基于PLC和組態(tài)軟件的丙烯腈裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 博

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于PLC和組態(tài)軟件的丙烯腈裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 博

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

以西門子公司的PLC為硬件平臺(tái)，編寫(xiě)梯形圖實(shí)現(xiàn)邏輯控制和PID控制；選擇WinCC組態(tài)軟件為上位機(jī)完成人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)基于PLC和軟件組態(tài)的丙烯腈裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，達(dá)到對(duì)丙烯腈裝置相對(duì)應(yīng)的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制的目的。

丙烯腈裝置 WinCC PLC 監(jiān)控

早在1893年就用丙烯酰胺脫水制造丙烯腈的方法，但此生產(chǎn)方法原料來(lái)源非常困難。1930年采用由環(huán)氧乙烷和氫氰酸合成丙烯腈的方法，隨后又發(fā)明了由乙炔和氫氰酸合成丙烯腈的生產(chǎn)方法，這些方法因受各種條件的限制，生產(chǎn)規(guī)模均較小。1959年發(fā)明了丙烯、氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈，使丙烯腈生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展取得了重大突破，由于這一方法的原料價(jià)廉易得，工藝流程較為簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量較好，所以此法很快就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[1]。到了20世紀(jì)70年代，世界各國(guó)丙烯腈的生產(chǎn)幾乎都采用這種方法。

筆者研究的是將組態(tài)技術(shù)[2，3]和PLC技術(shù)[4]應(yīng)用到丙烯腈裝置中，針對(duì)丙烯腈裝置的反應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、精制系統(tǒng)和四效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的控制。下位機(jī)采用德國(guó)西門子公司的S7-200 PLC，以梯形圖的形式編寫(xiě)程序；下位程序采用WinCC編寫(xiě)相關(guān)的上位控制程序，從而實(shí)現(xiàn)下位程序的控制、上位程序的監(jiān)測(cè)及參數(shù)的設(shè)定等，以使相關(guān)用戶更加方便、快捷地操控整個(gè)系統(tǒng)[5,6]。

1 控制方案設(shè)計(jì)

結(jié)合裝置的控制思想，構(gòu)建如圖1所示的控制方案結(jié)構(gòu)框圖。其中針對(duì)溫度、壓力、流量及液位等模擬量通過(guò)AI模塊進(jìn)入PLC，對(duì)應(yīng)連續(xù)變量通過(guò)AO模塊輸出控制對(duì)應(yīng)的變頻器、循環(huán)泵等連續(xù)動(dòng)作的設(shè)備；泵的啟停、閥的開(kāi)合狀態(tài)等通過(guò)DI模塊采集進(jìn)入，對(duì)應(yīng)安全聯(lián)鎖保護(hù)等開(kāi)關(guān)量輸出設(shè)備通過(guò)DO模塊輸出。

圖1 控制方案結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)控制器采用CPU226，該CPU本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的S7-200 CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過(guò)擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)模控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。模擬量輸入、輸出模塊分別采用擴(kuò)展的EM235和EM232。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括下位PLC的梯形圖設(shè)計(jì)和上位組態(tài)軟件WinCC人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中分清邏輯和模擬量的動(dòng)作方式，既要充分發(fā)揮下位機(jī)PLC穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，又要兼顧上位組態(tài)軟件監(jiān)控靈活的優(yōu)勢(shì)。

3.1 下位機(jī)程序

在下位PLC梯形圖設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其核心內(nèi)容是對(duì)模擬量的PID控制，監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)值在正常的控制范圍之內(nèi)應(yīng)用正常的控制通道，下位程序控制流程如圖3所示。當(dāng)被測(cè)參數(shù)超過(guò)某個(gè)設(shè)置值(高限值和低限值)時(shí)，直接執(zhí)行如圖4所示的報(bào)警程序。該報(bào)警程序中通過(guò)黃燈閃爍的頻率確定不同的故障，對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員而言，通過(guò)感官的判斷就能直接確定報(bào)警信息類型。

