化肥廠循環水PLC改造

摘要：本文詳細介紹了化肥廠循環水的工藝流程特點和對自動控制的要求，采用了SIMATIC S7-300可編程控制器以及組態王監控系統對老舊落后的控制系統進行數字化改造，構成了循環水PLC控制系統。

關鍵詞：S7-300；組態王；數字化改造；控制系統

前言

今年來，煉化企業數字化管理建設悄然興起，規模不斷擴大、功能不斷完善，在精細管理、可視化監控、安全生產及節能增效等方面都取得了較好的成效，逐漸成為化工企業生產管理系統的一個重要組成部分。化肥廠循環水裝置原控制系統采用模擬屏顯示系統狀態，模擬量的顯示和控制通過單獨的回路構成，利用調節器實現，控制按鈕操作。該控制以及使用超過十年的時間，老化嚴重，模式的缺點已經非常明顯，硬件數量多，占用空間大，生產效率低，而且日常維護困難，難以滿足日常生產的高可靠性、良好的控制性能。針對這些，提出了對改造循環水控制系統的方案，即上位工控機+可編程控制器+監控軟件，本文介紹了這種以組態王和S7-300 PLC結合構建的生產控制系統。

一、系統介紹

循環水自動控制系統主要由上位監控系統、通訊網絡、下位PLC控制站和現場儀表組成。整個控制系統網絡結構如圖1所示。

圖1

圖1主要由三部分組成，最上面部分是上位工控機，采用的是DELL工控機，通過兩臺操作員站對循環水系統進行監視和操作，兩臺操作站既能同時使用又能互為備用；中間是TCP/IP網絡，采用網絡站點方式通過局域網絡進行通訊，實現數據共享；下面部分是下位機，下位使用的西門子公司的S7-300PLC，PLC與組態軟件通過MPI網絡進行通訊。

二、選型及配置

系統采用DELL計算機和S7-300 PLC組成上下兩級控制系統，通過西門子的MPI通訊接口實現上位機工程師站和PLC之間的數據通訊，工程師站與操作站之間通過網絡站點方式進行通訊。

下位機負責從現場采集流量、壓力、溫度等信號，然后通過通訊電纜傳送到上位監控系統，并將控制系統或聯鎖信號回饋給現場。PLC的中央處理單元選用了CPU312，電源模塊選用PS307 5A。根據現場儀表信號數量要求選用了1個數字量輸入模塊SM321 DI32×DC 24V，1個數字量輸出模塊SM322 DO32×24V/0.5A，5個模擬量輸入模塊SM331 AI8×12Bit，1個模擬量輸出模塊SM332 AO8×12Bit。整套系統出了的現場信號點和使用模塊統計如表1所示。

表1

（一）控制系統要求

整個控制系統包括了模擬量輸入采集過程，兩個自控回路和五個聯鎖回路，PLC采集到現場的數據后，通過運算后向現場發送控制信號和聯鎖信號。現場儀表采集到數據后送給PLC，然后再傳輸到上位機進行監控，工藝人員可以準確的掌握整個系統的運行情況，及時對異常情況進行干預。兩臺操作員站中一臺兼工程師站，直接與下位PLC進行通訊，可以對PLC進行編程、修改以及對人機界面軟件進行設置和修改，并作為另一臺操作站的服務器，兩臺操作站通過網絡站點進行連接。

（二）控制系統組態

整個系統包含了34個模擬量輸入信號，2個模擬量輸出信號，2個數字量輸入信號，3個輸出信號。系統編程采用了西門子公司為用戶提供的STEP7編程軟件，可以用標準語言梯形圖（LAD）、語句表（STL）、功能塊（FBD）創建S7程序。本系統采用的直觀可視的梯形圖（LAD）編程方式，創建的程序機構如下表2所示：

表2

（1）風機聯鎖程序例程如下圖2所示：

圖2

在風機聯鎖程序中，現場熱阻將風機油溫轉化為電壓信號，PLC主控系統內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為PLC可識別的數字量，然后將數據塊DB中的數據與聯鎖值進行比較，比較的結果送到輸出端口Q中去，控制繼電器的狀態，達到風機聯鎖的目的。

（2）模擬量輸入處理例程如下圖3所示：

圖3

（3）PID控制例程如下圖4

圖4

PID調節采用了STEP7編程軟件的標準庫里的PID控制塊，PLC將系統給定的值與反饋回來的值進行比較并經過比例、積分和微分運算處理后，將信號送到現場調節閥，控制現場的調節閥。

