张伟++李玉章
摘 要：随着我国工业自动化水平的提高，过程工业自动化的应用越来越广泛。论文以新华制药MAA水解反应系统为背景，阐述了西门子S7-400在系统中的应用，详细叙述了西门子S7-400软件的特点、及其在系统中的设计与实现，该系统已在淄博新华制药安乃近厂房顺利投产且稳定运行。
关键词：西门子S7-400；过程工业自动化；MAA水解反应系统
1 项目简介
随着国家对工业自动化需求的提高，精细化工中很多岗位仍然继续采用传统的人工操作方式，这就不能满足我国工业自动化的发展要求，本项目为精细化工过程中甲酸甲酯产品的生产过程，此过程称为MAA水解反应过程，主要包括如下七个阶段：进浓硫酸过程、进甲化液过程、进浓甲醇过程、升温过程、蒸甲酯过程、蒸甲醇过程、蒸水过程。进料过程要求定量进料，蒸甲酯、蒸甲醇、蒸水过程要求将温度控制在指定温度范围内。传统的操作方式为人工通过开关手动阀门打料，人工通过调节手动阀门的开度大小来控制温度，本系统通过改造之后，实现了系统自动打料、自动控温的功能。
2 项目工艺介绍
该项目工艺如图1所示，MAA水解反应中所需三种物料：浓硫酸、浓甲醇、甲化液，浓硫酸、浓甲醇来源于本车间内的浓硫酸储罐和浓甲醇储罐，甲化液来源于另外车间，通过控制电动开关阀来实现系统自动打料，进料之前排气阀打开，三种物料全部进入到MAA水解反应罐a中之后，排气阀关闭，蒸汽调节阀开到100%，对罐体进行加热升温，打开稀甲酯进料阀a，打开稀甲酯进料阀b，打开盐水阀。当反应罐a罐内温度达到55℃时，升温阶段结束，开始进入到蒸甲酯阶段。系统采用PID算法调节温度，通过调节蒸汽调节阀将反应罐a的内温控制在108℃左右（偏差不超过2℃），通过调节冷水调节阀将冷凝器温度（顶温）控制在60℃左右（偏差不超过2℃）。内温的控制是为了保证水解反应可以充分进行的情况下，最大可能地节约所需能源，顶温的控制是为了生产所需产品，顶温的控制是核心，因为它保证了所冷凝出来的物料是否为目标物料。蒸甲酯过程持续7小时候后，系统弹框提示是否进入到下一阶段，点击确定之后（不点击确定，系统继续处在蒸甲酯阶段），系统自动进入到蒸甲醇阶段，关闭稀甲酯进料阀a，关闭稀甲酯进料阀b，打开稀甲醇进料阀，此时，内温控制在115℃左右，顶温控制在92℃左右。蒸甲醇过程持续4小时候后，系统弹框提示是否进入到下一阶段，点击确定之后（不点击确定，系统继续处在蒸甲醇阶段），系统自动进入到蒸水阶段，此时，内温控制在118℃左右，顶温控制在98℃左右，此反应阶段持续1小时后，反应结束，同时自动打开排气阀。
3 项目硬件需求
本项目采用西门子S7-400PLC对系统进行信息采集和设备控制，本设备需要控制较多的气动阀门，既有开关阀门也有调节阀门。需要读取较多的模拟量，包括流量计、温度计、压力计等。另外，为提高系统运行对生产安全的可靠性，本系统要求对异常信号给出报警。系统需要设备数目及作用如表1所示。
4 控制系统构成及实现
项目的结构如图2所示，CPU通过DP口分别与三个分站进行信息交换，通过MPI＼DP口与IND 560进行信息交换，通过CP443-1连接到交换机上，工程师站和操作员站通过各自电脑的1网端连接到交换机上，实现两个工作站的上位机同时和下位机进行信息交流。工程师站和操作员站通过2网端相互连接，实现两个工作站之间的信息转递。
工程项目中S7-400的硬件配置图如图3所示：
5 西门子S7-400的过程功能控制在系统中的设计与实现
5.1 本系统对过程控制的需求
在本工程控制系统中，系统对工艺要求较高，在控制过程中，涉及到控制阀门较多，而且中间涉及到调节阀开度的设定，对于阀门开启关断时间均有较高的自动控制，并且此工艺的生产过程必须严格按照顺序一步一步执行，本项目为精细化工过程中甲酸甲酯产品的生产过程，此过程称为MAA水解反应过程，主要包括如下七个阶段：进浓硫酸过程、进甲化液过程、进浓甲醇过程、升温过程、蒸甲酯过程、蒸甲醇过程、蒸水过程。这七个过程有着严格的先后顺序，不能打乱。西门子S7-400软件中的顺序功能控制（SFC功能块）正好可以实现这个顺序控制功能。
5.2 西门子S7-400中过程制功能块SFC介绍
SFC工作原理
（1）可以在SFC编辑器内使用图形工具创建顺序控制系统。根据固定规则将SFC的元素放入顺控程序中。无需关注诸如算法或者设备资源分配等详细信息，只需注意组态的技术方面。
（2）在创建了包括一系列步和转移的顺控程序后，继续组态SFC、顺控程序、步和转移的对象属性，并在其中定义相应属性。组态下列各项：
