SIMATIC_PCS7在钴粉生产中的应用_王古月.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第1期图1DCS系统网络图SIMATIC PCS7 在钴粉生产中的应用王古月（西门子（中国）有限公司，陕西 西安7100765）聂富伟（安徽寒锐新材料有限公司，安徽 滁州239065）Application of SIMATIC PCS7 in Cobalt Powder Production摘要：西门子公司的SIMATIC PCS7是全集成自动化的重要组件，可满足过程工业领域中的各种特殊需求。重点介绍了SIMATIC PCS7系统在钴粉生产中的应用，详细阐述了系统的组成和程序设计方案。关键词：钴粉；PCS7；过程控制系统Abstract:Siemens SIMATIC PCS7 is an important component of totally integrated automation,which can meet the spe-cial needs of the process industry.This paper focuses on the application of SIMATIC PCS7 system in cobalt powder pro-duction,and describes the composition and program design of the system in detail.Keywords:cobalt powder,PCS7,process control system钴是一种战略金属，具有优良的物理、化学和机械性能。近年来，随着电池、硬质合金及陶瓷等工业的迅猛发展，对钴粉的需求日益增加，对其品质的要求也更加严格1。虽然我国的钴粉产量大，但品质仍与国外先进产品有较大差距。鉴于我国钴粉生产装备落后及产品质量不高的情况，应该增加科技创新力度，加快钴粉生产技术革新，改进钴粉生产工艺装备以提高钴粉质量，从而提升我国钴粉的档次。使钴粉生产连续化、规模扩大化，降低钴粉生产成本，并符合环境保护的要求。如此才能走出我国钴粉产业的困境，满足工业发展和科技进步对钴粉的需求，从而跨入世界先进行列2。查阅国内众多文献，现阶段钴粉相关的论文多停留在理论研究和实验室阶段，对钴粉生产过程中自动化控制相关的内容介绍较少。本文以安徽寒锐新材料有限公司年产3000吨钴粉工程项目为背景，介绍了整个项目DCS的基本结构和程序设计方案，通过现场运行验证了SIMATIC PCS7在钴粉行业的应用的可行性和安全性。1钴粉生产的工艺描述该项目采用煅烧还原法，以碳酸氢铵和氯化钴为原料，通过溶解、合成、陈化、煅烧和氢气还原等步骤生产钴粉。本项目设计有溶解车间、合成车间、萃取车间、还原车间以及罐区与废水处理车间。溶解车间完成碳酸氢铵和氯化钴溶液的配制操作；合成车间是整个的系统的关键，主要完成碳酸钴的合成；萃取车间完成完成氯化铵、氯化钴的萃取工艺，减少原料的使用；还原车间完成氧化钴到钴粉的还原过程。废水处理车间处理生产过程中废气和废水，其中溶解过程的顺序控制问题和合成阶段的温度控制是手动生产过程中一直困扰生产的问题。2控制系统的设计钴粉生产行业属于典型的流程行业。西门子SIMATIC PCS7系统 是流 程行 业 中 应 用 广 泛 的DCS系统，采用了现行局域网（LAN）技术、成熟可靠的西门子可编程控制器（PLC）和现场总线技术。整个系统由大量的西门子硬件组件组成，包括自动化仪表、执行器、模拟量和数字量信号模块、AS控制器、通信处理器、工程师站ES和操作员站OS等3-5。PCS7系统由下自上共三级总线结构：现场总线（Fieldbus）、工厂总线（Plant/System bus）、终端总线（Terminalbus），承担现场层、工厂控制层、人机操作层的通讯任务。2.1系统构成本项目大约包含3000 I/O点，DCS控制系统包含7个机柜，1个电源分配与控制器柜，6个I/O柜，4个远程交换机柜，5个操作台。在上位机配置上采用1台工程师站及4台操作员单站。DCS控制系统使用1对西门子S7-410H控制器，远程I/O站使用ET200PA SMART I/O卡件，接口模块采用冗余配置提高可靠性。系统软件使用西门子PCS7 V9.0 SP1版本。系统总线由两个西门子交换机SCALACE X208组成环网，控制器、工程师站、操作站通过以太网接入环网，保证整个网络的可靠性。整个系统的结构如图1所示。该项目使用的CPU 410-5H过程自动化是最新一代的控制器，这款控制器专用于SIMATICPCS 7控制系统，是西门子S7-400家族的高端系列，可以实现硬件冗余自动化方案，并可满足故障安全功能和冗余双重需求，可有效降低生产过程中的故障风险。现场需要和众多第三方设备进行通讯包括回转窑、过滤器、气体输送和气流分级系统、水处理系统、压滤机系统、还原炉系统、闪蒸干燥系统、废气系统、包装系统等等。