基于s7-1500plc和wincc組態(tài)的五效蒸發(fā)控制系統(tǒng)設計

王博達 宋彥生

【摘 ?要】在工業(yè)生產(chǎn)中溶液的蒸發(fā)需要大量熱量，并且時效性高，普通的蒸發(fā)不足以使得工業(yè)流程快速，高效完成。多效蒸發(fā)不斷地向溶液提供恒高溫蒸汽，節(jié)約時間，節(jié)約成本，提升效率。本文爭對工業(yè)五效蒸發(fā)，根據(jù)工業(yè)流程設計了控制系統(tǒng)，并進行了硬件系統(tǒng)設計?；谖鏖T子s7-1500PLC和WINCC組態(tài)設計了辛興多效蒸發(fā)控制程序和工藝界面監(jiān)控。該控制系統(tǒng)可以進行現(xiàn)場設備運行監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)檢測，更高效安全地進行工藝生產(chǎn)，提升效率。

【關鍵詞】五效蒸發(fā);西門子s7-1500PLC;WINCC組態(tài);硬件設計

【中圖分類號】TU831.3 ? ? ? 【文獻標識碼】A

Abstract：In industrial production，the evaporation of solution requires a lot of heat and has high timeliness. Ordinary evaporation is not enough to complete the industrial process quickly and efficiently. Multi-effect evaporation continuously provides constant high temperature steam to the solution，saving time，save costs and improving efficiency. This article strives for the industrial Xinxing multi-effect evaporation，designed the control system according to the industrial process，and carried out the hardware system design. Based on Siemens s7-1500PPLC and WINCC configuration，Xinxing multi-effect evaporation control program and process interface monitoring are designed. The control system can perform on-site equipment operation monitoring and real-time data detection，process production more efficiently and safely，and improve efficiency.

Keywords：Xinxing evaporation;Siemens s7-1500PLC;WINCC configuration;hardware design

引言

蒸發(fā)是一種不易揮發(fā)的溶質(zhì)與溶液進行分離的過程，在工業(yè)生產(chǎn)中蒸發(fā)是一個非常重要的工藝過程，在制糖、化工產(chǎn)業(yè)廣為應用。多效蒸發(fā)進行連續(xù)式蒸發(fā)濃縮，其傳輸熱量的效率高效。且多效蒸發(fā)中下一效液體蒸發(fā)的所需熱量和壓力比前一效都低，這樣使得蒸汽重復使用，節(jié)約了能源，提升了效率。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，化學工藝的發(fā)展也非常迅速，為了提升多效蒸發(fā)的自動控制效率和管理方便，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不足，可遠程控制現(xiàn)場，調(diào)節(jié)參數(shù)，實時監(jiān)控，自動控制，自動報警等功能，大力提升了企業(yè)管理效率和生產(chǎn)力度。

為實現(xiàn)多效蒸發(fā)的自動控制，用西門子S7-1500PLC為控制器，用TIA portal V15軟件進行開發(fā)，設計多效蒸發(fā)控制系統(tǒng)，并且用TIA portal V15中WINCC RT Professional進行了五效蒸發(fā)運行狀態(tài)的組態(tài)監(jiān)控畫面開發(fā)。實現(xiàn)了車間多效蒸發(fā)器的自動控制運行，可以集中自動控制，遠程監(jiān)控，保證安全、高效、快速的運行。

1.多效蒸發(fā)工藝流程

五效蒸發(fā)系統(tǒng)包括一效加熱室、一效分離室、二效加熱室、二效分離室、三效加熱室、三效分離室、四效加熱室、四效分離室、五效加熱室、五效分離室、冷凝器、冷水塔、循環(huán)泵、冷凝水泵、原料泵蒸發(fā)器，熱風電機，冷凝水罐，調(diào)節(jié)閥等結(jié)構組成。原液經(jīng)原料泵進入一效加熱器后蒸發(fā)，蒸發(fā)剩下的溶液進入二效加熱器換熱蒸發(fā)，蒸發(fā)剩余的溶液進入三效加熱器繼續(xù)進行蒸發(fā)，蒸發(fā)后的溶液再次進入四效加熱器蒸發(fā)，最后溶液進入五效加熱室繼續(xù)蒸發(fā)，得到后產(chǎn)品回收和再利用。

