引言
蘭州石化公司化肥廠大化肥裝置1997年建成投產，大多數設備為進口設備?？辗盅b置采用德國林德公司工藝技術和設備，主要為合成氨裝置提供合格的氧氣和氮氣。膨脹機是空分裝置的重要設備之一，在生產中是不可缺少的。其主要作用是將來自氮壓機二段的氮氣經增壓機加壓，經增壓機后冷卻器冷卻后進入循環換熱器。在循環換熱器中被冷卻到后抽出，然后經過膨脹機前過濾器，快關閥以及膨脹機噴嘴，最后推動膨脹機葉輪旋轉對外做功，氣體溫度、壓力降低，同時有少量被液化，經分離器分離后，液體部分送到低壓塔做為少量回流液。氣相部分則進入換熱器復熱，最后進入中壓氮總管。兩臺膨脹機是德國ATLAS COPCO公司生產的離心式壓縮機，兩臺互為備用，一臺使用另一臺后備。其控制系統由德國西門子（SIEMENS）公司SIMATIC S5 PLC和4臺HB控制器等組成，完成了膨脹機監測、控制、邏輯和安全保護等功能。隨著使用時間增長，控制系統故障頻率也增多，不僅嚴重影響了正常生產，而且造成了經濟、能源浪費和企業效益損失。
1控制系統現狀分析
S5系列 PLC是德國西門子公司八十年代推出的小型可編程序控制器，采用結構緊湊的模塊化設計，性能可靠。隨著使用時間的增長，控制系統各類故障不斷出現。軟硬故障都出現過，故障產生的原因和部位也較為多樣。2001年，我廠設備大檢修膨脹機控制系統下電，待上電后，電源、CPU模塊、I/O等模塊各指示燈正常，輸入信號正常但指示不正確，經檢查后認為程序出錯，取出EPROM，清空RAM中的程序，將EPROM卡插入PLC中，將EPROM卡上的程序拷回PLC，故障消除；曾經出現通訊故障和人機界面MP30-A黑屏現象，西門子公司兩次來人處理。至于其它PLC硬件故障較為直觀發現，更換模塊解決問題。2004年檢修后上電，人機界面MP-30黑屏，通過判斷人機界面出現問題。尋找該型號產品，此產品已停止生產，無法用其它產品代替，兩臺膨脹機只好用一臺人機界面進行監測和控制。
由于設備出現故障頻率增多，維修有一定困難且維修費用也較高，同時要求維修人員具有較高的專業技術，并且有一定的外語和計算機功底，只有對整個系統了解和熟悉后才能對常見的故障做到判斷迅速、排除迅速，并盡可能地降低維修費用，確保系統的正常穩定。另一方面由于產品的不斷更新換代，該產品已經停產，配件早已不生產，備件已無法供應,出現問題很難解決。所以對膨脹機控制系統升級改造十分必要。
2 改造方案的確定和實施
針對系統的現狀和存在的問題，經過認真分析研究，確定對膨脹機控制系統進行改造。這次改造仍采用西門子高性能成熟的SIMATIC S7-400H（簡稱S7-400H）產品來替代原有的S5-115U進行對膨脹機控制系統進行改造。將原來用于膨脹機噴嘴調節和防喘振調節的四臺HB控制器去掉，改到S7-400H系統中實現，其它功能和操作方式基本不變?，F場儀表和操作盤不做任何改動。用兩臺MP370人機界面代替原MP30-A人機界面。同時增加一臺PLC工程師，用于維護和臨時修改程序。S7-400H PLC系統采用西門子提供的STEP 7 v5.3 SP3編程軟件對其進行編程組態。人機界面MP370采用西門子公司的SIMATIC WinCC6.0 SP3組態軟件進行編程組態。
2.1硬件部分
根據可靠性和性能以及I/O點數要求，膨脹機控制系統配置冗余S7-414H一套、MP370人機界面兩套、 PLC系統由S7414-2DP的CPU 帶2個遠程I/O站組成。 同時增加一臺PLC工程師，用于維護和臨時修改程序。
膨脹機控制系統S7-400H機柜由西門子公司集成，機柜安裝在原膨脹機控制柜位置。將原來的信號電纜接在改造后的I/O卡件上。安裝好機柜、硬件、接地和通訊電纜等，檢查合格后上電。
2.2軟件部分
對改造后的S7-400H PLC控制系統進行編程組態，組態包括控制功能和顯示功能兩部分。
2.2.1控制功能部分
S7-400H PLC系統采用STEP 7 v5.3 SP3編程軟件對其控制和邏輯等功能進行編程組態。該控制系統具有原控制系統以下功能：