三、組態軟件編程

上位機可以監視受控設備的運行工況，也可以向下位機發送各種指令，它提供了一個普通操作人員能接受的直觀的操作平臺。上位組態軟件選擇了組態王6.53對整個系統進行監控，組態王6.53是在組態王6.0X系列版本之上，采用先進軟件開發模式和流程，開發的一款功能強大的組態軟件。上位監控系統是開放靈活的系統，它可以對控制系統進行監測和控制，具有動態畫面顯示、報警顯示、報表輸出和數據存儲等功能。同時它能夠在計算機終端上顯示現場設備的實時狀態和運行參數。

（一）系統中組態王與PLC之間的通訊。在西門子的通訊協議中有個MPI網絡，特別適合小型化、少點數的控制系統使用，而且MPI接口是CPU的自帶接口，因此MPI網絡的使用可謂經濟實惠。

1、西門子S7-300 PLC設置。單擊“開始”菜單，然后單擊“控制面板”，然后雙擊“設置PG/PC接口”，選中“PC Adapter（MPI）”，單擊“屬性”，出現PC Adapter（MPI）屬性對話框，其設置如下：單擊“MPI”，設置地址為0，超時未30s，傳輸率為187.5kbps，最高站地址為31；然后單擊“本地連接”，設置連接到為USB。最后，單擊確定，PLC部分設置完成。如下圖5所示：

圖5

2、組態王與PLC之間的通訊設置。

建立組態王與S7-300 PLC的通訊連接：首先，在設備配置向導中選擇設備驅動“S7 300系列 MPI（USB）”，然后建立一個邏輯名稱“PLC”，選擇與設備所連接的串口，接著為要安裝的設備指定地址“2：0”，其它的參數默認，設置完成。接下來，在數據庫中新建變量接收PLC發送的現場數據如圖6，連接設備選擇“PLC”，寄存器地址與數據類型需要和PLC中變量保持對應關系，這樣組態王與PLC之間的通訊就建立起來了。

圖6

（二）監控畫面編輯。上位組態軟件組態王通過各種可選擇的畫面如運行畫面、摘要畫面、事件管理畫面、報表畫面等對系統進行監視控制，以實現生產過程的自動化。組態王豐富的數字、文字和圖形格式使實時數據更容易的被讀取和理解。循環水控制系統為實現對生產過程的監控共設計了六幅畫面，分別是：循環水流程控制圖、水輪機監控畫面、A/B透平畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、報警監控畫面。循環水流程控制圖如圖7所示。

圖7

四、網絡站點技術及其在系統中的應用

網絡站點方式通常是將直接連接IO采集設備的組態王站點作為服務器站點，網絡上的其他組態王站點作為客服端來定義服務器作為網絡站點設備，然后再客戶端上定義變量域該網絡站點設備上的變量連接，訪問實時數據。

循環水系統組態軟件與PLC進行數據通訊采用的MPI連接方式，PC適配器采用的是USB方式，無法實現幾臺上位PC同時與PLC通訊。而根據循環水系統對上位監控軟件的要求，需要兩臺操作站同時對整個系統進行監控，最后上位監控系統選擇了網絡站點方式。

（一）服務器端的配置。服務器端組態王軟件需要將網絡配置定義為“連網”模式，并在“本機節點名”中輸入本機的機器名或IP地址，其配置如圖8。

圖8

（二）客戶端的配置。客戶端組態王軟件需要將網絡配置定義為“單機”模式，并在“本機節點名”中輸入本機的機器名或IP地址，其配置如圖9。

圖9

配置網絡節點如圖10所示：

圖10

（三）客戶端變量定義。客戶端定義變量的具體方法與普通設備的定義步驟相同。在變量的“連接設備”列表中選擇網絡站點設備，如“服務器”。在“遠程變量”編輯框中輸入服務器站點數據詞典中的對于變量名“非寄存器名”。如服務器組態王軟件上有變量為“LI0101”。則定義如圖11所示。

圖11

五、結束語

循環水PLC控制系統已投入運行一年有余，系統運行狀況穩定可靠，現場設備工作正常，使用和維護簡單便捷，大大降低了故障率和勞動強度，提高了作業效率，各項指標都達到了設計的初始要求。基于組態王6.53的化肥廠循環水的S7 300PLC控制系統的改造實現了循環水整個系統的基本控制，加強了遠程監控的能力，提高了循環水控制系統的準確性和穩定性。

參考文獻：

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