鍋爐內(nèi)所產(chǎn)生的蒸汽稱為一次產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過進氣管噴出后即可進入一效加熱室，為蒸發(fā)提供熱源，換熱后剩余的氣體大部分由此進入一效加熱室變成了冷凝水，大部分和液體蒸發(fā)后所產(chǎn)生的蒸汽可以做為二次蒸汽進入二效加熱器，換熱后進入三效蒸發(fā)器，循環(huán)以上過程，最終進入五效蒸發(fā)器蒸發(fā)，五效閃蒸蒸汽和五效二次蒸汽共同進入涼水塔，用循環(huán)冷卻水進行冷卻，回收利用。其五效率蒸發(fā)系統(tǒng)的工作流程圖如下表所示。

2.自動控制系統(tǒng)的硬件設計

由于五效蒸發(fā)系統(tǒng)集成控制需要遠程監(jiān)控，因此控制系統(tǒng)的硬件使用西門子s7-1500Plc進行配置，西門子s7-1500Plc為工業(yè)中大型的控制系統(tǒng)提供了很強大的功能，性能優(yōu)越。通過液位、壓力、溫度傳感器等采集到的信號傳遞給Plc，繼而控制現(xiàn)場的閥門、各種泵、繼電器等操作來實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。因為在控制系統(tǒng)中設備眾多，控制點比較分散，通訊的環(huán)境限制，要在控制系統(tǒng)中使用分布式I/O模塊，因此在控制系統(tǒng)中使用了SIMATIC ET 200SP進行硬件擴展。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構如圖2-1所示。

此控制系統(tǒng)用TIA Portal V15軟件進行開發(fā)，s7-1500Plc和ET 200SP模塊有PROFINET接口，S7-1500Plc與ET 200SP之間用PROFINET協(xié)議通訊，Plc與Plc之間用以太網(wǎng)通信。硬件配置結(jié)構如圖2-1所示，硬件組態(tài)中添加了AI、AQ、DI、DQ、服務器模塊，硬件組態(tài)設計如圖2-2所示。

CPU類型為 1512SP-1 PN，訂貨號為6ES7 512-1DK01-0AB0，PROFINET接口有三個，位置分別位于插槽1 X1P1、1X1P2、1X1P3，AI模塊類型有兩種AI 8xI 2-，4-wire BA和AI 4xRTD/TC 2-，3-，4-wire HF，AQ模塊類型為AQ 4xU/I ST，DI模塊類型為DI 16x24VDC ST，DQ類型為DQ 16x24VDC/0.5A ST，服務器模塊訂貨號為6ES7 193-6PA00-0AA0。硬件組態(tài)中具體模塊、插槽位置、類型和訂貨號如表2-1所示。

3.控制系統(tǒng)的下位機程序設計

PlC程序編程是控制系統(tǒng)中舉足輕重的一個環(huán)節(jié)，PLC下位機程序編程有多種語言，梯形圖Delete（LD）、指令表Delete（IL）、功能模塊圖Delete（FBD）、順序功能流程圖Delete（SFC）、結(jié)構化文本Delete（ST）五種語言。

此PLC控制程序用用TIA portal V15軟件進行開發(fā)，采用梯形圖和ST語言進行編程，梯形圖進行各種變量之間的輸入輸出控制設計，ST語言可以完成復雜的控制運算，在大中型PLC中可以采用結(jié)構化文本來進行描述各個控制系統(tǒng)變量之間的關系，是一種高級復雜的語言。其中包含了主程序塊MainOB1，DB、FB和FC等功能塊，主程序塊MainOB1其中進行了各種電機控制，閥門控制，傳感器控制和各種數(shù)字模擬量的輸入輸出邏輯控制。DB塊保存過程數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)即使遇到斷電情況也不會丟失，很好的提高了程序的安全性。FB塊一般在大型控制系統(tǒng)中使用廣泛，使得控制程序分類化，電機控制，閥門控制等都放在不同的功能模塊，使得下次實現(xiàn)功能時方便調(diào)用。FC塊的使用和FB有很大相似之處，比FB更為簡便。其具體程序模塊如同3-1所示?？刂瞥绦蛑羞€用PID運動控制算法程序設計，控制液位、壓力、溫度等參數(shù)。

