基于SIMATIC NET通訊協(xié)議的除氧監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

葉振宇 張莉 王亞剛 趙鑫 張遷

摘 要：針對除氧系統(tǒng)控制效果不佳可能導(dǎo)致電廠出現(xiàn)安全事故的問題，設(shè)計一套操作簡單并具有一定通用性的上位機(jī)監(jiān)控軟件，可對除氧系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。為了達(dá)到系統(tǒng)工藝和功能實現(xiàn)的要求，系統(tǒng)采用Kingview作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，采用SIMATIC NET作為系統(tǒng)通訊協(xié)議。經(jīng)實踐驗證，該系統(tǒng)可有效實現(xiàn)所需功能，通訊速度符合生產(chǎn)要求，并提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：SIMATIC NET;除氧控制;組態(tài)王

DOI：10. 11907/rjdk. 181906

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0052-03

Abstract： Aiming at the poor performance of deaerator water level control and power supply of oxygen to remove impurities， we designed a simple operating system with a very versatile machine monitoring software which can monitor the oxygen system in real time. In order to meet the systems technology procedures and the required functions， a method was presented that used Kingview as the PC monitoring software and SIMATIC NET as the system communication network. The results indicate that the functionality of the system can be fully realized and the rate of communication has reached the requirements of production， the production efficiency is also improved.

Key Words： SIMATIC NET; deoxidizer control; Kingview

0 引言

目前，國內(nèi)外研究者對電廠中的除氧系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。王二貴、魏凱[1]研究發(fā)現(xiàn)，電廠通常采取通過兩個調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位方法，但在實際應(yīng)用中，水位的高低波動很大，主要由于主閥控制精度不高，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不佳。針對該現(xiàn)象，孫曉峰、王傳棟等[2]對除氧系統(tǒng)的內(nèi)模控制器進(jìn)行調(diào)整以調(diào)節(jié)水位;日本的Tajima Karurosu[3]提出多變量模糊PID控制算法進(jìn)行水位控制;潘先偉[4]將除氧設(shè)備控制方法加以改進(jìn)，采用均衡控制方式，可防止設(shè)備出現(xiàn)腐化現(xiàn)象。

由于上位機(jī)監(jiān)控軟件具有界面組態(tài)功能的完整性與對用戶開放性等優(yōu)點(diǎn)，因而被普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[5-10]。它可以通過指定的工業(yè)通訊協(xié)議與下位機(jī)實現(xiàn)通訊，從而實時監(jiān)測現(xiàn)場的過程量，控制生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行[11-13]。因此，本文使用組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件、SIMATIC NET作為系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一套除氧監(jiān)控系統(tǒng)，并分別對其中的兩個主副調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

1 上位機(jī)界面設(shè)計要求

除氧監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)工藝及客戶要求，設(shè)計時主要需要實現(xiàn)以下功能：

（1）設(shè)備信息提示。設(shè)備信息包括設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)以及閥門電機(jī)狀態(tài)。具體功能包括：①關(guān)鍵參數(shù)連接到PLC點(diǎn)位，實時顯示其實際值;②設(shè)備循環(huán)時間以及水體內(nèi)各種氣體含量監(jiān)測;③通過圖片區(qū)分顯示氣缸及電機(jī)啟停狀態(tài)。

（2）手動控制設(shè)備。調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式，包括關(guān)鍵參數(shù)修改、氣缸電機(jī)啟停等。

（3）加工參數(shù)報表。將設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)按照一定順序保存在文件中，并對其進(jìn)行命名，有利于后期快速切換產(chǎn)品參數(shù)。

（4）報警功能。界面顯示報警內(nèi)容并閃爍提示，確保操作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并加以處理。

（5）報表調(diào)用。每次生產(chǎn)的數(shù)據(jù)都以報表形式按批次保存，可按時間范圍進(jìn)行查詢。

（6）權(quán)限分級。將設(shè)備操作權(quán)限分為4個等級，分別為生產(chǎn)操作用戶、工程師用戶、管理員用戶以及全功能用戶。不同類型用戶可以操作不同級別的功能，以保證系統(tǒng)安全。

（7）系統(tǒng)循環(huán)測試。系統(tǒng)自動循環(huán)運(yùn)行，可以查看系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，且方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察。

2 除氧控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 除氧控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

除氧控制系統(tǒng)是通過上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，實現(xiàn)對除氧器水位閥門開度、運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，以及對加工參數(shù)的保存調(diào)用。將Kingview 6.55作為除氧控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，西門子300系列 PLC作為控制器，配備多個IO模塊及功能模塊，如模擬量模塊、通信模塊等，將這些模塊與水箱、凝汽器、電機(jī)、閥門等設(shè)備進(jìn)行連接，從而達(dá)到調(diào)節(jié)除氧水位的目的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，要控制除氧器水箱水位，需要調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口與凝結(jié)水母管中調(diào)節(jié)閥的開度，以改變凝結(jié)水流量，然后通過再循環(huán)調(diào)節(jié)閥與化學(xué)補(bǔ)充水調(diào)節(jié)閥控制凝汽器水位。

