經過以上步驟，在Wincc項目中生成了OPC連接Simatic_OpcsvrConn，如下圖所示：

　　參數SNMP_OSM.snOsmFaultState的值在OSM正常時為1，故障時為2。

2．1．3 注冊OSM OCX控件
　　在Graphics Designer 中，注冊OSM_Control_1_active X.ocx（該控件可從西門子網站下載），并在相應畫面中添加該控件，且設置如下。

　　運行后，可監視OSM狀態。點擊該圖標，OSM具體狀態如下。

2．2 環網監控
2．2．1 OPC Scout
　　運行OPC Scout，把OSM的相關參數添加到OPC，并生成連接OPC_SimaticNet，如下圖（具體步驟略）。

2．2．2 畫面組態
　　參數OSMsnRmState在環網正常時的值為1，環網故障時為2，因此可在畫面中組態以判斷環網狀態。
　　在相應畫面添加一個Ellipse代表環網，其Flashing屬性的Flashing Line Active設置如下動態連接，就可以監視環網狀態了。
　　動態屬性設置如下：

　　畫面監視如下：

2．3 OSM及環網的報警
　　可以通過Global Script把SNMP_OSM.snOsmFaultState和OSMsnRmState的值讀取到某個DB塊中，再通過CFC可以對OSM狀態及環網狀態進行監視并進行聲音報警設置等。

五、項目運行
　　該苯胺裝置已于2006年10下旬進行試車，監控系統運行正常。
六、應用體會
　　全集成的過程控制系統PCS7為用戶提供了統一的平臺，它的開放性和組態功能的強大在本項目中得到了充分應用。
　　SIMATIC PCS7是西門子公司結合最先進的計算機軟、硬件技術，在西門子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統的基礎上，面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統。 SIMATIC PCS7采用優秀的上位機軟件WinCC作為操作和監控的人機界面，利用開放的現場總線和工業以太網實現現場信息采集和系統通訊，采用S7自動化系統作為現場控制單元實現過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現場傳感檢測信號。
　　SIMATIC PCS7是基于全集成自動化思想的系統，其集成的核心是統一的過程數據庫和唯一的數據庫管理軟件，所有的系統信息都存儲于一個數據庫中而且只需輸入一次，這樣就大大增強了系統的整體性和信息的準確性。
　　SIMATIC PCS7的通訊系統采用的是工業以太網和PROFIBUS現場總線。工業以太網 用于系統站之間的數據通訊。
　　SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言。現場設備庫提供大量的常用的現場設備信息及功能塊，可大大簡化組態工作，縮短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等標準接口，并且應用以太網、PROFIBUS現場總線等開放網絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統和其它廠廠商的控制系統。
　　全集成自動化系統控制網絡總圖操作員站和服務器采用客戶機/服務器結構，客戶機與服務器之間通過100MHz以太網通訊。服務器與AS417H自動化系統的CPU之間采用光纜介質連接，通過100MHz的工業以太網來交換數據.PCS7系統的工程師站同時掛在兩個網絡上，即連接客戶機/服務器的100MHz以太網和連接自動化系統的CPU的100MHz工業以太網。工程師站可以完成控制畫面和控制策略的組態。
　　AS417H自動化系統與遠程I/O子站的通訊采用PROFIBUS-DP。AS417H通過PROFIBUS-DP的專用雙絞線直接與遠程I/O子站相連接。其它AS417H將通過冗余的光纜和冗余的接口模塊與各自的遠程I/O子站進行通訊，滿足分散控制系統技術規范書中(1.5工廠及裝置簡況)提出的要求。
　　SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言SCL。SCL是一種類PASCAL的高級語言，它采用IEC－1131的標準。利用SCL可以很方便地編制用戶功能塊。用SCL生成的功能塊可在CFC中被多次調用。用戶可以把過程的數學模型和優化控制策略用SCL編成功能塊，直接下載到控制器中運行。這樣，可以把過程的優化控制放在控制器中，全面實現對工藝過程的優化控制。如能熟練使用連續控制、順序控制及高級編程語言SCL就可大大簡化組態工作，縮短工程周期。許多工藝控制上的難點就會迎刃而解。
附件
　　苯胺裝置正面圖：

　　精餾塔和循環硫化床：

　　還原畫面：（由于牽涉到技術秘密，天祥化工廠不允許拷貝運行的畫面，這里以組態界面代替）

　　系統連鎖畫面：