一 系統簡述
某制藥有限公司鹽酸羥可酮生產工藝系統由三具反應釜二個干燥器組成，分別為氧化反應釜（簡稱R1）；加氫反應釜（簡稱R2）；中和、結晶釜（簡稱R3）；雙錐干燥器（簡稱 H1）；成品干燥器（簡稱H2）五個部分組成，對這五個部分的溫度控制攪拌控制壓力控制是本方案的工作核心。
在溫度控制中，針對此生產工藝系統的組成特點和工況條件，我們采用兩級PLC串級控制方式進行系統溫度的精確控制。其中一級主PLC一臺（西門子S7-315）負責控制工藝系統中五個主要設備的運行狀態及所有數據的傳輸、顯示和控制及報表圖形的輸出和打印，二級PLC二臺（西門子S7-200）為第三方廠商制造的加熱冷卻設備中自帶的控制器，其負責該設備的溫度控制，并與一級PLC串級構成對三具反應釜兩臺干燥器內部溫度的串級控制，從而實現精確控溫，控溫精度為±1℃。
在安全保護中，將現場使用的工控機進行正壓防爆處理，使其安全防護級別達到FM1級1區，溫度組T4 （< =135度），并在每個操作臺上設置一個緊急停止按鈕，當生產出現急威非安全狀況而又無法在短時間內解決時，按下其中任何一個緊急停止按鈕都可將系統停止，最大限度的保障人身及設備安全。
二 系統控制方案
2.1 對R1、R2、R3生產工藝流程的控制
2.1.1 R1、R2、R3攪拌速度的控制
其攪拌系統是由： PLC—變頻器—攪拌電機—測速傳感器—PLC構成的控制回路，控制范圍：20-200轉/分鐘，控制偏差為5轉/分。
本工藝要求R1、R2、R3在不同的生產時間里攪拌的轉速是不同的,因此為了保證生產條件的一致性，減少人為操作的隨意性，在轉速控制系統中設置了五條在不同工況下的速度控制配方，而且每條配方都可根據具體工況修改，設定好后按順序儲存在系統中,在生產時操作人員只需調用配方的序號就可以完成每次生產中攪拌的起、停和中間轉速的變換，因此對產品質量的保證起到一定的作用。而系統對轉速的監控則是通過速度傳感器將真實的攪拌速度上傳給PLC，經計算繪制出理論速度與實際速度對比圖，實現生產過程中對攪拌速度的精確控制和完整記錄。
理論控制速度與實際控制速度對比示意圖：
2.1.2 R1、R2、R3的溫度控制
對R1、R2、R3溫度的精確控制，是保證產品質量的重要條件，釜內溫度控制范圍：-10℃－－+80℃，偏差控制在±1℃，加熱冷卻速率為2℃/分。生產工藝要求當R1、R2、R3的攪拌啟動后方可啟動它們的溫度控制，否則不能啟動，當攪拌停止工作則溫度控制也停止工作。
其中R1、R2的溫度控制方案如下
現以R1為例：因不同時段要求的釜內溫度不同，為了使R1釜內溫度受到精確控制，故采用S7315與S7200串級控制方式來實現。當R1需要升溫時系統程序對S7315和S7200下達梯度升溫指令：
1 S7315關閉板式換熱器的冷卻水進水電磁閥。
2 S7315通過TIC-101釜內溫度傳感器，TV101三通控制調節閥，并結合當前SV值和升溫速率組成一個以控制加熱水水流量為單元的外環控制方式。
3采用無限逼近SV的PID控制方式控制加熱機組中的熱水溫度形成內環控制單元，確保熱水溫度不超調。（由于進入R1加熱水套的水溫不會超調因此R1釜內的物料不會超調）
當SV-PV為負值時R1進入降溫時段，系統程序對S7315和S7200下達梯度降溫指令：
1 S7315通過DP通訊給S7200下達梯度降溫指令，并給定當前SV值（此時的降溫是以減少對加熱機組來水的加熱來實現的）。S7200通過TIC-102管道溫度傳感器采集水溫溫度數據，當TIC-102采集到的水溫溫度與來水的溫度相差5℃時（在實際工作中可根據工況調整該值），加熱完全停止。
2 系統程序檢測到TIC-102采集到的水溫溫度與來水的溫度相差5℃時S7315打開板式換熱器的冷卻進水電磁閥，啟動TV101三通控制調節閥。
3 S7315通過TIC-101釜內溫度傳感器，TV101三通控制調節閥，并結合當前SV值和降溫速率組成一個以控制冷卻水水流量為單元的外環控制方式實現對R1的降溫操作。
4 S7315在降溫控制過程中，采用無限逼近的PID控制方式控制TV101三通控制調節閥的水流量，實現無超調控制。
