【论文摘要】本文介绍了利用SIEMENS公司的PCS 7 V5.2 DCS系统设计并实现了一个复杂的玻璃在线镀膜过程控制和监控系统。阐述了系统的工艺流程、硬件配置、控制方案设计、软件实现及特点。
1 前言
在线镀膜是我国在生产玻璃系统中的一种新工艺，能否保证长期连续、稳定达到系统在镀膜生产中原料的可靠供应，保证整个玻璃的安全生产、提高生产效率和延长设备的使用寿命起着重要的作用。新的在线镀膜工艺在节省能源，节省硬件设备和提高产品性能上有了一个新的创新，可以生产市场上需要的各种性能优越的玻璃产品。原有的工艺是在玻璃完全成型以后，再对玻璃加温，加上化学制剂，然后在进行镀膜。采用该系统在玻璃在线生产过程中在锡槽运行中即可完成镀膜工艺。我们承担该厂镀膜计算机监控系统的程控改造项目，现已完成并成功实施，对我国在玻璃新工艺过程的控制系统设计和实施有重要的指导意义。
2 工艺流程和设备简介
在线镀膜主要工艺过程如附图所示。镀膜分上、下两层，所生产的玻璃品种有两大类，SUN-E 和LOW-E,每类品种又有几种中不同规格的玻璃品种，如3MM,5MM等，不同品种玻璃应用在我国不同城市和不同应用场合。该系统分成六大部分：油加热系统、吹扫系统、加药系统、镀膜系统、废气回收和处理系统。本文主要论述油加热系统，吹扫系统和加药系统以及排废系统。油加热系统采用电加热方式，通过温度控制器控制热油温度，然后循环电动泵根据不同时期工艺要求送到相应的加热器中。吹扫系统，当镀膜之前和镀膜完成之后，将N2通过E242和E141预热器预热后分别对M200和M100下镀膜机和上镀膜机进行残渣吹扫。加药系统是指分别给上镀膜机和下镀膜机添加不同的原料。上镀膜机的加药过程如下所述：
首先将空气通过E150预热,水和空气混合通过E120预热，N2和TFA分别通过E140和E130预热之后再将原料ICD1137混合通过E100蒸发器蒸发成混合气体原料与E120和E150所产生的气体混合物一起通过管道送到上镀膜器M100，上镀膜系统加药完成。下镀膜加药系统过程如下：将空气通过E250加热器加热，空气和水通过E220蒸发起蒸发，N2通过E240预热器预热之后再与原料ICD1137和原料ICD1136的混合物通过E230预热器预热之后所生成的混合物混合，通过E200蒸发器蒸发之后与E220和E250所产生的相应物质一起通过管路送到下镀膜器的右半部分。同时，将N2与TEP混合通过E210蒸发器蒸发之后也加到下镀膜器的右半部分。将空气通过E251加热器加热，空气和水混合通过E221蒸发器蒸发，将原料ICD1137和原料ICD1136混合通过E231加热器加热之后与N2 通过E241预热器预热之后混合在一起通过E201 蒸发器蒸发，将N2和TEOS以及TEP的混合物通过E211 蒸发器蒸发，然后将以上四种物质混合在一起，通过管道送到M200下镀膜器的左半部分。整个加药系统全部完成。排废系统是指将上、下镀膜器产生的有害气体通过管道回收，然后进行处理，本文不做重点叙述。
3 控制系统的硬件组成
由AS站和OS站构成两级集散控制系统（PCS 7），如图2所示。PCS 7现场的数据采集、予处理、过程控制及向上位机传送数据等任务由AS站完成，OS站负责全系统的控制、管理和信息综合。
3.1 AS站硬件配置
从工艺要求、I/O点数、扫描速度、自诊断功能等方面考虑，AS站选用性能及可靠性都很高的SIEMENS公司的CPU 414-4H，并采用双机冗余的形式组成热备系统，当工作中的主处理器发生故障、掉电中断或改变运行方式时，能自动瞬时将控制权切换到备用处理器，增加了系统的可靠性。每个AS站机箱内的电源模板（P/S）选用6ES7 407-0KR00型，CPU模板选用SIMATIC CPU 414-4H，CPU同步模板选用6ES7 960-1AA00-0XA0，存储器模板（8M MEM）选用6ES7 952-1KP00-0AA0，同步模板采用光纤电缆进行连接，另外选用两块标准以太网通讯模块CP443-1，DP从站接口模块IM153-2,模拟量输入模块6ES7 331- 7KF01-0AB0,模拟量输出模块6ES7 332-5HD01-0AB0,数字量输入模块6ES7 321-1FF01-0AA0,数字量输出模块6ES7 322-7HB00-0AB0.
