西門子PCS7過程控制系統(tǒng)在電石行業(yè)中的應(yīng)用研究

周瑞虎

摘 要：青海鹽湖海納化工有限公司20萬噸電石生產(chǎn)裝置采用SIMATIC PCS7控制系統(tǒng)。該裝置應(yīng)用西門子全集成自動化理念，系統(tǒng)由多用戶HMI系統(tǒng)（C/S模式）、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站等部件組成，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)過程的自動化輸出。

本文介紹了西門子公司過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS7應(yīng)用于電石冶煉生產(chǎn)及其附屬設(shè)備的控制，闡述了該系統(tǒng)的軟硬件配置，控制系統(tǒng)完成的功能和控制難點(diǎn)及工藝實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：電石冶煉 PCS7過程控制系統(tǒng) 工藝實(shí)現(xiàn)方法

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

青海鹽湖海納化工有限公司20萬噸電石生產(chǎn)裝置采用SIMATIC PCS7控制系統(tǒng)。該裝置應(yīng)用西門子全集成自動化理念，系統(tǒng)由多用戶HMI系統(tǒng)（C/S模式）、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站等部件組成，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)過程的自動化輸出。

1 工藝、設(shè)備簡介

合格粒度的焦炭、石灰按比例混合，經(jīng)電爐上方的進(jìn)料倉進(jìn)入電石爐，爐料由電弧熱和電阻熱在1800℃—2200℃的高溫下熔融生成液體電石。液態(tài)電石冷卻凝固后經(jīng)過初次破碎送往乙炔裝置。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的爐氣（主要成分為CO）經(jīng)過凈化系統(tǒng)回收送往煤氣儲柜，作為氣燒石灰窯和炭材烘干窯的燃料。

本裝置由原料儲運(yùn)系統(tǒng)、電石冶煉系統(tǒng)、出爐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、水系統(tǒng)等輔助設(shè)施組成。原料儲運(yùn)系統(tǒng)由2條輸送皮帶將合格的焦炭、石灰輸送至中間儲倉；電石冶煉系統(tǒng)由一臺90MW密閉矩形電石爐，加熱和熔化物料的能量均由六根自焙電極提供，自焙電極由三臺65MVA單相變壓器供電，電極升降、壓放由液壓缸驅(qū)動，3臺冷卻風(fēng)機(jī)對爐底進(jìn)行冷卻；出爐系統(tǒng)由6臺液壓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作出爐； 2臺10噸行車對出爐軌道上的電石鍋?zhàn)詣訆A取，送至輸送系統(tǒng)；尾氣系統(tǒng)由4臺尾氣風(fēng)機(jī)將爐氣抽取，經(jīng)過高溫布袋除塵、強(qiáng)制通風(fēng)冷卻器，由增壓風(fēng)機(jī)送至氣柜。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

PCS7（Process Control System）是西門子的DCS系統(tǒng)，基于過程自動化，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的全集成自動化架構(gòu)。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等軟件，組態(tài)對象選用S7400高端CPU。PCS7具有集成化，模塊化，可視化，強(qiáng)大的功能塊和系統(tǒng)開放性，能夠滿足各種工況要求。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用西門子全集成自動化系統(tǒng)，包括工程師站、操作員站、自動化站。工程師站用來對所有PCS7系統(tǒng)組件進(jìn)行集中管理，包括操作員站，批處理站，自動化站，集中和分布式遠(yuǎn)程I/O；操作員站對PCS7系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行過程的監(jiān)控，提供標(biāo)準(zhǔn)的操作界面，方便的在線修改，報警提醒及數(shù)據(jù)的歸檔；自動化站對所連接的集中和分布式I/O的過程變量進(jìn)行記錄和處理，并輸出控制信息和設(shè)定值，提供可視化數(shù)據(jù)信息記錄，將操作員站上指令傳送到生產(chǎn)過程中去。

2.2 主要控制方案

原料輸送控制：合格的原料運(yùn)輸?shù)绞抑虚g儲存?zhèn)}和焦炭中間儲存?zhèn)}，經(jīng)稱重皮帶機(jī)稱重，按一定的配比由犁式輸送機(jī)輸送到電石爐喂料倉進(jìn)入爐子參加反應(yīng)。進(jìn)料系統(tǒng)所使用的標(biāo)準(zhǔn)對象是來自PCS7高級過程控制庫（APL）作為自定義對象，當(dāng)中間儲料倉的料位低的狀態(tài)下就會開始進(jìn)料。有4個稱重變速輸送機(jī)可成對操作來混合儲倉和計量區(qū)域中的石灰和焦炭物料，根據(jù)石灰和焦炭對這個輸送的速度比率進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