SFC的工作参数；
顺控程序的启动条件；
步的动作；
转移的步使能条件。
（3）当完成此组态后，用SFC编译可执行机器代码，然后将其下载到AS中，并使用SFC测试功能进行测试。
SFC图表：
如果从未使用过SFC编辑器，则最好先从SFC图表开始。为此，需要了解下列各个主题：
创建、组态、编译和下载顺序控制系统；
顺序控制系统在AS中如何工作；
如何在测试模式下，在顺序控制系统中使用各种命令（如：启动和中止）。
SFC类型和SFC实例：
一旦了解了如何使用SFC图表实现顺序控制系统，即可开始使用SFC类型和SFC实例。然后可以确定两种顺序控制系统中的哪一种更适合于特定任务。
SFC类型和SFC实例引入了使用顺序控制系统的新方式。使用SFC图表时，可以直接开始工作，因为SFC图表可以立即生成并随后进行编译、下载和测试。
使用SFC类型，为了顺序控制系统可以多次被使用，可以以模板的形式创建与特定应用无关的顺序控制系统。
随后，创建SFC实例，使其适用于特定应用场合，并且与基本自动化块互连。
为了将SFC实例和基本自动化相连，必须提供用于SFC类型的标准接口。可以扩展此接口以包括新的输入/输出，或者从工艺角度将所需的输入/输出创建为SFC类型的特征参数。
随后，编译程序，将其下载到AS并测试SFC实例。这也将间接测试SFC类型。
5.3 西门子S7-400中过程控制功能块SFC在本系统中的设计与实现
首先，系统SFC功能块打到自动状态下，检测到自动信号之后，系统进入到冷态开车阶段：关闭排气阀、关闭浓硫酸进料阀、关闭甲化液进料阀、关闭浓甲醇进料阀、关闭稀甲酯进料阀a，b、关闭稀甲醇进料阀。系统检测到所有阀门关到位信号后，进入到数据录入阶段，工作人员输入本次生产的批号、甲化液的量、浓硫酸的配比、浓甲醇的配比，点击确定后，系统进入到数据确认阶段，浓硫酸的量和浓甲醇的量是系统通过甲化液的量和浓硫酸、浓甲醇的配比计算得来的，浓硫酸的量=甲化液的量*75%/98%，浓甲醇的量=甲化液*35%/95%工作人员确定进料量后，系统进入到进硫酸阶段，达到设定量后，系统自动关闭浓硫酸阀。
然后系统进入到进甲化液阶段，达到设定量后，系统自动关闭甲化液阀。然后系统进入到进浓甲醇阶段，达到设定量后，系统自动关闭浓甲醇阀。然后系统进入到升温阶段，蒸汽阀全部打开对罐体进行升温，到达理想温度后，进入到蒸甲酯阶段，此时系统自动投切PID，打开稀甲酯进料阀a，b，把顶温和内温控制在设定温度下，7小时之后，进入到蒸甲醇阶段关闭稀甲酯进料阀a，b，打开稀甲醇进料阀。3小时之后，进入到蒸水阶段，蒸水1小时后，整个流程结束。
6 项目运行、应用体会
该系统在淄博新华制药顺利投产，运行情况稳定且良好，能够较好地实现产品的生产，工人反映控制系统使用方便。
在项目实际调试过程中，SIEMENS产品的使用具有灵活性、开放性，遇到问题能很快地在网上得到答案。在软冗余的实现过程中，可通过对资料的搜集简单学习，对软冗余的原理等有较好的理解，并且无论在硬件配置还是软件编程方面，均比较容易理解，架构清晰。通过简单链接就能够顺利摸清各个功能块的具体用途并顺利使用。通过与其他产品的PLC使用情况相比，SIEMENS的PLC可以完整地实现逻辑功能，模拟量输入数据处理和输出数据控制均非常准确，尤其是SM331-7KF02的强大信号功能，为系统调试提供了多方式的信号类型，提到的功能均可实现，保证了项目的按时完成。
在这里要特别感谢西门子电话客服工作人员的热心帮助和相关人士提供的资料，为项目的完成提供了非常大的技术支持。
参考文献
[1]西门子公司内部刊物.Siemens PLC系统软件的说明与实现[EB/OL].http：//www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx？ID=1251
&loginID=&srno=&sendtime=，2008.
[2]西门子公司内部刊物.S7-300&400功能手册[EB/OL].http：//support.automation.siemens.com/CN/llisapi.dll？func=cslib.csinfo&lang=zh&objid=1137637&caller=view，2010.
作者简介：张伟，重庆，青岛科技大学副教授，博士，硕士生导师。
李玉章，山东德州，青岛科技大学，硕士。
