基于Simatic S7-200smart PLC的小型分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 震，許 磊，郝利平，李晨陽(yáng)

（內(nèi)蒙古久科康瑞環(huán)保科技有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

豐富的煤炭資源為我國(guó)提供了解決石油、天然氣儲(chǔ)量不足的方案，隨著煤化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，廢水排放問(wèn)題也逐漸引發(fā)人們的關(guān)注[1]。分布式控制系統(tǒng)的“分布”體現(xiàn)在物理上分立并分布在不同位置上的多個(gè)子系統(tǒng)，在功能上集成為一個(gè)系統(tǒng)[2]。因而在設(shè)備多且布置范圍大的煤化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水處理作為化工領(lǐng)域的一個(gè)分支，大量應(yīng)用各種各樣的分布控制系統(tǒng)。本文所提小型分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用于“高含鹽廢水深度處理與資源化”中型試驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)性能考核，完全達(dá)到控制要求，由于整套系統(tǒng)具有與同類系統(tǒng)相比更加優(yōu)良的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 控制要求

“高含鹽廢水深度處理與資源化”中型試驗(yàn)設(shè)備總共包含有工藝工段15個(gè)，各工段按照安裝工藝要求布置于9個(gè)移動(dòng)底架，相鄰工段間設(shè)置緩沖水箱。響應(yīng)合理利用底架空間的要求，15個(gè)工段無(wú)法完全按照工藝流程進(jìn)行布置，工段之間的緩沖水箱無(wú)法完全與工段就近進(jìn)行布置。9個(gè)移動(dòng)底架保持相對(duì)獨(dú)立，可靈活由平板運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，因而方便部署和拆除也是該套設(shè)備的要求之一。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，工藝要求每個(gè)工段在自動(dòng)運(yùn)行的情況下，工段啟停由前后緩沖水箱液位控制進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)和停止。

整套系統(tǒng)需設(shè)置上位機(jī)單元對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控和操作。

各移動(dòng)底架控制點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)表

2 分布控制模型拓?fù)?/h2>

如圖1所示，共設(shè)置控制子站12個(gè)，具體移動(dòng)底架配裝子站數(shù)目如表2所示。現(xiàn)場(chǎng)控制總線采用工業(yè)以太網(wǎng)，所有子站以及上位機(jī)單元通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)單元設(shè)置工程師站1臺(tái)，操作員站1臺(tái)，OPC服務(wù)器1個(gè)，打印機(jī)1臺(tái)。

圖1 分布控制模型拓?fù)鋱D

表2 子站配置統(tǒng)計(jì)表

3 硬件配置

每個(gè)移動(dòng)底架上設(shè)備控制柜1臺(tái)，12個(gè)子站按照配置統(tǒng)計(jì)表配置于每臺(tái)控制柜內(nèi)。每臺(tái)控制柜上設(shè)備觸摸顯示控制屏1個(gè)，該屏配置以太網(wǎng)接口。工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展有效地推動(dòng)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信息化，因此在煤化工企業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)以太網(wǎng)在應(yīng)用中顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[3]。每臺(tái)控制柜內(nèi)對(duì)應(yīng)配置8口交換機(jī)1臺(tái)，通過(guò)超六類雙絞線將所有子站、觸摸屏和上位機(jī)單元連接于同一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)。

4 軟件配置

4.1 子站程序編寫軟件

Simatic S7-200smart PLC采用西門子公司編程軟件STEP7-MicroWinSmart[4]。該軟件為S7-200smart PLC專用編程軟件，界面友好，配置方便，尤其是針對(duì)S7-200smart PLC的以太網(wǎng)通訊向?qū)Чδ艽蟠蠛?jiǎn)化了各子站間信號(hào)的傳遞，提高了編程效率。