圖3 下位程序控制流程

圖4 下位程序超限報(bào)警示意圖

3.2 上位機(jī)程序

系統(tǒng)上位機(jī)程序重點(diǎn)對(duì)下位機(jī)的待測(cè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，匯總報(bào)警信息，以可視化界面的方式對(duì)下位機(jī)特定參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。因此，上位機(jī)程序人機(jī)界面(HMI)以其過(guò)程可視化、操作員對(duì)操作過(guò)程方便控制等顯著特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)中丙烯腈裝置上位機(jī)控制系統(tǒng)的主控制界面如圖5所示，重點(diǎn)關(guān)注溫度、壓力、流量及液位等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息及相關(guān)報(bào)表的打印、存儲(chǔ)等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體監(jiān)控。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)綜合調(diào)試共分為兩個(gè)階段，分別是模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。模擬調(diào)試時(shí)根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，模擬實(shí)際環(huán)境調(diào)試各參數(shù)和控制程序的運(yùn)行狀態(tài)；而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試就是在模擬調(diào)試完全正常的條件下進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝置在線運(yùn)行。

根據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)方式的不同，調(diào)試過(guò)程中又可以分為硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式：

a. 硬件模擬法是根據(jù)硬件在實(shí)際工況中產(chǎn)生信號(hào)幅值的大小，將硬件產(chǎn)生的信號(hào)以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)；

b. 軟件模擬法是在PLC單獨(dú)編寫(xiě)一套符合現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的模擬程序，與當(dāng)前程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該方法可操作性較強(qiáng)、易于操作等特點(diǎn)，但時(shí)效性不易保證。

圖5 系統(tǒng)主控制界面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析丙烯腈裝置的技術(shù)現(xiàn)狀和特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了一種基于上位組態(tài)軟件和下位PLC的丙烯腈集成控制系統(tǒng)。下位程序中主要實(shí)現(xiàn)模擬量和邏輯變量的控制，上位程序完成對(duì)下位程序相關(guān)參數(shù)和通過(guò)可視化方式對(duì)各參數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行有效監(jiān)控。通過(guò)綜合調(diào)試驗(yàn)證，該方法針對(duì)丙烯腈裝置的控制方式是可行有效的。

[1] 田原，郭中陽(yáng)，陸書(shū)來(lái).丙烯腈生產(chǎn)、市場(chǎng)與技術(shù)進(jìn)展[J].化工科技，2012，20(6)：63～68.

[2] 王永恩，常濤，劉軼，等.OPC技術(shù)在WINCC與組態(tài)王通訊中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33(5)：90～93.

[3] 許磊，于海生，劉華波，等.基于WinCC及S7-200PLC的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008，(2)：117～119，122.

[4] 陳玲. PLC控制在電石爐電極升降控制中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42(12)：1378～1380，1390.

[5] 趙乃卓，楊凱淋，關(guān)南楠，等.組態(tài)軟件在油田注水站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，35(5)：529～532.

[6] 代顯智，郭慶勝.一種用于油田注水泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003，19(7)：40～41.

DesignofControlSystemforAcrylonitrileDeviceBasedonPLCandConfigurationSoftware

SUN Bo

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

Taking Simens PLC as hardware platform to compile ladder diagram so as to complete logic control and PID control was implemented. Through selecting WinCC configuration software for the HMI design, both PLC and software configuration-based control system was designed for the acrylonitrile device. Practical application shows that, this system can complete auto-monitoring and control of the process parameter as required.

acrylonitrile device, WinCC, PLC, monitoring

TH862+.6

B

1000-3932(2017)01-0076-03

聲明

孫博(1993-)，本科生，從事自動(dòng)化、工業(yè)儀表方向的研究，1784824522@qq.com。

2016-05-31，

2016-06-15)

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