低压自动化系统在工程上的应用

 摘  要：本文通过对西门子3WN6低压断路器及S7—300PLC控制系统自动化联网技术在锦化“十二万吨离子膜烧碱装置”上的应用分析，详细阐述了低压自动化系统在工业生产领域的广阔应用前景，为广大工业企业提供了一套全新的低压自动化配电系统选择方案。       关键词：低压自动化系统；3WN6；低压智能断路器；S7—300；PLC控制系统；自动化装置；PROFIBUS—DP；软件和硬件等      1  引言      低压电气开关或控制系统一直是各种生产装置及配套电气设备的重要组成部分，它们连接或隔离低压电网的元件并控制运行的电气设备，因此其性能的好坏在很大程度上制约着生产装置的连续稳定运行，同时各配电及传动装置的特点也要求，在发生故障时，能够及时可靠的动作，防止生产事故的扩大。但长期以来，电气作业，保护定值整定、设备监视和故障报警诊断，一直停留在设备陈旧、人工处理的落后水平上，无法满足日益发展的工艺技术和科学管理的要求。为此，迫切需要一种电气自动化解决方案。随着以计算机技术、通讯技术和电子技术为代表的3C技术的飞速发展，终于使这一理想变为现实。低压自动化系统的应用，使电气专业在根本上实现了工艺管理、过程控制和故障诊断的科学化和准确化。      锦化化工集团在这方面走在了国内同行的前面。“十二万吨离子膜烧碱装置”是锦化投资八亿元引进的九五工程项目，全套工艺技术和设备均由日本旭硝子公司提供。尽管电气部分国内配套，但由于生产工艺复杂、技术要求较高，因此，同样也对电气控制提出了更高的要求。由于我们已经在“八万吨离子膜烧碱改造工程”的10kV配电设备上实现了微机系统的自动化管理，并积累了成熟的微机使用经验，因此，我们率先在国内引入低压系统自动化的概念，设计并完成了国内第一套低压自动化系统联网控制方案。通过微机系统将低压电气元件(如低压开关、接触器、电动机电脑保护器等)与过程控制PLC装置有机地融为一体，使操作人员在中央控制室就可完成电气开关和控制装置的遥控、遥测、故障报警、定值修改和后台编程等工作，从而与仪表专业的DCS集散系统一起，构成了一套完整的现代化工艺控制体系，真正实现了装置生产过程的自动化。      2  整体方案的确定      本装置共有低压配电室四个，分别控制着整流电解、氯氢处理、循环冷冻和盐水精制等工序的各种大容量低压开关11台、循环泵、冷冻机、氢压机及氯压机等关键设备80多台。另外，电气专业还负责原盐贮运工序的PLC自动化贮盐控制系统—S7—300；它由CPU、A/I、A/O、D/I、D/O模块，电源及触摸屏组成。      要实现如此复杂系统的过程控制，单纯的依靠智能开关和现场临近是无法办到的，必须领先现代的网络通讯技术和可靠的低压系统自动化软件，通过工业以太网将传统的智能元件与微机系统进行有效的结合，才能够真正实现自动化系统的集中统一管理。      这就要求我们在选择低压自动化系统的智能元件时，不仅仅只是要连接不同的自动化部件，还要提供一个共同的软件环境使得所有部件和任务集成为一个系统。经过与西门子、ABB和施耐德等外国公司技术交流，我们了解到目前各公司均能提供相应的智能低压开关、PLC、联网组件和系统软件等，但考虑到系统性能、价格和设备的兼容性等因素后，我们最终选中了西门子公司的3WN6智能低压断路器，S7—300PLC和低压系统自动化软件。实践证明，我们的选择是正确的。      3 系统结构      低压系统自动化的核心是3WN6低压智能断路器，它不仅具备普通开关的过流，短路、欠压和过压保护，而且在本体单片机的控制下，可通过液晶屏幕，现场完成参数设定、显示动作报警和故障记录等功能。所有工序的配电及控制任务均由3WN6开关来完成。另外，SIMATIC S7—300 PLC系统本身就是一套完整的自动化控制装置，它体积虽小，但功能强大，在CPU及STEP 7软件的控制下，280多个A/I、A/O、D/I和D/O输入输出点协调工作，实现原盐贮运工序从卸车、上盐、自动轮仓贮盐到下盐等全部工序的电气控制自动化。通过先进的现场总线系统PROFIBUS，利用一条通讯电缆—屏蔽双绞线以及RS485通讯端口，将3WN6低压智能断的DP/3WN6通讯端口和S7—300PLC系统的MPI通讯端口有机地融为一体，在后台计算机软件系统的集中统一管理下，完成整个氯碱装置的低压系统自动化控制，系统结构简图如图1所示：      4  系统配置      1.后台控制用计算机      微型工业用计算机  1台(IPC—610主板/PIII600MHz/256M SDRAM/10G硬盘/40CD/AGP8M/17”数控彩显/EPSON打印机LQ—1600K)      2.西门子3WN6低压断路器      400V/3200A     2台      400V/1600A     2台      400V/1250A     5台      400V/1000A     2台      3.通讯接口      DP/3WN6专用    11台      4.网卡      CP5412  1块      5.