基于组态王和PLC的乙烯生成远程控制系统

郝 斌，吕玉祥，闫宪峰

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省机电设计研究院，山西 太原 030009)



基于组态王和PLC的乙烯生成远程控制系统

郝 斌1，2，吕玉祥1，闫宪峰2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省机电设计研究院，山西 太原 030009)

通过西门子PLC控制器，温度传感器将检测到的实际反应炉内温度转化为电信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，同时利用组态王设计一个人机界面(HMI)，可显示历史温度曲线，实时温度曲线和理论温度曲线。并利用Visual Basic软件画出理论温度曲线，并能从组态王中提取数据,最终把图像传回组态王中。通过串口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作方便。

组态王；PLC；Visual Basic

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上。乙烯主要作用：农业上用作果实催熟剂，工业上用于制造合成橡胶、合成树脂、合成纤维、塑料以及制聚乙烯、聚氯乙烯、醋酸等。在乙醇脱水制乙烯的反应过程中，由于温度的不同，生成的乙烯会产生不同的副产物，温度控制极为重要。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此，要求系统具有更为先进的控制技术和控制理论。所以，本文所论述的乙烯生成系统的过程控制是具有很大应用价值的。

1 系统介绍

1.1 工艺流程

乙烯生成反应过程是乙醇在催化剂氧化铝存在下高温发生脱水反应，生成乙烯[1]。首先集气瓶中加满水，向系统通入氮气吹扫后关闭阀门；接着将新鲜的乙醇原料加入蒸发器中，催化剂氧化铝加入反应炉中，加热反应炉，将导热油温控制在430 ℃±2.5 ℃；待反应炉温度达到380 ℃后，维持此温度20分钟，以活化催化剂氧化铝，打开蒸汽加热器，通过冷却循环泵转速调节使蒸发器内温度控制在100 ℃±2.5 ℃，反应炉内温度控制在420 ℃±2.5 ℃[2]；当缓冲器中溴水褪色，即色敏传感器报警，关闭缓冲器，打开进入冷凝器的开关，产物经冷凝器冷凝后进入气液分离器，最后开乙烯收集器出水阀，收集乙烯。

此系统自动化程度很高，每个反应容器都可单独实现手动、自动的切换，配有急停装置，为安全考虑，整个系统外放置乙烯检测仪，防止乙烯泄露。

1.2 控制器功能

1) 反应炉可通过上位机、现场操作(手动操作)；

2) 接触器、热保护故障将报警；

3) 各种故障所带来的停机，自动运行将终止，故障排除后，自动将顺延运行；

4) 在上位机界面上显示工艺流程图，可实现手动、自动操作；

5) 显示-具设置过程:图样显示/文字说明、过程曲线图、柱状图；

6) 实时监看过程-可直接查看过程控制过程中的参数及曲线，提高过程可见度；

7) 警报模式-警报状态产生时，LCD画面将实时显示红色背光；

8) 数据收集功能-可记录历史数据，便于统计各项数据；

9) 设定时间-使用编程软件规划所需控制流程。

2 系统总体结构

乙烯的质量受到温度值的影响，这就对系统的控制提出了较高的要求。如果用人工控制的话，很难保证温度的精准，而且因人不同会造成工艺指标执行时的差异，而用PLC结合组态的综合控制可以解决这些问题。根据上述情况，决定利用PLC和上位机实时监控系统。

上位机上安装上组态软件，通过组态软件在屏幕上显示各种信号变化与下位机组成实时监控系统。上位机与下位机，通过PPI进行通信。这种组合控制功能强大，可利用资源丰富，系统精细。硬件电路分为两部分，一部分为PLC控制电路，一部分为现场手动控制电路。在远程控制中PLC作为下位机，控制电机、加热棒和变频器的启动和停止，发出报警信号，以及温度的采集，并接收各器件的反馈信号。组态王作为现场人机界面，实现现场数据实时显示、参数设定、报警、手动控制电机、加热棒和变频器的起停等重要功能(如图1)。

图1 控制系统组成

3 监控软件系统的设计与实现

系统软件主要包括上位监控软件，下位PLC控制软件和下位人机界面触摸屏软件等几个方面。上位监控主要采用“ KingView”组态软件编写，组态王提供一个完善的人机交互平台，通过这个平台既可以设置一些系统运行的参数，也可以观测现场的实时数据和历史数据。下位机主要是PLC控制程序的编写，实现系统要求，主要包括模拟量、开关量的输入输出，上位机与下位机的通讯，下位机与触摸屏控制面板的通讯等[3]。

