基于PLC和組態軟件的丙烯腈裝置控制系統設計

孫 博

(東北石油大學電氣信息工程學院)

基于PLC和組態軟件的丙烯腈裝置控制系統設計

孫 博

(東北石油大學電氣信息工程學院)

以西門子公司的PLC為硬件平臺，編寫梯形圖實現邏輯控制和PID控制；選擇WinCC組態軟件為上位機完成人機界面的設計，從而實現基于PLC和軟件組態的丙烯腈裝置的控制系統設計。通過系統的實際運行表明：該系統達到了設計目標要求，達到對丙烯腈裝置相對應的過程參數進行自動監測和控制的目的。

丙烯腈裝置 WinCC PLC 監控

早在1893年就用丙烯酰胺脫水制造丙烯腈的方法，但此生產方法原料來源非常困難。1930年采用由環氧乙烷和氫氰酸合成丙烯腈的方法，隨后又發明了由乙炔和氫氰酸合成丙烯腈的生產方法，這些方法因受各種條件的限制，生產規模均較小。1959年發明了丙烯、氨氧化法生產丙烯腈，使丙烯腈生產技術的發展取得了重大突破，由于這一方法的原料價廉易得，工藝流程較為簡單，產品質量較好，所以此法很快就實現了工業化生產[1]。到了20世紀70年代，世界各國丙烯腈的生產幾乎都采用這種方法。

筆者研究的是將組態技術[2，3]和PLC技術[4]應用到丙烯腈裝置中，針對丙烯腈裝置的反應系統、回收系統、精制系統和四效蒸發系統進行相關參數的控制。下位機采用德國西門子公司的S7-200 PLC，以梯形圖的形式編寫程序；下位程序采用WinCC編寫相關的上位控制程序，從而實現下位程序的控制、上位程序的監測及參數的設定等，以使相關用戶更加方便、快捷地操控整個系統[5,6]。

1 控制方案設計

結合裝置的控制思想，構建如圖1所示的控制方案結構框圖。其中針對溫度、壓力、流量及液位等模擬量通過AI模塊進入PLC，對應連續變量通過AO模塊輸出控制對應的變頻器、循環泵等連續動作的設備；泵的啟停、閥的開合狀態等通過DI模塊采集進入，對應安全聯鎖保護等開關量輸出設備通過DO模塊輸出。

圖1 控制方案結構框圖

2 硬件設計

系統的下位機控制器采用CPU226，該CPU本機自帶RS-485通信接口、內置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的S7-200 CPU構成一個簡單的數字量控制系統，也可通過擴展電纜進行數字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規模控制系統，系統硬件連接圖如圖2所示。模擬量輸入、輸出模塊分別采用擴展的EM235和EM232。

圖2 系統硬件連接圖

3 軟件設計

軟件設計主要包括下位PLC的梯形圖設計和上位組態軟件WinCC人機界面(Human Machine Interface，HMI)設計。系統設計過程中分清邏輯和模擬量的動作方式，既要充分發揮下位機PLC穩定可靠的特點，又要兼顧上位組態軟件監控靈活的優勢。

3.1 下位機程序

在下位PLC梯形圖設計的過程中，其核心內容是對模擬量的PID控制，監測參數數值在正常的控制范圍之內應用正常的控制通道，下位程序控制流程如圖3所示。當被測參數超過某個設置值(高限值和低限值)時，直接執行如圖4所示的報警程序。該報警程序中通過黃燈閃爍的頻率確定不同的故障，對有經驗的操作人員而言，通過感官的判斷就能直接確定報警信息類型。

圖3 下位程序控制流程

圖4 下位程序超限報警示意圖

3.2 上位機程序

系統上位機程序重點對下位機的待測參數進行監控，匯總報警信息，以可視化界面的方式對下位機特定參數進行設置。因此，上位機程序人機界面(HMI)以其過程可視化、操作員對操作過程方便控制等顯著特點而得到廣泛的應用。該系統中丙烯腈裝置上位機控制系統的主控制界面如圖5所示，重點關注溫度、壓力、流量及液位等參數的實時數據、歷史數據、報警信息及相關報表的打印、存儲等功能，從而實現對系統的整體監控。

4 系統調試

系統綜合調試共分為兩個階段，分別是模擬調試和現場調試。模擬調試時根據工業現場的實際工況，模擬實際環境調試各參數和控制程序的運行狀態；而現場調試就是在模擬調試完全正常的條件下進行的現場實際裝置在線運行。

根據來自現場信號方式的不同，調試過程中又可以分為硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式：

a. 硬件模擬法是根據硬件在實際工況中產生信號幅值的大小，將硬件產生的信號以硬接線的方式連到PLC系統的輸入端，其時效性較強；

b. 軟件模擬法是在PLC單獨編寫一套符合現場信號的模擬程序，與當前程序進行數據傳輸，該方法可操作性較強、易于操作等特點，但時效性不易保證。

圖5 系統主控制界面

5 結束語

通過分析丙烯腈裝置的技術現狀和特點，開發出了一種基于上位組態軟件和下位PLC的丙烯腈集成控制系統。下位程序中主要實現模擬量和邏輯變量的控制，上位程序完成對下位程序相關參數和通過可視化方式對各參數變化趨勢進行有效監控。通過綜合調試驗證，該方法針對丙烯腈裝置的控制方式是可行有效的。

[1] 田原，郭中陽，陸書來.丙烯腈生產、市場與技術進展[J].化工科技，2012，20(6)：63～68.

[2] 王永恩，常濤，劉軼，等.OPC技術在WINCC與組態王通訊中的應用[J].自動化技術與應用，2014，33(5)：90～93.

[3] 許磊，于海生，劉華波，等.基于WinCC及S7-200PLC的電梯監控系統設計[J].機械工程與自動化，2008，(2)：117～119，122.

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

[5] 趙乃卓，楊凱淋，關南楠，等.組態軟件在油田注水站監控系統中的應用[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2016，35(5)：529～532.

[6] 代顯智，郭慶勝.一種用于油田注水泵站的遠程監控系統[J].微計算機信息，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，從事自動化、工業儀表方向的研究，1784824522@qq.com。

2016-05-31，

2016-06-15)

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