SIMATIC S7-400H在膨胀机控制系统改造中的应用方案

引言
兰州石化公司化肥厂大化肥装置1997年建成投产，大多数设备为进口设备。空分装置采用德国林德公司工艺技术和设备，主要为合成氨装置提供合格的氧气和氮气。膨胀机是空分装置的重要设备之一，在生产中是不可缺少的。其主要作用是将来自氮压机二段的氮气经增压机加压，经增压机后冷却器冷却后进入循环换热器。在循环换热器中被冷却到后抽出，然后经过膨胀机前过滤器，快关阀以及膨胀机喷嘴，最后推动膨胀机叶轮旋转对外做功，气体温度、压力降低，同时有少量被液化，经分离器分离后，液体部分送到低压塔做为少量回流液。气相部分则进入换热器复热，最后进入中压氮总管。两台膨胀机是德国ATLAS COPCO公司生产的离心式压缩机，两台互为备用，一台使用另一台后备。其控制系统由德国西门子（SIEMENS）公司SIMATIC S5 PLC和4台HB控制器等组成，完成了膨胀机监测、控制、逻辑和安全保护等功能。随着使用时间增长，控制系统故障频率也增多，不仅严重影响了正常生产，而且造成了经济、能源浪费和企业效益损失。
1控制系统现状分析
S5系列 PLC是德国西门子公司八十年代推出的小型可编程序控制器，采用结构紧凑的模块化设计，性能可靠。随着使用时间的增长，控制系统各类故障不断出现。软硬故障都出现过，故障产生的原因和部位也较为多样。2001年，我厂设备大检修膨胀机控制系统下电，待上电后，电源、CPU模块、I/O等模块各指示灯正常，输入信号正常但指示不正确，经检查后认为程序出错，取出EPROM，清空RAM中的程序，将EPROM卡插入PLC中，将EPROM卡上的程序拷回PLC，故障消除；曾经出现通讯故障和人机界面MP30-A黑屏现象，西门子公司两次来人处理。至于其它PLC硬件故障较为直观发现，更换模块解决问题。2004年检修后上电，人机界面MP-30黑屏，通过判断人机界面出现问题。寻找该型号产品，此产品已停止生产，无法用其它产品代替，两台膨胀机只好用一台人机界面进行监测和控制。
由于设备出现故障频率增多，维修有一定困难且维修费用也较高，同时要求维修人员具有较高的专业技术，并且有一定的外语和计算机功底，只有对整个系统了解和熟悉后才能对常见的故障做到判断迅速、排除迅速，并尽可能地降低维修费用，确保系统的正常稳定。另一方面由于产品的不断更新换代，该产品已经停产，配件早已不生产，备件已无法供应,出现问题很难解决。所以对膨胀机控制系统升级改造十分必要。
2 改造方案的确定和实施
针对系统的现状和存在的问题，经过认真分析研究，确定对膨胀机控制系统进行改造。这次改造仍采用西门子高性能成熟的SIMATIC S7-400H（简称S7-400H）产品来替代原有的S5-115U进行对膨胀机控制系统进行改造。将原来用于膨胀机喷嘴调节和防喘振调节的四台HB控制器去掉，改到S7-400H系统中实现，其它功能和操作方式基本不变。现场仪表和操作盘不做任何改动。用两台MP370人机界面代替原MP30-A人机界面。同时增加一台PLC工程师，用于维护和临时修改程序。S7-400H PLC系统采用西门子提供的STEP 7 v5.3 SP3编程软件对其进行编程组态。人机界面MP370采用西门子公司的SIMATIC WinCC6.0 SP3组态软件进行编程组态。
2.1硬件部分
根据可靠性和性能以及I/O点数要求，膨胀机控制系统配置冗余S7-414H一套、MP370人机界面两套、 PLC系统由S7414-2DP的CPU 带2个远程I/O站组成。 同时增加一台PLC工程师，用于维护和临时修改程序。
膨胀机控制系统S7-400H机柜由西门子公司集成，机柜安装在原膨胀机控制柜位置。将原来的信号电缆接在改造后的I/O卡件上。安装好机柜、硬件、接地和通讯电缆等，检查合格后上电。
2.2软件部分
对改造后的S7-400H PLC控制系统进行编程组态，组态包括控制功能和显示功能两部分。
2.2.1控制功能部分
S7-400H PLC系统采用STEP 7 v5.3 SP3编程软件对其控制和逻辑等功能进行编程组态。该控制系统具有原控制系统以下功能：
膨胀机的开停和控制：就地/控制室盘选择开关，选择在控制室还是在就地启动/停止膨胀机。调整膨胀机膨胀量，控制好入塔空气温度，氧气取出量，加工空气量和压力。通过膨胀量来控制主冷液位的高低，转速、喷嘴、防喘振阀控制。膨胀机出入口气体温度、内外轴承温度、油过滤器后的油温正常、出入口气体压力、润滑油进轴承油温、密封气压力、膨胀机轴振动、导流器与膨胀机出口压力差、检查油箱油液位以及油泵运行情况等监测指示功能。
联锁保护功能：系统出现保护性故障时，具有报警、停机功能，轴瓦温度、轴振动轴位移、油系统、密封气系统、出入口气体温度、压力以及转速出现故障等原因报警跳车时，系统会发出报警，并记录报警信息。
辅助系统控制：包括辅助油泵启停控制，油电加热器的控制。
此外，S7-400H PLC增加了S5 PLC无法实现的功能，而这些功能原来由HB控制器实现：
a 喷嘴控制功能
在程序中组态喷嘴调节器[注：HC3402（或HC3452）原来是HB调解器]，完成喷嘴控制功能，组态控制选择方式，手动/自动转换，快开/快关按钮等功能。 开车时对喷嘴开度进行调节。
b防喘振阀控制功能
在程序中组态防喘振调节器[注：HC3405（或HC3455）原来是HB调解器]，该控制器具有：当机组运行时，系统的全手动功能将自动被屏蔽。当机组有运行信号时，系统将自动切换到全自动状态。当机组有信号停止时，系统将自动切换到手动状态，并且输出100%。当进行紧急放空操作时，系统将自动切换到手动状态，并且输出100%，同时使得电磁阀失电。此功能仅限于机组极其不稳定的时候才可以应用。当机组处于安全状态时，可以将全自动切换到半自动状态进行人工操作，但当系统进入危险区时半自动将自动被全自动代替。通过调节防喘振调节器来控制膨胀机转速。
2.2.2显示功能部分
改造后人机界面MP370用SIMATIC WinCC6.0 SP3组态软件进行编程组态，该系统运行平稳，功能强大，操作简单。WinCC软件功能更加强大，作为一种全面开放的监控软件，不仅提供数据开放功能，而且集成的Sybase anywhere数据库存储过程动态数据，为以后管理机访问数据库打下基础，同时支持DDE、OLE、OCX、ActiveX、OPC和ODBC等功能 组态非常方便。
WinCC组态软件定义MP370操作面板画面全局功能键和局部功能键。全局功能键始终触发同样的操作，而不管当前显示何种画面，回到所需的画面；局部功能键可以在每个画面中触发不同的操作。WinCC组态了MP370流程图和操作画面，画面包括：主画面，A透平画面， B透平画面，启动条件画面，启动准备画面，工艺过程值画面，防喘振控制画面，喷嘴调节画面，回温画面，停车信息画面，报警信息画面，轴温画面，油路及密封气画面，A/B气路画面，A/B 油路画面，A/B过程值画面，A/B联锁设定点画面，A/B防喘振曲线画面，回温启停操作和启动过程值画面等。
PLC工程师站通过工业以太网与S7-400H PLC通讯,连续不断的从生产过程中获得大量的信息，并及时为工艺操作人员显示设备状态，提供彩色画面详图、棒图、曲线图、报警表、以及动态流程图，因此操作人员可以通过上述画面检查各种信号的详细情况，修改设定值、改变操作方式，从而起到指导实时操作和控制的作用。
2.3联机调试
当完成硬件安装，控制柜接线和软件编程组态工作后，对系统功能进行调试，检查控制功能和逻辑，联锁保护等功能是否和原来一样。调试合格后，做好系统程序和用户程序备份，交付生产使用。
3 改造后控制系统的优点
3.1 SIMATIC S7-400H的特点
SIMATIC S7-400H除了具有S5系统的全部优点外，还具有以下优点：采用了新的系统和软件，CPU按级别分类均向上兼容，封闭结构的模板设计，提高在恶劣环境下运行的适应能力。方便的信号模板接口，模板结构紧凑，元件高度集中。最优的通讯和网络接口，良好的用户界面。可自由选择模板的插槽。可以不使用冷却风扇，非分段机架中的多重计算。模板安装非常简便，背板总线集成在机架内，方便、机械式的模板更换经过现场考验的连接系统，TOP连接，规定的安装深度和没有槽位规则。如果用户需要比中央控制器更多的功能，S7-400可以扩展。高速指令处理，用户友好的参数设置，用户友好的操作员控制和监视功能（HMI），CPU的终端功能和自测试智能诊断系统连续地监视系统功能并记录错误和系统的特殊事件。
3.2改造前后控制系统比较：
改造前S5-115U结构配置简图如图1所示

