基于PLC和组态软件的丙烯腈装置控制系统设计

孙 博

(东北石油大学电气信息工程学院)

基于PLC和组态软件的丙烯腈装置控制系统设计

孙 博

(东北石油大学电气信息工程学院)

以西门子公司的PLC为硬件平台，编写梯形图实现逻辑控制和PID控制；选择WinCC组态软件为上位机完成人机界面的设计，从而实现基于PLC和软件组态的丙烯腈装置的控制系统设计。通过系统的实际运行表明：该系统达到了设计目标要求，达到对丙烯腈装置相对应的过程参数进行自动监测和控制的目的。

丙烯腈装置 WinCC PLC 监控

早在1893年就用丙烯酰胺脱水制造丙烯腈的方法，但此生产方法原料来源非常困难。1930年采用由环氧乙烷和氢氰酸合成丙烯腈的方法，随后又发明了由乙炔和氢氰酸合成丙烯腈的生产方法，这些方法因受各种条件的限制，生产规模均较小。1959年发明了丙烯、氨氧化法生产丙烯腈，使丙烯腈生产技术的发展取得了重大突破，由于这一方法的原料价廉易得，工艺流程较为简单，产品质量较好，所以此法很快就实现了工业化生产[1]。到了20世纪70年代，世界各国丙烯腈的生产几乎都采用这种方法。

笔者研究的是将组态技术[2，3]和PLC技术[4]应用到丙烯腈装置中，针对丙烯腈装置的反应系统、回收系统、精制系统和四效蒸发系统进行相关参数的控制。下位机采用德国西门子公司的S7-200 PLC，以梯形图的形式编写程序；下位程序采用WinCC编写相关的上位控制程序，从而实现下位程序的控制、上位程序的监测及参数的设定等，以使相关用户更加方便、快捷地操控整个系统[5,6]。

1 控制方案设计

结合装置的控制思想，构建如图1所示的控制方案结构框图。其中针对温度、压力、流量及液位等模拟量通过AI模块进入PLC，对应连续变量通过AO模块输出控制对应的变频器、循环泵等连续动作的设备；泵的启停、阀的开合状态等通过DI模块采集进入，对应安全联锁保护等开关量输出设备通过DO模块输出。

图1 控制方案结构框图

2 硬件设计

系统的下位机控制器采用CPU226，该CPU本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统，系统硬件连接图如图2所示。模拟量输入、输出模块分别采用扩展的EM235和EM232。

图2 系统硬件连接图

3 软件设计

软件设计主要包括下位PLC的梯形图设计和上位组态软件WinCC人机界面(Human Machine Interface，HMI)设计。系统设计过程中分清逻辑和模拟量的动作方式，既要充分发挥下位机PLC稳定可靠的特点，又要兼顾上位组态软件监控灵活的优势。

3.1 下位机程序

在下位PLC梯形图设计的过程中，其核心内容是对模拟量的PID控制，监测参数数值在正常的控制范围之内应用正常的控制通道，下位程序控制流程如图3所示。当被测参数超过某个设置值(高限值和低限值)时，直接执行如图4所示的报警程序。该报警程序中通过黄灯闪烁的频率确定不同的故障，对有经验的操作人员而言，通过感官的判断就能直接确定报警信息类型。

图3 下位程序控制流程

图4 下位程序超限报警示意图

3.2 上位机程序

系统上位机程序重点对下位机的待测参数进行监控，汇总报警信息，以可视化界面的方式对下位机特定参数进行设置。因此，上位机程序人机界面(HMI)以其过程可视化、操作员对操作过程方便控制等显著特点而得到广泛的应用。该系统中丙烯腈装置上位机控制系统的主控制界面如图5所示，重点关注温度、压力、流量及液位等参数的实时数据、历史数据、报警信息及相关报表的打印、存储等功能，从而实现对系统的整体监控。

4 系统调试

系统综合调试共分为两个阶段，分别是模拟调试和现场调试。模拟调试时根据工业现场的实际工况，模拟实际环境调试各参数和控制程序的运行状态；而现场调试就是在模拟调试完全正常的条件下进行的现场实际装置在线运行。

根据来自现场信号方式的不同，调试过程中又可以分为硬件模拟法和软件模拟法两种形式：

a. 硬件模拟法是根据硬件在实际工况中产生信号幅值的大小，将硬件产生的信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强；

b. 软件模拟法是在PLC单独编写一套符合现场信号的模拟程序，与当前程序进行数据传输，该方法可操作性较强、易于操作等特点，但时效性不易保证。

图5 系统主控制界面

5 结束语

通过分析丙烯腈装置的技术现状和特点，开发出了一种基于上位组态软件和下位PLC的丙烯腈集成控制系统。下位程序中主要实现模拟量和逻辑变量的控制，上位程序完成对下位程序相关参数和通过可视化方式对各参数变化趋势进行有效监控。通过综合调试验证，该方法针对丙烯腈装置的控制方式是可行有效的。

[1] 田原，郭中阳，陆书来.丙烯腈生产、市场与技术进展[J].化工科技，2012，20(6)：63～68.

[2] 王永恩，常涛，刘轶，等.OPC技术在WINCC与组态王通讯中的应用[J].自动化技术与应用，2014，33(5)：90～93.

[3] 许磊，于海生，刘华波，等.基于WinCC及S7-200PLC的电梯监控系统设计[J].机械工程与自动化，2008，(2)：117～119，122.

[4] 陈玲. PLC控制在电石炉电极升降控制中的应用[J].化工自动化及仪表，2015，42(12)：1378～1380，1390.

[5] 赵乃卓，杨凯淋，关南楠，等.组态软件在油田注水站监控系统中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2016，35(5)：529～532.

[6] 代显智，郭庆胜.一种用于油田注水泵站的远程监控系统[J].微计算机信息，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

声明

孙博(1993-)，本科生，从事自动化、工业仪表方向的研究，1784824522@qq.com。

2016-05-31，

2016-06-15)

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