系统软件      SIMTIC  WinCC 1套      Win3WN6 1套      SICAMLCC  1套      SIMATIC STEP 1、ProTool      6.PLC可编程序控制器      S7—300  1套(含CPU312、电源PS307、A/I(模拟量输入)模块SM331、A/O(模拟量输出)模块SM332、D/I(数字量输入)、模块SM321、D/O(数字量输出)模块SM322、通讯模块及触摸屏TP27等)      5   自动化装置、系统的特点和功能      1 .3WN6低压智能断路器的特点      3WN6是一种经济型低压智能断路器，它采用了模块化的工程设计，使得通讯、保护和测量等功能更为稳定可靠，而且拆卸和维修方便，所有开关功能均可在线进行数字化编辑，联网后，可以方便地实现遥测、遥控功能以及快速故障诊断，还可远方修改定值和进行能量控制。因而避免了不必要的维护检查，减少了生产设备的停车时间。      2.PLC系统的特点      正常生产时，S7—300系统由原盐控制室的操作人员通过控制机柜上的触摸屏模拟流程和触摸按钮，即可清楚掌握原盐工序的工艺流程、物料流动及设备运行情况，并可自动或手动触摸控制设备的开/停，方便检修和事故处理。联网后，可以实现后台在线组态、现场监控和远动控制功能。      3.自动化软件的特点      ·西门子工业软件在国际上为自动化项目开创了先例！本装置应用了适用于全集成自动化的监控级应用软件—SIMTAC WinCC、低压断路器控制软件—Win3WN6、SICAM LCC、S7—300  PLC产品的组态、编程和项目管理软件—SIMATIC STEP 7、以及触摸屏面板编程软件—Pro Tool．     ·全部软件均采用当今世界上最稳定的WINOOWs 98或NT操作平台，为真32位字长的多线程、多用户、多任务系统软件。在已确定的硬件范围内，用户可在线修改各种系统变量、控制参数和进行系统组态。     ·SIMATIC WinCC与其它软件包不同，它支持均衡的多处理器系统，使用户的应用能够充分发挥多处理器系统的全部优势，同时为现代工业应用提供了与对象相关的图形编辑器、报警存档和信息编辑器、变量存档编辑器、变量标签管理器等系统工具，具有连通性、开放性、硬件实用性和管理安全性等显著特点。      ·Win3WN6软件提供了对3WN6断路器从控制到监控的所有功能。Win3WN6通过PROFIBUS—DP与断路器进行通讯，可以方便地观察断路器的运行状态和脱扣信号、对断路器进行操作(可加密码保护)、观察运行参数(如相电流)以及方便地设定保护参数(可加密码保护)。      ·SICAMLCC为低压系统的可视化编程软件，用户可方便快捷地创建3WN6断路器的可视化操作界面，显示电气系统的电路图及重要信息、测量值或计算值的显示和分析、显示电流、电压曲线、遥控设备的分/合，事故报警列表及打印等。      ·SIMATIC STEP7具有功能块图(FBD)和梯形图(LADDER)等编程语言，拥有丰富的指令集，无论编程设备直接连接在CPU的MPI接口或经过PROFIBUS的以太网编程，均简洁、方便、易用；集成的测试和诊断功能确保在系统出现问题时，技术人员能迅速做出反应。      ·ProTool软件很容易开发屏幕应用程序、绘制现场控制按钮中心的电气系统原理图，进行触摸屏的工艺流程图编辑、执行被控对象的开/停车控制，以及现场的单机离线调试等。      4．整个系统的主要功能及性能指标      ·系统装置联网后，运行人员在后台微机上即可掌握各配电室现场低压开关的分/合情况、动态显示电压、电流的波动，随时记录事件和报警信息；掌握整套氯碱装置的运行状态况。      ·由于采用了多CPU的硬件结构，因而整个系统的实时性较强，数据变化响应的速度较快，系统SOE分辨率≤2ms遥信变位≤2秒，遥控过程完成≤6秒，画面响应1～3秒；另外事件报警、越限事件，报警顺序显示、历史曲线、运行报表查询和强大的打印功能等，为日常生产管理和事故分析提供了极大的方便。      6  工程实践      锦化氯碱装置的低压自动化系统在开关厂和西门子公司的技术支持下，在先期完成了PLC系统的调试和投产后，仅用一个月就完成了全部自动化系统的联网安装和后台软件的调试工作。该系统于2000年9月全面投入运行以来，一直运行稳定、工作可靠，取得了传统电力控制模式所无法实现的控制效果。在多起工艺事故停车过程中，所有电气装置均快速准确动作，并自动记录开关动作现象、时间和顺序，与DCS监控系统一起、为工艺专业及时查找故障原因，恢复装置开车，提供了科学的依据。它不但使工人从繁琐的手工作业中解放出来，减少了各种人为事故的发生，而且使系统维护及故障检修变得容易、迅速，从而真正实现了低压电气管理的科学化和准确化，受到了广大运行维护和技术人员的好评。      尽管由于操作语言为英语，对运行人员的素质要求较高，但总体来说，它不失为一套完整的低压系统自动化解决方案，特别值得在工业自动化水平要求较高的氯碱和化工行业推广使用。我们相信：随着微机控制技术的不断完善与发展，以及我国加入WTO组织后企业所面临的严峻形势，我们只有不断采用新技术和新工艺、不断提高自身的管理水平，才能应对新的挑战，为我国的社会主义建设做出更大的贡献。

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