改造后S7-400H结构配置简图如图2所示

和原控制系统比较，改造后的控制系统具有以下优势：
3.2.1硬件体积比S5设计体积小，槽位配置灵活节约空间，安装方便灵活。
3.2.2 可靠稳定性更强：改造后S7-400H系统是冗余的，克服了原来控制系统单机运行的缺陷。
3.2.3 通讯速度快：由于采用了S 7 - 4 0 0H 的PLC，两个远程I/O站与 PLC主站之间通过Profibus DP相连，PLC和人机界面MP370以及PLC工程师站采用工业以太网，数据传输速度快。
3.2.4 应用灵活，编程方便，维护简单：改造后的系统增加上位PLC工程师站，便于监控、维护和修改程序。由于PLC工程师站可以监视和检测硬件、通讯等状态，可以迅速了解故障，及时解除故障。
3.2.5 备件更换方便：S7-400H PLC 及MP370 是西门子新一代产品，是目前及将来的主流控制元器件。
3.2.6由于S5 同S7 的产品是西门子升级换代的产品，其硬件的接线有相近性，可节省配线周期，其软件有相通性，可节省大量的调试周期。
3.2.7 将手动调节器HIC3402/3452，防喘振调节器HIC3405/3455改到S7-400H系统中控制，去掉原来的四个调节器，充分发挥了S7-400H系统的优势，同时节约投资费用。
4 结束语
膨胀机控制系统于2006年7月改造投用，取得了良好效果：系统可靠稳定运行，设备故障降低，设备维护成本降低，且消除了停产的风险（缺备件），提高了生产的自动化程度。
因此，通过膨胀机控制系统的升级改造，对于正常生产缺少备件的用户来说，S 5 升级S 7 是一种切实可行的方法，值得借鉴。