基于組態(tài)王和PLC的乙烯生成遠程控制系統(tǒng)

郝 斌，呂玉祥，閆憲峰

(1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省機電設計研究院，山西 太原 030009)

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基于組態(tài)王和PLC的乙烯生成遠程控制系統(tǒng)

郝 斌1，2，呂玉祥1，閆憲峰2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省機電設計研究院，山西 太原 030009)

通過西門子PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際反應爐內(nèi)溫度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，同時利用組態(tài)王設計一個人機界面(HMI)，可顯示歷史溫度曲線，實時溫度曲線和理論溫度曲線。并利用Visual Basic軟件畫出理論溫度曲線，并能從組態(tài)王中提取數(shù)據(jù),最終把圖像傳回組態(tài)王中。通過串口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作方便。

組態(tài)王；PLC；Visual Basic

乙烯是世界上產(chǎn)量最大的化學產(chǎn)品之一，乙烯工業(yè)是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心，乙烯產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的75%以上。乙烯主要作用：農(nóng)業(yè)上用作果實催熟劑，工業(yè)上用于制造合成橡膠、合成樹脂、合成纖維、塑料以及制聚乙烯、聚氯乙烯、醋酸等。在乙醇脫水制乙烯的反應過程中，由于溫度的不同，生成的乙烯會產(chǎn)生不同的副產(chǎn)物，溫度控制極為重要。溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此，要求系統(tǒng)具有更為先進的控制技術和控制理論。所以，本文所論述的乙烯生成系統(tǒng)的過程控制是具有很大應用價值的。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 工藝流程

乙烯生成反應過程是乙醇在催化劑氧化鋁存在下高溫發(fā)生脫水反應，生成乙烯[1]。首先集氣瓶中加滿水，向系統(tǒng)通入氮氣吹掃后關閉閥門；接著將新鮮的乙醇原料加入蒸發(fā)器中，催化劑氧化鋁加入反應爐中，加熱反應爐，將導熱油溫控制在430 ℃±2.5 ℃；待反應爐溫度達到380 ℃后，維持此溫度20分鐘，以活化催化劑氧化鋁，打開蒸汽加熱器，通過冷卻循環(huán)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使蒸發(fā)器內(nèi)溫度控制在100 ℃±2.5 ℃，反應爐內(nèi)溫度控制在420 ℃±2.5 ℃[2]；當緩沖器中溴水褪色，即色敏傳感器報警，關閉緩沖器，打開進入冷凝器的開關，產(chǎn)物經(jīng)冷凝器冷凝后進入氣液分離器，最后開乙烯收集器出水閥，收集乙烯。

此系統(tǒng)自動化程度很高，每個反應容器都可單獨實現(xiàn)手動、自動的切換，配有急停裝置，為安全考慮，整個系統(tǒng)外放置乙烯檢測儀，防止乙烯泄露。

1.2 控制器功能

1) 反應爐可通過上位機、現(xiàn)場操作(手動操作)；

2) 接觸器、熱保護故障將報警；

3) 各種故障所帶來的停機，自動運行將終止，故障排除后，自動將順延運行；

4) 在上位機界面上顯示工藝流程圖，可實現(xiàn)手動、自動操作；

5) 顯示-具設置過程:圖樣顯示/文字說明、過程曲線圖、柱狀圖；

6) 實時監(jiān)看過程-可直接查看過程控制過程中的參數(shù)及曲線，提高過程可見度；

7) 警報模式-警報狀態(tài)產(chǎn)生時，LCD畫面將實時顯示紅色背光；

8) 數(shù)據(jù)收集功能-可記錄歷史數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)計各項數(shù)據(jù)；

9) 設定時間-使用編程軟件規(guī)劃所需控制流程。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構

乙烯的質(zhì)量受到溫度值的影響，這就對系統(tǒng)的控制提出了較高的要求。如果用人工控制的話，很難保證溫度的精準，而且因人不同會造成工藝指標執(zhí)行時的差異，而用PLC結(jié)合組態(tài)的綜合控制可以解決這些問題。根據(jù)上述情況，決定利用PLC和上位機實時監(jiān)控系統(tǒng)。

上位機上安裝上組態(tài)軟件，通過組態(tài)軟件在屏幕上顯示各種信號變化與下位機組成實時監(jiān)控系統(tǒng)。上位機與下位機，通過PPI進行通信。這種組合控制功能強大，可利用資源豐富，系統(tǒng)精細。硬件電路分為兩部分，一部分為PLC控制電路，一部分為現(xiàn)場手動控制電路。在遠程控制中PLC作為下位機，控制電機、加熱棒和變頻器的啟動和停止，發(fā)出報警信號，以及溫度的采集，并接收各器件的反饋信號。組態(tài)王作為現(xiàn)場人機界面，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示、參數(shù)設定、報警、手動控制電機、加熱棒和變頻器的起停等重要功能(如圖1)。

圖1 控制系統(tǒng)組成

3 監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括上位監(jiān)控軟件，下位PLC控制軟件和下位人機界面觸摸屏軟件等幾個方面。上位監(jiān)控主要采用“ KingView”組態(tài)軟件編寫，組態(tài)王提供一個完善的人機交互平臺，通過這個平臺既可以設置一些系統(tǒng)運行的參數(shù)，也可以觀測現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。下位機主要是PLC控制程序的編寫，實現(xiàn)系統(tǒng)要求，主要包括模擬量、開關量的輸入輸出，上位機與下位機的通訊，下位機與觸摸屏控制面板的通訊等[3]。