3.1 组态王设计

组态王由工程管理器(ProjManager)、工程浏览器(TouchExplore)、画面运行系统(Touchview)三大部分组成。

图2为本设计的主界面，显示整个系统的工艺流程，实时报警窗口，实时曲线，历史曲线，目标曲线，报警界面。各个界面的按钮始终存在，可以及时的按到急停按钮。

报警画面采用弹出式，有报警时弹出。可以控制手动、自动。这种弹出式画面可以大大节省画面空间，使画面简洁，使用方便。

图2 系统运行主界面

变量设置如表1。

表1 数据词典设置

3.2 目标趋势图的设计

3.2.1 画目标趋势图的总体思路

本设计由上位监控计算机的组态王6.53软件从西门子S7-200PLC中接收数据，并对其进行实时监控。组态王把接收到的数据利用DDE存入Excel中，Visual Basic6.0从Excel中提取数据画出目标趋势图，再利用DDE传送回组态王中(如图3)。

图3 目标趋势图生成流程

由于组态王软件只能显示实时曲线图，当出现错误时不能及时发现，并进行调整，而且也不能明显地看出实时曲线与理论曲线的差距。所以，利用Visual Basic设计一个目标曲线图控件可以同时显示理论曲线和实时曲线，使用户便于观察。

3.2.2 组态王与第三方软件的互联

组态王能与VB，VC，Excel，matlab等软件进行DDE动态数据交换，能用OPC方式通信互联，能与关系数据库ACCESS连接。

DDE是WINDOWS平台上的一个完整的通信协议，在客户机和服务器程序间通过互相传递消息进行“对话”，它允许两个或两个以上的应用程序之间进行实时的数据交换。而且当数据更新时不需要用户参与就可自动进行数据交换。更重要的是，要实施DDE协议，应用程序仅需要与操作系统接口，而应用程序之间无需接口，这种灵活的特性使DDE成为Windows应用程序普遍支持的一种接口协议。

1) 组态王通过DDE与Excel程序的实时数据交换。

Excel程序从组态王中获得数据。首先在组态王中建立变量，并设置允许DDE访问。创建Excel数据表格，输入访问组态王变量的连接语句。选择“A1”单元格按如下格式输入DDE连接语句“=VIEW|TAGNAME!PLC.V0”。

2) 组态王通过DDE与Visual Basic 程序的实时数据交换。

Visual Basic中的MSChart控件是一个功能强大的高级图表工具，拥有丰富的图表绘制功能，用它可以显示二维和三维的棒图、区域图、线形图、饼图等多种常用图表。

用MSChart绘制Excel图表。添加MSChart控件拖动到窗体里，生成初始图表，并调整其属性，用“工程”菜单中的“引用”命令，将程序连接到“Mirosoft Excel 9.0 Object Library”(Excel对象库)。

预期效果如图4。

图4 预期效果图

4 结束语

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。PID闭环控制算法在控制系统中有良好的效果。组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。 在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

[1] 顾志华.乙醇制乙烯技术现状及展望[J].化工进展，2006，25(8):847-851.

[2] 黎颖，陈晓春，孙巍，等.γ-Al2O3催化剂上乙醇脱水制乙烯的实验研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2007,34(5)：3-6.

[3] 北京亚控科技发展有限公司.组态王6.5产品介绍[Z].2007.

Ethylene Production Remote Control System Based on Kingview and PLC

Hao Bin1,2,Lv Yuxiang1,Yan Xianfeng2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiDesignandResearchInstituteofMechanicalandElectricalEngineering,TaiyuanShanxi030009,China)

By the Siemens PLC controllers,temperature sensors convert the detected actual reactor temperature into electrical signals.The module is input through the analog and converted into the digital signal,and then sent to the PLC to make PID regulating.The output of PID controller is converted into duty cycle,while taking the advantage of Kingview designs a human-machine interface (HMI).It can show the historical temperature curve,real-time temperature curve and the theoretical temperature curve.The Visual Basic software is used to draw the theoretical temperature curve and extract data from the Kingview,finally the image returns to Kingview.The serial port with programmable controller communication is used to have a comprehensive monitoring for the control system so as to make an ease operation for user.

Kingview; PLC; Visual Basic

2016-07-15

郝 斌(1989-)，女，山西太原人，助理工程师，主要研究方向：自动化技术。

1674-4578(2016)05-0076-03

TP 311.5

A