R2的控制方式與R1相同
R3的控制過程：TIC-301為釜內溫度傳感器、TIC-302為夾套溫度傳感器，FC為加熱冷卻設備帶流量控制器其作用是作一個邏輯條件，當FC有流量時才能啟動加熱冷設備，如沒流量則設備無法啟動運行。在程序設計中如此設定E=SV-PV，當E值為正時，則加熱，為負時則冷卻，同時加熱與冷卻互鎖，只能啟動其中之一。，同時對TIC-302作出如下設定，當加熱條件為一定時，其上下限設定為±0.5度，其中釜內溫度控制回路TIC-101是由S7-315組成的主調節器溫度控制單元；釜夾套循環水溫度控制回路TIC-302是由加熱冷卻設備自帶的S7-200組成的輔助調節器溫度控制單元。R3在加熱過程中控制方式、控制輸出與R1、R2相同，只是在降溫的控制元件上略有不同，溫控PID輸出略有不同。那么運用串級控制回路如何實現精確控制的呢？
2.1.2.1串級控制的原理
以下為標準圖，串級控制系統是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛地應用，主要由以下幾部分組成：
主調節器——按主被控參數的測量值與給定值的偏差進行工作的調節器，其輸出作為副調節器的給定值。
副調節器——按副被控參數的測量值與主調節器輸出的偏差進行工作的調節器，其輸出控制調節閥動作。
2.1.2.2串級控制的具體方案
本方案的串級控制回路圖如下:
從上圖中可以看出，本方案中的主調節器由西門子S7-315組成，而副調節器則由西門子S7-200組成。
主調節器根據工藝上要求的釜內溫度值（即設定值），與測量到的釜內實際溫度值（即過程值）進行PID運算，其輸出作為副調節器的給定值，副調節器根據主調節器的輸出值（即副調節器給定值）與副調節器輸出的循環水溫度值（過程值）的偏差進行運算，其運算結果控制循環水的溫度，再將循環水注入反應釜夾層內，從而控制反應釜內的溫度。
串級控制的主要特點：
1 改善了被控過程的動態特性，提高了系統控制質量；
2 提高了系統的工作頻率；
3 具有較強的抗擾動能力；
4 具有一定的自適應能力。
串級控制的應用場合：
1用于克服被控過程較大的容量滯后；
2用于克服被控過程的純滯后；
3 用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動；
4 用于克服被控過程的非線性。
2.1.2.2 溫度控制的監測和數據的輸出
系統的主PLC除了完成系統溫度的串級控制外,還要將輔助加熱冷卻設備的控制參數和溫度參數讀取后，在加熱和冷卻過程中計算出加熱速率、冷卻速率，并結合理論控溫曲線繪制出實際控溫曲線，實現對生產過程中反應釜溫度的監測、控制和完整記錄。
理論控溫曲線與實際控溫曲線對比示意圖：
2.1.3 R1、R2、R3的壓力的控制
保持釜內的合理壓力是安全生產的一個重要環節,通過高精度的壓力變送器（精度0.25‰）將采集來的壓力值送給系統,在程序中采用兩級安全報警系統來保證反應釜的安全生產（報警值的大小根據現場工況的具體情況而定制）。
1 當反應器壓力超壓達到一級時,蜂鳴器啟動,提醒操作人員反應系統已超壓，請注意操作，人機界面出現黃色超壓對話框,直到人為干預將超壓解決,系統恢復正常。
2當反應器壓力超壓達到二級時,蜂鳴器啟動，人機界面出現紅色超壓對話框，同時系統自動關閉進料閥并打開反應器的放空閥，停止其它的運行步驟，直到人為干預將超壓解決,系統恢復正常。
其中對R2的壓力保護是系統壓力保護的重點。
2.2對H1、H2的控制
當操作人員在人機界面上啟動H1、H2時：
1 S7315通過控制智能馬達控制器控制干燥器的轉速。
2 對H1、H2升溫的控制與R1一樣。主系統只將溫度和壓力數據采集后在系統中記錄運算并以表格或曲線圖的方式輸出打印，實現對生產過程中溫度、壓力的精確控制和完整記錄。
2.3對真空系統的控制
在主系統界面中設置兩套真空泵的啟動按鈕和停止按鈕，不對真空度等參數進行控制。
三 控制系統的構成及特點
3.1操作控制臺的選型
因本案的生產場所為有氫氣存在的1區 危險場所，所以要求操作控制臺必須為防爆型產品,并且防爆等級必須為 Ex(ia)ⅡC T4及以上。通過對市場的了解，得到以下幾種信息：