2.2 除氧控制系統(tǒng)軟件框架

使用Kingview的OPC控件以及自帶的動態(tài)圖片控件，可以畫出完整的系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖。將控件與PLC點(diǎn)位進(jìn)行連接，則可以顯示系統(tǒng)監(jiān)測值，當(dāng)監(jiān)測值發(fā)生改變時，控件即可實時更新自身狀態(tài)，并提示系統(tǒng)發(fā)生的變化;另外還可在后臺編寫一些腳本語言實現(xiàn)組態(tài)功能外的擴(kuò)展，如更新參數(shù)保存、報警內(nèi)容顯示與權(quán)限分級等功能。上位機(jī)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在西門子300編程中，功能都具有模塊性，即不同功能都編碼為一個模塊。編程軟件首先根據(jù)所使用的模塊配置硬件，然后在主循環(huán)塊OB1中進(jìn)行循環(huán)掃描后調(diào)用該模塊。

除氧控制系統(tǒng)由3部分組成，分別是計算機(jī)控制、電機(jī)控制與PLC控制，而作為控制系統(tǒng)的核心，PLC控制器會按預(yù)設(shè)程序?qū)斎胄畔⑦M(jìn)行處理。稱重傳感器、溫度傳感器與水位傳感器信號則由稱重變送器、溫度變送器與液位變送器收集并進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后實時輸入到PLC控制器。開關(guān)信號如限位開關(guān)及每個電路元件觸點(diǎn)則直接輸送到PLC中。這些信號量由PLC根據(jù)控制邏輯程序一并輸出，然后控制物體或閥門開關(guān)，從而實現(xiàn)控制目標(biāo)[14-16]。

2.3 通訊系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)通過在工業(yè)電腦上部署SIMATIC OPC服務(wù)器與西門子PLC之間實現(xiàn)連接，從而能夠?qū)崟r訪問PLC，并讀取相應(yīng)點(diǎn)位狀態(tài)值，將其顯示在監(jiān)控界面中。

SIMATIC NET通訊協(xié)議常用于工業(yè)設(shè)備中，尤其在西門子工業(yè)協(xié)議中占有很大比例，可以讓現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備、個人聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于同一協(xié)議網(wǎng)段，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享交互[17]。OPC服務(wù)器在工業(yè)上應(yīng)用也很普遍，本文調(diào)用組態(tài)王OPC控制組件建立OPC客戶端，并與西門子300系列PLC實現(xiàn)連接，通過OPC讀取PLC數(shù)據(jù)并將其保存。由上述方式定義了上位機(jī)與下位機(jī)之間的協(xié)議，實現(xiàn)了除氧系統(tǒng)的整體通訊架構(gòu)[18-20]。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控界面要求，本文通過配置其自帶的腳本工具，實現(xiàn)了對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測并在窗口進(jìn)行顯示，下面以權(quán)限分級功能為例進(jìn)行說明。

為了保證系統(tǒng)安全性，需要對不同功能權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，如關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置部分需要管理員以上權(quán)限才能更改，否則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，本文對采用的控件進(jìn)行分級處理，定義1-4級權(quán)限分別代表操作員用戶、工程師用戶、管理員用戶及超級用戶。

（1）登錄系統(tǒng)時進(jìn)行權(quán)限選擇，需要輸入相應(yīng)密碼，密碼保存在注冊表中。腳本程序如下：

根據(jù)上述程序可判斷3級權(quán)限密碼是否正確，其中'SOFTWARE/Microsoft/Windows/authority/3'為3級密碼保存在注冊表內(nèi)的路徑。

（2）登錄后會對所有頁面進(jìn)行權(quán)限刷新，遍歷所有控件，通過讀取控件tag屬性得出該控件適用權(quán)限。本文使用CheckAuthority函數(shù)實現(xiàn)對所有控件的遍歷檢驗。腳本程序如下：

（3）需要修改權(quán)限密碼時，高級別權(quán)限可以修改低權(quán)限密碼，本文使用了WriteRegedit函數(shù)。腳本程序如下：

4 應(yīng)用

本文以浙江省龍游電廠除氧控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計的人機(jī)界面，實現(xiàn)了動態(tài)實時監(jiān)控功能。系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時間超過760h，可滿足生產(chǎn)需要，且易于操作，同時提高了設(shè)備自動化程度，提升了生產(chǎn)效率，有效避免了電力生產(chǎn)安全事故的發(fā)生[21]。現(xiàn)場監(jiān)控界面如圖3所示。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)場工藝流程與生產(chǎn)過程的分析，并結(jié)合系統(tǒng)控制要求，本文使用組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件、SIMATIC NET作為系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了一套除氧監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)實際驗證，該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時監(jiān)控、報表查詢、密碼保護(hù)等功能，而且SIMATIC網(wǎng)絡(luò)工業(yè)通信系統(tǒng)的應(yīng)用可以保證上位機(jī)與下位機(jī)之間快速、穩(wěn)定的通信，提高了生產(chǎn)效率，因而具有廣闊的市場前景。

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（責(zé)任編輯：黃 健）