系统的实际点数：开关量输入点有137个,开关量输出点有64个,模拟量输入点有91个,模拟量输出点有40个，共计332个点,因此又扩展了9个ET200M分布式I/O站，通过IM152-2冗余接口模块，分别与AS站上的DP口相连接，并构成冗余的PROfiBus主从网络。
3.2 OS站硬件配置
按集中管理、集中显示、分散控制的思想，系统设有1个工程师和1个操作员监控站，选用西门子工控机PC RI45 Intel PIII、主频700Hz、内存512M，加三星 22"彩色显示器，工程师站和操作员站通过标准以太网连接。OS站和AS站通过电器转换模块（ESM），ESM模块选用西门子ITP80 6Gk1 105-3AA00,有8个ITP插口，10/100Mbps的电气交换机，冗余的24V电源，通过工业以太网卡CP443-1构成冗余的网络连接。
4 控制方案的设计
4.1下位机程序控制设计
将控制系统分为两大的功能块:镀膜系统、加药系统。镀膜系统由两套S7-300 CPU系统控制，本文不做重点讨论。下面重点讨论加药系统的控制过程：
（1） 所有的原料给定量通过调节阀控制，加上差压流量计进行流量计量。当下镀膜器准备工作做好之后，由S7 300CPU发出准备好信号，然后打开吹扫阀，同时将四通阀转换到M100 吹扫位置，首先将镀膜器进行吹扫。吹扫持续大约2分钟后，关闭吹扫阀，打开相应原料控制阀，将相应原料供给不同的镀膜器。
4.2上位机OS监控程序设计
上位机对所有采集到的模拟量实时显示并存储, 开关量进行状态追忆。对重要参数指标如原料ICD 1136,ICD1137等对人体有害物质的泄漏进行在线分析、监测和报警。监控画面上设有“自动”、“半自动”及“软手操”三个按钮并可进行相互切换。“自动”状态时，只能监测不能对设备进行操作；“半自动”时，可按半自动步序操作。“软手操”时，可独立对阀门进行操作。同时可以断开PLC与设备的电气连接，进行就地操作，使系统更安全。某些重要操作设密码保护（如设置和修改某一操作过程的延时时间等）。为便于生产维护和安全，用不同的颜色区分设备不同的开关状态，设置泵、风机等重要设备的集中监视画面。PCS 7 OS站提供了很多标准的操作员面板，如标准PID调节面板，阀、泵等，应用时非常方便，设计WinCC监控画面时，只需拖出相应面板，连上对应变量，就可完成画面组态。
5 软件实现
SIEMENS公司的WinCC工控组态软件，功能齐全，具有很强的过程监视、控制和信息管理功能。本系统上位机监控程序采用WinCC编制，开发了丰富的、汉化的工艺流程画面及操作图表，有下列特点：1）兼有监视系统总貌、分部流程等操作画面，参数设定与调整灵活、人机界面友好。2）设备的自动、半自动、软手操可切换，操作简单，减轻操作工的劳动强度。3）重要参数的历史趋势和实时曲线显示，实时报表打印及报警处理功能。
下位机程序用西门子PCS 7 V5.2版，在Windows Nt 4.0 SP6，采用CFC连续功能图和SFC顺序功能图两种编程设计方法。CFC编程方法简单、易用，PCS 7提供了很多标准的功能块，如模拟量和数字量输入信号的采集，模拟量和数字量输出信号控制以及阀和泵的控制，只需从CFC编程标准库中拖到CFC编程表页，连上相应变量的管脚上，设置相应的属性即可。SFC编程采用顺序图表的形式，从开始-条件-步-结束总体思路，可自由编程，同时与CFC任何管脚进行连接也比较容易。SFC的执行可手动一步一步往下执行，也可自动顺序从开始运行到最。
6 结束语
秦皇岛耀华玻璃厂PCS 7玻璃镀膜计算机控制系统于2003年7月初投运成功，8月初验收合格后正式投入使用，完全达到预期的控制目标，目前运行情况良好。是同类化水处理系统中最复杂且具代表性的一个过程控制典型系统。该系统是将集散控制系统（DCS）与可编程控制器（PLC）融合为一体的、过程控制与管理相结合的新型综合集散控制系统。改造前完全靠人工操作，劳动强度大，生产效率低，能耗高。投运后更新了传统的操作方式，大大提高了生产效率，降低了故障率，并取得了良好的经济效益和社会效益，属国内领先水平。在同类控制系统中推广应用前景很好。
参考文献
[1] SIEMENS SIMATIC PCS 7 User manual
[2] S7 417H 冗余用户手册
[3] SIEMENS Simatic WinCC V5.02 组态手册
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