本项目采用了S7、141SIMATIC PCS7在钴粉生产中的应用图3上位机画面TCP/IP与Modbus RTU等通讯协议，成功地将第三方系统全都集成到SIMATIC PCS7系统中，实现在中央控制内，可以监控全厂绝大多数设备，提高了生产效率，减轻了工厂运维人员的工作强度。这么多第三方系统是对DCS系统开放性的挑战，也从侧面反映出西门子SIMATIC PCS7系统的卓越性能。2.2软件设计PCS7中使用CFC和SFC作为编程语 言，CFC连续功能图，用户在Chart中通过鼠标拖拽的方式插入已经编制好的功能块，并指定这些块之间的连接关系。根据项目特点制定好的功能块存储在主数据库中，包含常见的模拟量监视功能块、阀门块、电机块、PID块等，以主数据库中的基本回路为模板，采用IEA的方式，批量快速生成本项目的所有基本回路。在工厂视图中根据实际工艺需求，创建不同的层级，实现现场车间和程序层级的对应关系，方便管理和查找程序和画面。在生成基本回路过程中通过填写IEA表格，所有回路的注释、量程、报警值也一并生成在基本回路中，减少了组态的工作量。下一步就是连锁功能的组态，根据工艺提供的连锁值，连接相应的CFC管脚，实现连锁功能。基本回路创建完毕后，按照工艺要求，编写顺序控制程序，通过拖拽和可视化图形操作，实现顺序控制的功能。溶解车间包含碳酸氢铵溶解、氯化钴溶解，以碳酸氢铵溶解为例，包含碳铵配液槽进水碳铵配液槽搅拌、碳铵配液槽升温、碳铵配液槽出料功能。合成车间包含氯化钴预热、碳酸钴合成、碳酸钴陈化、分离洗涤系统。以碳酸钴的合成为例，包含合成釜进料、合成釜搅拌、合成釜搅拌（溶液）温控、合成釜出料功能块。项目中编写的SFC TYPE功能块如图2所示。通过这些功能块，操作员只需要预先输入进料的设定值和温度控制的设定值，然后点击Start按钮，即可实现溶解过程、合成过程、陈化过程等的自动控制。图2项目编写的SFC功能块2.3画面设计操作员站是对所有用户的物理画面接口。操作员对工艺流程的大部分控制是通过操作员站上的画面对象进行的。PCS7的上位机软件是SIMATIC WinCC，是一款功能强大的HMI组态软件。HMI画面设计以设计院提供的PI&D图为基础，保留带测控点的工艺流程，采用预先定义好的规范绘制。图3是本项目中碳酸钴合成工艺的操作画面，可以看到PCS7的操作画面包含总览区域、工作区域、系统功能按钮区域。工作区域中中的静态图标，动态图标、管线排布整齐，动静结合，既能反映整个工艺流程，又方便操作员进行操作。2.4其他软件功能项目完成后还有一些其他软件功能需要设置，PCS7提供权限管理的功能：设置四个不同级别的操作用户组，即监视用户、操作员、工艺工程师和仪表工程师级别。分别完成用户管理、区域权限、系统更改、监视、过程控制、高级过程控制等控制功能。不同的人员拥有不同的操作权限，方便全厂的管理。趋势功能：操作员可以通过“组态趋势图”按钮创建和存储用户选择位号的趋势图。打开对话框，现存的趋势图可以显示、编辑或删除，新的趋势图可以被组态。趋势图的组态是通过选择显示位号和对话框中的显示选项来实现的。报警记录功能：WinCC从现场控制器中获取报警或消息，并且按顺序将它们输入消息记录中；操作记录功能：操作员站会生成包括所有的操作员命令的操作记录信息。每次当操作员给出命令或通过面板改变参数的时候，操作信息会被记录。3运行结果分析该套PCS7系统自投入使用后，一直运行良好。连锁全部投入，可以实现关键设备和工艺工程的保护功能。顺控全部投入，可以实现溶解车间合成车间的全自动控制。和之前的工厂相比，有较高的自动化率和较低的人员工作强度，提升了企业的竞争力。4结束语本文是对PCS7在钴粉生产行业实际项目的总结，实际的投运结果表明，该先套系统具有性能可靠、结构简单、投资较低，维护方便等优点。该套控制系统是PCS7在钴粉生产行业的一次尝试，为企业自动化改造提供了一种新的选择。PCS7只是西门子数字化解决方案中的一款基础软件，要实现整个工厂的数字化，需要在实现自动化的基础上，应用一些更为先进的数字化软件，这许多功能需要后续的调试与完善。参考文献1马光，孙晓亮，郑晶，等.钴粉的制备、应用及我国的发展现状J.稀有金属快报，2008（11）：6-102徐斌，王成均，吕小刚.钴粉生产技术研究进展J.粉末冶金技术，2010，28（3）：224-2293SIMATIC Process Control System PCS 7 First StepsEB/OL.（2018-01-24）2022-07-10https:/ PCS 7 Process Control System CPU 410 ProcessAutomation EB/OL.（2021-08-11）2022-07-10https:/sup- Process Control System PCS 7 Getting StartedEB/OL.（2018-02-27）2022-07-10https:/