基于PLC和組態軟件的煉化裝置壓力容器控制系統①

張 強

(中國石油股份有限公司大慶煉化分公司)

基于PLC和組態軟件的煉化裝置壓力容器控制系統①

張 強

(中國石油股份有限公司大慶煉化分公司)

運用PLC和組態技術根據煉化裝置壓力容器的特點設計其自控系統。首先選擇S7-200 PLC作為下位機，配置I/O地址，設計控制流程并構建控制算法，對煉化裝置壓力容器進行測控；然后在組態軟件Realinfo中繪制圖形用戶界面，顯示實時數據、歷史數據和報警信息。聯合調試結果驗證了該系統的有效性。

參數調控 壓力容器 S7-200 PLC Realinfo組態軟件

隨著石化企業的規模逐漸擴大，各石油化工、煉化企業中的壓力容器[1]所占面積越來越大，承壓設備越來越多，對壓力容器和承壓設備的數據信息進行有效管理，使之更好地為產業鏈中的生產、管理等環節服務[2]，成為大型化工企業提高管理水平、增強企業信息化水平的重要研究課題。

對于煉化裝置中的壓力容器，傳統管理方式是通過就地顯示儀表進行人工抄表，定時獲取壓力、溫度及物位等受控變量信息，然后手抄到對應的報表或者人工錄入到計算機系統[3]中，這樣必然存在數據偏差且效率低下等弊端[4,5]。因此，筆者設計將S7-200 PLC作為下位機獲取相關受控變量信息，同時將相關的PID控制算法[6]嵌入到下位機。上位機采用組態軟件監控受控變量的實時變化，對超限變量進行聲光報警，并對下位機中控制算法的參數進行設定，從而有效地對煉化裝置中壓力容器的相關變量進行監控。

1 下位機程序

基于PLC和組態軟件的煉化裝置壓力容器控制系統的下位機采用S7-200 PLC作為主控制器(CPU是224系列)。傳感器包括溫度傳感器(鉑熱電阻傳感器)和壓力傳感器(擴散硅式差壓變送器)。信號調理模塊有熱電阻調理模塊和壓力采集調理模塊。執行部分由伺服放大器、手操器和電動執行機構組成。伺服放大器對S7-200 PLC的輸出信號進行放大，手操器進行手動/自動切換，電動執行機構控制控制閥動作。其中控制閥包括進料閥和排空閥。系統主要的I/O分配點見表1。

表1 系統主要的I/O分配點

系統啟動后先進行初始化，然后分別啟動溫度控制子程序和壓力控制子程序。其中溫度控制子程序運行后，如果系統出現故障則I0.2的急停開關動作，緊急停車；如果系統正常運行，則首先根據工藝設定溫度初始值，由子程序掃描溫度數據，判斷所采集的溫度測量值是否在設定值范圍內，若在設定值范圍內，則通過PID算法控制進料閥和出料閥，綜合調整物料平衡；若超出了設定值范圍，則調整對應的進料閥和出料閥開關，使壓力容器內的溫度恢復到可控范圍內。壓力控制子程序運行之后，如果系統有故障則I0.2的急停開關動作，緊急停車；如果系統正常運行，與溫度控制類似，首先根據工藝設定壓力初始值，由子程序掃描壓力數據，判斷所采集的壓力測量值是否在設定值范圍內，若在設定值范圍內，則由PID算法控制進料和出料閥開度；若超出了設定值范圍，則打開排空閥，以保證壓力容器內的壓力不超出設定值。

在子程序中主要采用單回路控制，PID控制器是控制核心，執行機構為控制閥，受控對象為壓力容器，以熱電阻或壓力傳感器為測量變送環節構成如圖1所示的閉環負反饋回路。

圖1 閉環負反饋回路框圖

2 上位機程序

上位機程序采用Realinfo通過I/O驅動程序從現場I/O設備獲得實時數據，對數據進行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀地顯示在計算機屏幕上，另一方面按照組態要求和操作人員的指令將數據傳送給I/O設備，對執行機構實施控制或調整參數。上位機程序的Realinfo組態結構框圖如圖2所示。