膨脹機的開停和控制：就地/控制室盤選擇開關，選擇在控制室還是在就地啟動/停止膨脹機。調整膨脹機膨脹量，控制好入塔空氣溫度，氧氣取出量，加工空氣量和壓力。通過膨脹量來控制主冷液位的高低，轉速、噴嘴、防喘振閥控制。膨脹機出入口氣體溫度、內外軸承溫度、油過濾器后的油溫正常、出入口氣體壓力、潤滑油進軸承油溫、密封氣壓力、膨脹機軸振動、導流器與膨脹機出口壓力差、檢查油箱油液位以及油泵運行情況等監測指示功能。
聯鎖保護功能：系統出現保護性故障時，具有報警、停機功能，軸瓦溫度、軸振動軸位移、油系統、密封氣系統、出入口氣體溫度、壓力以及轉速出現故障等原因報警跳車時，系統會發出報警，并記錄報警信息。
輔助系統控制：包括輔助油泵啟?？刂疲碗娂訜崞鞯目刂?。
此外，S7-400H PLC增加了S5 PLC無法實現的功能，而這些功能原來由HB控制器實現：
a 噴嘴控制功能
在程序中組態噴嘴調節器[注：HC3402（或HC3452）原來是HB調解器]，完成噴嘴控制功能，組態控制選擇方式，手動/自動轉換，快開/快關按鈕等功能。 開車時對噴嘴開度進行調節。
b防喘振閥控制功能
在程序中組態防喘振調節器[注：HC3405（或HC3455）原來是HB調解器]，該控制器具有：當機組運行時，系統的全手動功能將自動被屏蔽。當機組有運行信號時，系統將自動切換到全自動狀態。當機組有信號停止時，系統將自動切換到手動狀態，并且輸出100%。當進行緊急放空操作時，系統將自動切換到手動狀態，并且輸出100%，同時使得電磁閥失電。此功能僅限于機組極其不穩定的時候才可以應用。當機組處于安全狀態時，可以將全自動切換到半自動狀態進行人工操作，但當系統進入危險區時半自動將自動被全自動代替。通過調節防喘振調節器來控制膨脹機轉速。
2.2.2顯示功能部分
改造后人機界面MP370用SIMATIC WinCC6.0 SP3組態軟件進行編程組態，該系統運行平穩，功能強大，操作簡單。WinCC軟件功能更加強大，作為一種全面開放的監控軟件，不僅提供數據開放功能，而且集成的Sybase anywhere數據庫存儲過程動態數據，為以后管理機訪問數據庫打下基礎，同時支持DDE、OLE、OCX、ActiveX、OPC和ODBC等功能 組態非常方便。
WinCC組態軟件定義MP370操作面板畫面全局功能鍵和局部功能鍵。全局功能鍵始終觸發同樣的操作，而不管當前顯示何種畫面，回到所需的畫面；局部功能鍵可以在每個畫面中觸發不同的操作。WinCC組態了MP370流程圖和操作畫面，畫面包括：主畫面，A透平畫面， B透平畫面，啟動條件畫面，啟動準備畫面，工藝過程值畫面，防喘振控制畫面，噴嘴調節畫面，回溫畫面，停車信息畫面，報警信息畫面，軸溫畫面，油路及密封氣畫面，A/B氣路畫面，A/B 油路畫面，A/B過程值畫面，A/B聯鎖設定點畫面，A/B防喘振曲線畫面，回溫啟停操作和啟動過程值畫面等。
PLC工程師站通過工業以太網與S7-400H PLC通訊,連續不斷的從生產過程中獲得大量的信息，并及時為工藝操作人員顯示設備狀態，提供彩色畫面詳圖、棒圖、曲線圖、報警表、以及動態流程圖，因此操作人員可以通過上述畫面檢查各種信號的詳細情況，修改設定值、改變操作方式，從而起到指導實時操作和控制的作用。
2.3聯機調試
當完成硬件安裝，控制柜接線和軟件編程組態工作后，對系統功能進行調試，檢查控制功能和邏輯，聯鎖保護等功能是否和原來一樣。調試合格后，做好系統程序和用戶程序備份，交付生產使用。
3 改造后控制系統的優點
3.1 SIMATIC S7-400H的特點
SIMATIC S7-400H除了具有S5系統的全部優點外，還具有以下優點：采用了新的系統和軟件，CPU按級別分類均向上兼容，封閉結構的模板設計，提高在惡劣環境下運行的適應能力。方便的信號模板接口，模板結構緊湊，元件高度集中。最優的通訊和網絡接口，良好的用戶界面?？勺杂蛇x擇模板的插槽?？梢圆皇褂美鋮s風扇，非分段機架中的多重計算。模板安裝非常簡便，背板總線集成在機架內，方便、機械式的模板更換經過現場考驗的連接系統，TOP連接，規定的安裝深度和沒有槽位規則。如果用戶需要比中央控制器更多的功能，S7-400可以擴展。高速指令處理，用戶友好的參數設置，用戶友好的操作員控制和監視功能（HMI），CPU的終端功能和自測試智能診斷系統連續地監視系統功能并記錄錯誤和系統的特殊事件。
3.2改造前后控制系統比較：
改造前S5-115U結構配置簡圖如圖1所示