1： Proface觸摸屏有一款具有防爆功能且通過歐洲的防爆認證，但在國內好象沒有通過該項認證，而且價格昂貴。
2：德國P+F EXTEC的防爆屏可在1區使用，并通過國內防爆認證，但進近二十萬的價格對本案來說似乎也高出了許多。
3：采用隔爆式防爆箱將將觸摸屏特殊處理后封裝，達到防爆的目的，價格較為適中。
4：采用正壓式防爆操作控制臺將工控機；顯示器封裝后用防爆鍵盤防爆鼠標操作，達到防爆的目的，價格較為適中。
針對以上4種方案，結合本案的實際情況：第1、2方案都是進口防爆觸摸屏，性能好使用不方便，而且價格奇高。在本案中使用成本似乎有些過高。第3種方案的防爆方法效果較好，但是由于觸摸屏的功能有限，屏幕相對小，對于復雜的工藝界面不能有效的表述，而且放在防爆區的觸摸屏較昂貴，且要使用的時間很短，戴手套不能對觸摸屏進行操作，觸摸屏使用時間不長，就會變得很臟還會有故障產生。另外在程序設置時要加入很多的嵌套，會影響觸摸屏的反應速度。第4種方案采用正壓防爆控制臺，首先將工控機安全封裝，其次運用專有的屏幕防爆技術將工控機的顯示器封裝后用防爆鍵盤防爆鼠標操作。該操作控制臺有正壓氣源自保護系統，當控制臺的壓力未到安全值時控制臺不能上電，該產品有國家防爆認證，防爆等級達到 Ex(ia)ⅡC T4以上，實現了安全防護。在操作上簡單直觀，提高了操作速度，對多重界面的操作更是游刃有余。與第3方案相比在使用上性價比更高，在設計理念上更為人性化。因此將該方案定為首選。
3.2 WINCC組態軟件
WinCC代表Windows Control Center（視窗控制中心）是工控軟件技術上的領導者。目前在PC基礎上的操作員監控系統近年來發展迅速,用于監視和控制的SIMATIC HMI產品中，WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級的操作監視系統。WinCC的顯著特性就是全面開放，它很容易結合標準的和用戶的程序建立人機界面，精確地滿足生產實際要求。因此作為Siemens TIA概念的一部分，WinCC可與屬于SIMATIC產品家族的自動化系統十分協調地進行工作。
3.3 本案控制系統的特點
3.3.1安全性好
基于多年為石化企業做工控的經驗，我們的系統開發首先以安全為主，安全性好不好是一個系統成敗的關鍵。在本次系統設計中我們對軟件和硬件的安全性做了較為充分的論證，根據用戶的要求本系統以防爆為主線。首先在程序中設置了多處應對安全的不同措施最大限度的用程序的安全來保證生產的安全。其次兩個操作控制臺采用正壓防爆保護方式，實現了與現場環境的隔絕，達到了一級區域的防爆等級。第三在每個控制臺上我們安裝了一個防爆急停按鈕，一旦工作中出現非安全情況，按下后就可將整個系統強停，最大限度的保障人身及設備安全。最后在控制柜中根據不同的用電器分別設置不同的熔斷器、過載保護器、短路保護器等常規電氣保護單元。
3.3.2實用性強
在系統設計時強調以人為本的設計理念，降低使用操作的難度，使操作人員一學即會得心應手，在人機界面及控制方式上以實用好用為目標，用最簡單的方法實現不簡單的控制。比如：在人機界面中將受控運行的設備用動畫形式表現出來，加熱制冷設備的運行狀態用不同的顏色表示出來，當為反應器加熱時循環水回路用紅色表示出來；冷卻時循環水回路就用藍色表示出來，系統中還有很多地方用到這樣的設計，使操作者一目了然。
3.3.3可靠性高
依靠多年的系統集成經驗和方法，我們將使S7315發揮出通訊能力強，控制精度高的特點，并在軟件與軟件之間；軟件與硬件之間；硬件與硬件之間的聯接、通訊、數據交換有可靠的保證，使系統運行安全、快捷、穩定、準確，遠程監控得心應手一目了然，更便于主管領導對生產狀態的了解和監控。強大的報表功能將記錄生產中的每個細節，便于您在產品質量的追溯中查找問題。
四、總結
這是一個用以太網和兩臺上位機通訊，一個315-2DP和多臺S7200通過PROFIBUS進行數據交換。主要采用PID算法對溫度通過加熱器和調節閥進行控制?？刂凭葹檎?.8度。控制精度遠遠超過了用戶正負2度的誤差。