圖2 上位機程序的Realinfo組態結構框圖

建立上位機控制程序的具體操作步驟如下：

a. 啟動Realinfo組態軟件，建立工程項目。

b. 進行設備配置。設備配置的目的是實現上位機與下位機之間的通信，即實現計算機與智能儀表之間的連接。通過設備窗口設置數據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數據變量。

c. 構造數據庫。在實時數據窗口建立新的數據庫文件，要求與設備要求的數據一致。該窗口定義不同類型名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接和設備驅動對象。

d. 制作圖形畫面。在用戶窗口實現，主要用于設置工程中的人機交互界面(生成動畫顯示界面、報警輸出、數據及曲線圖表等)。

e. 在主控窗口建立新工程。主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態操作包括定義工程名稱、編輯工程菜單、設計封面圖形、確定自啟動窗口、設定動畫刷新周期、指定數據庫存盤文件名稱及存盤時間等。

f. 定義動畫連接。動畫連接將動畫與數據庫變量建立聯系，當數據庫變量發生改變時，動畫就與數據對應地表現出來。

g. 運行與調試。先進行組態檢查，通過后則進入運行環境測試。

圖3為按照以上步驟設計的煉化裝置壓力容器部分參數的監控界面。

圖3 壓力容器部分參數監控界面

在上位機程序中應重點考慮3個方面：

a. 實時數據獲取的及時性。

b. 報警信息的可追溯性。組態軟件中可以追溯報警信息，追溯屬于事后控制，通過事后的反饋找出控制系統的缺陷和問題所在，進而改進控制流程，提高產品質量。

c. 控制系統調試的簡便性。控制系統的調試可以分為應用程序離線調試、控制系統硬件調試、應用程序在線調試及現場調試等。上位機程序在這些調試過程中，可以與下位機程序聯合調試，亦可獨立成為系統以信號發生器作為信號源，逐步調試判斷獲得的信息是否正確。

3 結束語

基于S7-200 PLC和組態軟件Realinfo設計了煉化裝置壓力容器的控制系統。對系統下位機PLC和上位機進行聯合調試的結果表明：該系統充分發揮了上、下位機協調工作的優勢，提升了工作效率。對壓力容器和承壓設備的數據信息進行有效管理，為企業提高管理和增強信息化水平提供技術支持。

[1] 薛明德,黃克智,李世玉,等.壓力容器設計方法的進步[J].化工設備與管道,2010,47(6):1～13.

[2] 霍鳳財,任偉建,康朝海,等.基于組態王和PLC的工業鍋爐監控系統設計[J].化工自動化及儀表,2013,40(9):1103～1105.

[3] 李啟銳,邱波,彭志平.煉化裝置腐蝕信息綜合分析系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2015,25(12):156～160.

[4] 羅建平.煉化企業基于MVSPC的過程控制的應用研究[J].計算機與應用化學,2013,30(11):1351～1354.

[5] 鮑魁.先進控制技術(CAPC)在石化煉油裝置的應用[J].安徽化工,2016,42(3):61～64.

[6] 米一博,石紅瑞.模糊PID算法在溫度對象中的應用[J].石油化工自動化,2016,52(4):29～31.

PressureVesselControlSystemDesignforRefineryUnitsBasedonPLCandConfigurationSoftware

ZHANG Qiang

(CNPCDaqingRefining&ChemicalCompany)

Having characteristics of pressure vessels in refinery units considered and the PLC and configuration technology based to design pressure vessels’ auto-control system was implemented, in which, having S7-200 PLC selected as the slave computer, the I/O address allocated and the control flow designed and the control algorithm established so as to control refinery units; and having HMI drawn and the real-time data, historical data and alarm records displayed in Realinfo configuration software. The co-debugging results verify effectiveness of this system designed.

parameter control, pressure vessel, S7-200 PLC, Realinfo configuration software

張強(1984-)，工程師，從事煉化企業化工過程機械和壓力容器的設計工作,1784824522@qq.com。

TH865

A

1000-3932(2017)06-0528-03

2016-11-05,

2017-03-25)