Simatic S7-300 PLC的編程軟件仍采用其標(biāo)準(zhǔn)編程軟件STEP7 V5。

4.2 上位機(jī)組態(tài)軟件

Wincc v6是一款功能強(qiáng)大的HMI系統(tǒng).它可以組態(tài)界面并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔[5]。本項(xiàng)目上位機(jī)組態(tài)軟件使用WINCC 7.3。WINCC作為西門子軟件體系中組態(tài)與過(guò)程顯示控制的軟件，已經(jīng)廣泛使用于各型控制系統(tǒng)中，其顯著特點(diǎn)為運(yùn)行比較穩(wěn)定，軟件內(nèi)部錯(cuò)誤較少。

4.3 OPC服務(wù)器軟件

OPC （OLE for Process Control） 技術(shù)是以Microsoft公司的OLE/COM技術(shù)為基礎(chǔ)建立的一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制[6]。因而OPC技術(shù)對(duì)于不同廠家的DCS和PLC控制系統(tǒng)具有良好的兼容性，可以針對(duì)不同型號(hào)、不同廠家的DCS或PLC系統(tǒng)，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同DCS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)采集[7]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，考慮到本項(xiàng)目多種PLC及后續(xù)增加其它品牌控制設(shè)備混合使用的情況，采用OPC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。OPC軟件采用KEPServer，KEPserver是全球工業(yè)界領(lǐng)先的超級(jí)OPC服務(wù)器，它嵌入了工業(yè)市場(chǎng)上廣泛范圍的驅(qū)動(dòng)程序和組件，對(duì)不同廠家品牌的PLC產(chǎn)品有良好支持特性。

5 工程應(yīng)用效果

5.1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

5.1.1 系統(tǒng)完整性

當(dāng)代工業(yè)控制系統(tǒng)要求高度信息化與自動(dòng)化，本文所述系統(tǒng)不僅具有與當(dāng)代控制系統(tǒng)相比完整的硬件配置架構(gòu)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)代控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、一鍵啟停、自動(dòng)記錄報(bào)表等軟件功能。同時(shí)系統(tǒng)還具有一定的擴(kuò)展性，只需配置少量的軟件和硬件，即可實(shí)現(xiàn)在無(wú)線終端控制監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)流程的功能。

5.1.2 系統(tǒng)構(gòu)架的合理性

整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架合理，相比同類產(chǎn)品，有著明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，如表3所示。

表3 相同構(gòu)架的不同系統(tǒng)對(duì)比

5.1.3 系統(tǒng)與使用要求的符合性

作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，快速部署和拆除是重點(diǎn)要求。本套系統(tǒng)各控制站完全獨(dú)立，隨移動(dòng)底架可以隨意布置。子站間與上位機(jī)使用工業(yè)以太網(wǎng)連接，物理連接拆裝非常方便，無(wú)需使用專用制線工具和具有專業(yè)知識(shí)的施工人員。

其次，由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特殊性，要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本套系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為控制網(wǎng)，配置形式靈活，如配置相對(duì)高性能的交換機(jī)，還可以構(gòu)成環(huán)網(wǎng)等具有冗余功能的配置。

5.2 工程應(yīng)用效果

本系統(tǒng)應(yīng)用于“高含鹽廢水深度處理與資源化”中型試驗(yàn)設(shè)備并隨整體設(shè)備順利通過(guò)168 h連續(xù)運(yùn)行測(cè)試。圖2為試驗(yàn)場(chǎng)地一角，圖中控制柜內(nèi)包含控制站7、8。圖3為機(jī)柜內(nèi)控制站及交換機(jī)布置情況。測(cè)試期間系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生任何停機(jī)故障。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)（局部）

圖3 控制站（4號(hào)底架控制柜）

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于Simatic S7-200smart PLC的小型分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比和可移植性，具有易于部署和拆除的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全實(shí)現(xiàn)了控制要求。中試裝置具有良好的處理效果，可以實(shí)現(xiàn)廢水的零排放以及產(chǎn)品水和產(chǎn)品鹽的資源化利用目標(biāo)[8]。