程序編寫完成之后，進行編譯，編譯無誤后進行程序下載，程序下載到PLC的核心控制器CPU中進行邏輯控制，控制現(xiàn)場設備進行運轉(zhuǎn)。

4.上位機監(jiān)控wincc組態(tài)設計

組態(tài)畫面通過TIA Portal V15軟件進行開發(fā)，添加PC SIMATIC PC station進行畫面組態(tài)設計，進而實現(xiàn)監(jiān)控功能。S7-1500PLC（196.128.100.1）與WINCC RT Professional（196.128.100.2）之間通過TCP/IP協(xié)議進行通訊，如圖4-1所示。

組態(tài)編輯菜單包括畫面管理、HMI變量、HMI報警、歷史數(shù)據(jù)、用戶管理等功能界面。組態(tài)畫面中設計還有彈出式畫面，分別為變頻電機畫面、工頻電機畫面、開關閥畫面、模擬量畫面、調(diào)節(jié)閥畫面，更好的對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，進行單個操作器件調(diào)節(jié)修正及變頻電機的PID調(diào)節(jié)操作。上位機監(jiān)控可以對一效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，二效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，三效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，涼水塔的溫度、液位、壓力，循環(huán)泵、真空泵的溫度、壓力、流量和閥門的開合度等進行實時監(jiān)控，并且發(fā)送數(shù)據(jù)到總控室，在監(jiān)控畫面中顯示，以便于現(xiàn)場的安全運行監(jiān)視。WINCC

HMI報警包含一效到五效分離室壓力上下限報警、液位上下限報警，加熱室液位上下限報警、壓力上下限報警，涼水塔液位上下限報警、壓力上下限報警，一效到五效循環(huán)泵電流溢出報警、蒸發(fā)真空泵電流溢出報警，冷凝水罐液位上限報警、冷凝水罐液位斷線報警，若檢測量超過限位值則警報響起，進行調(diào)控。用戶管理操作可以設置密碼進行加密操作，防止非專業(yè)人員違規(guī)操作，增加了安全強度。歷史數(shù)據(jù)可以看出現(xiàn)場運行狀態(tài)的變化曲線，從而預測控制系統(tǒng)的未來運行情況。五效蒸發(fā)控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面如圖4-2所示。

5.結(jié)語

此五效蒸發(fā)控制系統(tǒng)采用了S7-1500PLC和WINCC監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的一體式管理，更加高效、集中實時的管理系統(tǒng)運行，在化學，制糖產(chǎn)業(yè)中可以更好的應用。人機界面功能多樣，操作安全快速，實時監(jiān)控的各處壓力、溫度、液位等數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC通過以太網(wǎng)通訊更好的控制各個環(huán)節(jié)的運行操作，各個工作站之間協(xié)調(diào)配合，最后把運行情況發(fā)送到上位機WINCC監(jiān)控系統(tǒng)，也可以人為調(diào)節(jié)參數(shù)進行系統(tǒng)控制，這種控制方法提升了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，也使得操作變得安全可靠。

該控制設備已與多家公司合作投產(chǎn)，工業(yè)生產(chǎn)效果得到了很大的改善，在市場上受到了非常大的歡迎，這種控制系統(tǒng)的集中控制，高效管理，安全運行的效果為其他工業(yè)生產(chǎn)提供了很大的創(chuàng)新價值。

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作者簡介：

王博達，男，1985年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發(fā)酵等生產(chǎn)線的自動化控制和設計等工作.