爐本體控制：主要包含爐變控制、電極控制及爐本體各參數(shù)監(jiān)控。本臺電石爐由3臺單相變壓器組成，通過DCS控制GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）實(shí)現(xiàn)變壓器的星三角轉(zhuǎn)換，并且對有載調(diào)壓開關(guān)檔位進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)對電石爐負(fù)荷的控制。電極的升降、壓放控制通過DCS對控制閥、比例閥發(fā)送指令，使電極位置滿足生產(chǎn)需求，并且根據(jù)設(shè)定需要的功率、電流或電阻，DCS會根據(jù)需要通過PID調(diào)節(jié)控制電極升降，使功率、電流或電阻接近設(shè)定值。同時，DCS系統(tǒng)對爐本體膨脹狀態(tài)、循環(huán)水、溫度指標(biāo)，爐底冷卻溫度及爐本體各部位溫度指標(biāo)實(shí)時監(jiān)控，并提供報警提示或連鎖功能。

冷卻系統(tǒng)控制：冷卻系統(tǒng)包括軌道系統(tǒng)、冷卻車間、破碎上料系統(tǒng)。生產(chǎn)的電石從出爐口流到鍋內(nèi)，由出爐口的推鍋器將熱鍋推出通過軌道將熱鍋帶到拾取站，由天車將拾取站的熱鍋吊到冷卻架上進(jìn)行冷卻。冷卻合格的電石由天車吊到輥道輸送機(jī)的掉落站，通過輥床輸送到斜坡提升機(jī)頂部，再由翻鍋機(jī)進(jìn)行翻鍋，將電石倒入溜槽中，成品電石由此輸送至乙炔裝置

尾氣回收控制：電石冶煉過程中會產(chǎn)生一定量的尾氣，對其除塵降溫后進(jìn)行回收利用顯得格外重要。本系統(tǒng)主要由上升煙道、文丘里、尾氣風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、高溫布袋除塵、增壓風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成。配有變頻調(diào)速的尾氣風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)風(fēng)門，通過DCS控制把電石爐內(nèi)上部空間壓力調(diào)節(jié)在微正壓狀態(tài)，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)將冷卻后的尾氣送入文丘里中，與高溫爐氣匯流，經(jīng)過高溫布袋除塵，強(qiáng)制通風(fēng)冷卻器冷卻后，由增壓風(fēng)機(jī)送至煤氣氣柜二次利用。

3 應(yīng)用體會

電石生產(chǎn)過程是一個較復(fù)雜的電弧和電阻加熱使石灰焦炭在熔化狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)。影響電石爐操作的因素涉及到石灰雜質(zhì)、碳酸鈣含量、粒度、焦炭的灰分、水分、電氣參數(shù)設(shè)定、爐料配比等。實(shí)際上，上述原料狀態(tài)參數(shù)較難直接準(zhǔn)確實(shí)時采樣得到，其影響間接地反映在各種可測電氣參數(shù)和壓力溫度等工藝參數(shù)上。

從控制角度講，此類問題屬于多因子、非線性、高噪聲、樣本分布不均勻的問題。這類問題給復(fù)雜數(shù)據(jù)建模帶來不確定性。因此，符合生產(chǎn)實(shí)際的控制模型建立是當(dāng)前亟待解決的問題，這就需要通過大量的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合工藝特性及自動控制實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)學(xué)模型的建立，對電石冶煉二級系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量控制的優(yōu)化、工藝參數(shù)的自動收集、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、數(shù)據(jù)取樣和評估、生產(chǎn)批次的報告合成。應(yīng)用數(shù)據(jù)的采集和有效評估，實(shí)現(xiàn)對電極調(diào)節(jié)策略的研究，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低功耗、減少對電網(wǎng)的沖擊，進(jìn)一步做到節(jié)能減排，資源利用的最大化。

4 結(jié)語

目前，電石行業(yè)生產(chǎn)正處在生產(chǎn)裝備大型化、密閉化、集約化更新發(fā)展的時期，面對生產(chǎn)裝備技術(shù)水平的不斷提高，容量的不斷增大。自動化控制技術(shù)將在穩(wěn)定安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、降低勞動成本、節(jié)能減排等方面發(fā)揮其特有優(yōu)勢，本文西門子PCS7過程控制系統(tǒng)在電石行業(yè)的應(yīng)用控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，具有很大參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬榮榮.電石生產(chǎn)節(jié)能降耗控制研究[D].北京化工大學(xué)，2015.

[2] 陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊（第三版）[J].化工自動化及儀表，2000（02）：18.