基于SIMATIC NET通讯协议的除氧监控系统设计

叶振宇 张莉 王亚刚 赵鑫 张迁

摘 要：针对除氧系统控制效果不佳可能导致电厂出现安全事故的问题，设计一套操作简单并具有一定通用性的上位机监控软件，可对除氧系统进行实时监控。为了达到系统工艺和功能实现的要求，系统采用Kingview作为上位机监控软件，采用SIMATIC NET作为系统通讯协议。经实践验证，该系统可有效实现所需功能，通讯速度符合生产要求，并提高了生产效率。

关键词：SIMATIC NET;除氧控制;组态王

DOI：10. 11907/rjdk. 181906

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：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，国内外研究者对电厂中的除氧系统进行了大量研究。王二贵、魏凯[1]研究发现，电厂通常采取通过两个调节阀控制除氧器水位方法，但在实际应用中，水位的高低波动很大，主要由于主阀控制精度不高，从而导致调节效果不佳。针对该现象，孙晓峰、王传栋等[2]对除氧系统的内模控制器进行调整以调节水位;日本的Tajima Karurosu[3]提出多变量模糊PID控制算法进行水位控制;潘先伟[4]将除氧设备控制方法加以改进，采用均衡控制方式，可防止设备出现腐化现象。

由于上位机监控软件具有界面组态功能的完整性与对用户开放性等优点，因而被普遍应用于工业领域[5-10]。它可以通过指定的工业通讯协议与下位机实现通讯，从而实时监测现场的过程量，控制生产系统运行[11-13]。因此，本文使用组态王作为上位机监控软件、SIMATIC NET作为系统通讯网络，设计一套除氧监控系统，并分别对其中的两个主副调节系统进行实时监测。

1 上位机界面设计要求

除氧监控系统的设计根据工艺及客户要求，设计时主要需要实现以下功能：

（1）设备信息提示。设备信息包括设备关键参数、设备运行数据以及阀门电机状态。具体功能包括：①关键参数连接到PLC点位，实时显示其实际值;②设备循环时间以及水体内各种气体含量监测;③通过图片区分显示气缸及电机启停状态。

（2）手动控制设备。调整设备运行方式，包括关键参数修改、气缸电机启停等。

（3）加工参数报表。将设备关键参数按照一定顺序保存在文件中，并对其进行命名，有利于后期快速切换产品参数。

（4）报警功能。界面显示报警内容并闪烁提示，确保操作人员能够及时发现问题并加以处理。

（5）报表调用。每次生产的数据都以报表形式按批次保存，可按时间范围进行查询。

（6）权限分级。将设备操作权限分为4个等级，分别为生产操作用户、工程师用户、管理员用户以及全功能用户。不同类型用户可以操作不同级别的功能，以保证系统安全。

（7）系统循环测试。系统自动循环运行，可以查看系统优化结果，且方便用户进行远程观察。

2 除氧控制系统结构

2.1 除氧控制系统硬件架构

除氧控制系统是通过上位机与下位机的通讯，实现对除氧器水位阀门开度、运行数据的实时监测，以及对加工参数的保存调用。将Kingview 6.55作为除氧控制系统的上位机监控软件，西门子300系列 PLC作为控制器，配备多个IO模块及功能模块，如模拟量模块、通信模块等，将这些模块与水箱、凝汽器、电机、阀门等设备进行连接，从而达到调节除氧水位的目的，系统结构如图1所示。

在图1中，要控制除氧器水箱水位，需要调节凝结水泵出口与凝结水母管中调节阀的开度，以改变凝结水流量，然后通过再循环调节阀与化学补充水调节阀控制凝汽器水位。

2.2 除氧控制系统软件框架

使用Kingview的OPC控件以及自帶的动态图片控件，可以画出完整的系统流程结构图。将控件与PLC点位进行连接，则可以显示系统监测值，当监测值发生改变时，控件即可实时更新自身状态，并提示系统发生的变化;另外还可在后台编写一些脚本语言实现组态功能外的扩展，如更新参数保存、报警内容显示与权限分级等功能。上位机功能结构如图2所示。

在西门子300编程中，功能都具有模块性，即不同功能都编码为一个模块。编程软件首先根据所使用的模块配置硬件，然后在主循环块OB1中进行循环扫描后调用该模块。

除氧控制系统由3部分组成，分别是计算机控制、电机控制与PLC控制，而作为控制系统的核心，PLC控制器会按预设程序对输入信息进行处理。称重传感器、温度传感器与水位传感器信号则由称重变送器、温度变送器与液位变送器收集并进行调节，然后实时输入到PLC控制器。开关信号如限位开关及每个电路元件触点则直接输送到PLC中。这些信号量由PLC根据控制逻辑程序一并输出，然后控制物体或阀门开关，从而实现控制目标[14-16]。

2.3 通讯系统设计

系统通过在工业电脑上部署SIMATIC OPC服务器与西门子PLC之间实现连接，从而能够实时访问PLC，并读取相应点位状态值，将其显示在监控界面中。

SIMATIC NET通讯协议常用于工业设备中，尤其在西门子工业协议中占有很大比例，可以让现场工业设备、个人联网设备处于同一协议网段，并实现数据的共享交互[17]。OPC服务器在工业上应用也很普遍，本文调用组态王OPC控制组件建立OPC客户端，并与西门子300系列PLC实现连接，通过OPC读取PLC数据并将其保存。由上述方式定义了上位机与下位机之间的协议，实现了除氧系统的整体通讯架构[18-20]。

3 上位机监控系统功能实现

根据上位机监控界面要求，本文通过配置其自带的脚本工具，实现了对系统运行状态的实时监测并在窗口进行显示，下面以权限分级功能为例进行说明。

为了保证系统安全性，需要对不同功能权限进行设置，如关键参数设置部分需要管理员以上权限才能更改，否则可能造成严重的生产事故。因此，本文对采用的控件进行分级处理，定义1-4级权限分别代表操作员用户、工程师用户、管理员用户及超级用户。

（1）登录系统时进行权限选择，需要输入相应密码，密码保存在注册表中。脚本程序如下：

根据上述程序可判断3级权限密码是否正确，其中'SOFTWARE/Microsoft/Windows/authority/3'为3级密码保存在注册表内的路径。

（2）登录后会对所有页面进行权限刷新，遍历所有控件，通过读取控件tag属性得出该控件适用权限。本文使用CheckAuthority函数实现对所有控件的遍历检验。脚本程序如下：

（3）需要修改权限密码时，高级别权限可以修改低权限密码，本文使用了WriteRegedit函数。脚本程序如下：

4 应用

本文以浙江省龙游电厂除氧控制系统为例，该系统采用组态软件设计的人机界面，实现了动态实时监控功能。系统平均无故障运行时间超过760h，可满足生产需要，且易于操作，同时提高了设备自动化程度，提升了生产效率，有效避免了电力生产安全事故的发生[21]。现场监控界面如图3所示。

5 结语

通过对现场工艺流程与生产过程的分析，并结合系统控制要求，本文使用组态王作为上位机监控软件、SIMATIC NET作为系统通讯网络，开发了一套除氧监控系统。经实际验证，该系统可实现实时监控、报表查询、密码保护等功能，而且SIMATIC网络工业通信系统的应用可以保证上位机与下位机之间快速、稳定的通信，提高了生产效率，因而具有广阔的市场前景。

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（责任编辑：黄 健）