3.1 組態(tài)王設計

組態(tài)王由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器(TouchExplore)、畫面運行系統(tǒng)(Touchview)三大部分組成。

圖2為本設計的主界面，顯示整個系統(tǒng)的工藝流程，實時報警窗口，實時曲線，歷史曲線，目標曲線，報警界面。各個界面的按鈕始終存在，可以及時的按到急停按鈕。

報警畫面采用彈出式，有報警時彈出?？梢钥刂剖謩?、自動。這種彈出式畫面可以大大節(jié)省畫面空間，使畫面簡潔，使用方便。

圖2 系統(tǒng)運行主界面

變量設置如表1。

表1 數(shù)據(jù)詞典設置

3.2 目標趨勢圖的設計

3.2.1 畫目標趨勢圖的總體思路

本設計由上位監(jiān)控計算機的組態(tài)王6.53軟件從西門子S7-200PLC中接收數(shù)據(jù)，并對其進行實時監(jiān)控。組態(tài)王把接收到的數(shù)據(jù)利用DDE存入Excel中，Visual Basic6.0從Excel中提取數(shù)據(jù)畫出目標趨勢圖，再利用DDE傳送回組態(tài)王中(如圖3)。

圖3 目標趨勢圖生成流程

由于組態(tài)王軟件只能顯示實時曲線圖，當出現(xiàn)錯誤時不能及時發(fā)現(xiàn)，并進行調(diào)整，而且也不能明顯地看出實時曲線與理論曲線的差距。所以，利用Visual Basic設計一個目標曲線圖控件可以同時顯示理論曲線和實時曲線，使用戶便于觀察。

3.2.2 組態(tài)王與第三方軟件的互聯(lián)

組態(tài)王能與VB，VC，Excel，matlab等軟件進行DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換，能用OPC方式通信互聯(lián)，能與關系數(shù)據(jù)庫ACCESS連接。

DDE是WINDOWS平臺上的一個完整的通信協(xié)議，在客戶機和服務器程序間通過互相傳遞消息進行“對話”，它允許兩個或兩個以上的應用程序之間進行實時的數(shù)據(jù)交換。而且當數(shù)據(jù)更新時不需要用戶參與就可自動進行數(shù)據(jù)交換。更重要的是，要實施DDE協(xié)議，應用程序僅需要與操作系統(tǒng)接口，而應用程序之間無需接口，這種靈活的特性使DDE成為Windows應用程序普遍支持的一種接口協(xié)議。

1) 組態(tài)王通過DDE與Excel程序的實時數(shù)據(jù)交換。

Excel程序從組態(tài)王中獲得數(shù)據(jù)。首先在組態(tài)王中建立變量，并設置允許DDE訪問。創(chuàng)建Excel數(shù)據(jù)表格，輸入訪問組態(tài)王變量的連接語句。選擇“A1”單元格按如下格式輸入DDE連接語句“=VIEW|TAGNAME!PLC.V0”。

2) 組態(tài)王通過DDE與Visual Basic 程序的實時數(shù)據(jù)交換。

Visual Basic中的MSChart控件是一個功能強大的高級圖表工具，擁有豐富的圖表繪制功能，用它可以顯示二維和三維的棒圖、區(qū)域圖、線形圖、餅圖等多種常用圖表。

用MSChart繪制Excel圖表。添加MSChart控件拖動到窗體里，生成初始圖表，并調(diào)整其屬性，用“工程”菜單中的“引用”命令，將程序連接到“Mirosoft Excel 9.0 Object Library”(Excel對象庫)。

預期效果如圖4。

圖4 預期效果圖

4 結(jié)束語

PLC以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。PID閉環(huán)控制算法在控制系統(tǒng)中有良好的效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡單易用的特點，在HMI設計中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。 在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎上，設計出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達到了快、準、穩(wěn)的效果，也達到了預期的目標。再加上由組態(tài)王設計的人機界面，整個系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。

[1] 顧志華.乙醇制乙烯技術現(xiàn)狀及展望[J].化工進展，2006，25(8):847-851.

[2] 黎穎，陳曉春，孫巍，等.γ-Al2O3催化劑上乙醇脫水制乙烯的實驗研究[J].北京化工大學學報(自然科學版),2007,34(5)：3-6.

[3] 北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王6.5產(chǎn)品介紹[Z].2007.

Ethylene Production Remote Control System Based on Kingview and PLC

Hao Bin1,2,Lv Yuxiang1,Yan Xianfeng2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiDesignandResearchInstituteofMechanicalandElectricalEngineering,TaiyuanShanxi030009,China)

By the Siemens PLC controllers,temperature sensors convert the detected actual reactor temperature into electrical signals.The module is input through the analog and converted into the digital signal,and then sent to the PLC to make PID regulating.The output of PID controller is converted into duty cycle,while taking the advantage of Kingview designs a human-machine interface (HMI).It can show the historical temperature curve,real-time temperature curve and the theoretical temperature curve.The Visual Basic software is used to draw the theoretical temperature curve and extract data from the Kingview,finally the image returns to Kingview.The serial port with programmable controller communication is used to have a comprehensive monitoring for the control system so as to make an ease operation for user.

Kingview; PLC; Visual Basic

2016-07-15

郝 斌(1989-)，女，山西太原人，助理工程師，主要研究方向：自動化技術。

1674-4578(2016)05-0076-03

TP 311.5

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