郝 斌，呂玉祥，閆憲峰

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030009)

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基于組態(tài)王和PLC的乙烯生成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

郝 斌1，2，呂玉祥1，閆憲峰2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030009)

通過(guò)西門(mén)子PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際反應(yīng)爐內(nèi)溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，同時(shí)利用組態(tài)王設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面(HMI)，可顯示歷史溫度曲線，實(shí)時(shí)溫度曲線和理論溫度曲線。并利用Visual Basic軟件畫(huà)出理論溫度曲線，并能從組態(tài)王中提取數(shù)據(jù),最終把圖像傳回組態(tài)王中。通過(guò)串口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作方便。

組態(tài)王；PLC；Visual Basic

乙烯是世界上產(chǎn)量最大的化學(xué)產(chǎn)品之一，乙烯工業(yè)是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心，乙烯產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的75%以上。乙烯主要作用：農(nóng)業(yè)上用作果實(shí)催熟劑，工業(yè)上用于制造合成橡膠、合成樹(shù)脂、合成纖維、塑料以及制聚乙烯、聚氯乙烯、醋酸等。在乙醇脫水制乙烯的反應(yīng)過(guò)程中，由于溫度的不同，生成的乙烯會(huì)產(chǎn)生不同的副產(chǎn)物，溫度控制極為重要。溫度控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此，要求系統(tǒng)具有更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。所以，本文所論述的乙烯生成系統(tǒng)的過(guò)程控制是具有很大應(yīng)用價(jià)值的。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 工藝流程

乙烯生成反應(yīng)過(guò)程是乙醇在催化劑氧化鋁存在下高溫發(fā)生脫水反應(yīng)，生成乙烯[1]。首先集氣瓶中加滿水，向系統(tǒng)通入氮?dú)獯祾吆箨P(guān)閉閥門(mén)；接著將新鮮的乙醇原料加入蒸發(fā)器中，催化劑氧化鋁加入反應(yīng)爐中，加熱反應(yīng)爐，將導(dǎo)熱油溫控制在430 ℃±2.5 ℃；待反應(yīng)爐溫度達(dá)到380 ℃后，維持此溫度20分鐘，以活化催化劑氧化鋁，打開(kāi)蒸汽加熱器，通過(guò)冷卻循環(huán)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使蒸發(fā)器內(nèi)溫度控制在100 ℃±2.5 ℃，反應(yīng)爐內(nèi)溫度控制在420 ℃±2.5 ℃[2]；當(dāng)緩沖器中溴水褪色，即色敏傳感器報(bào)警，關(guān)閉緩沖器，打開(kāi)進(jìn)入冷凝器的開(kāi)關(guān)，產(chǎn)物經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入氣液分離器，最后開(kāi)乙烯收集器出水閥，收集乙烯。

此系統(tǒng)自動(dòng)化程度很高，每個(gè)反應(yīng)容器都可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)的切換，配有急停裝置，為安全考慮，整個(gè)系統(tǒng)外放置乙烯檢測(cè)儀，防止乙烯泄露。

1.2 控制器功能

1) 反應(yīng)爐可通過(guò)上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)操作(手動(dòng)操作)；

2) 接觸器、熱保護(hù)故障將報(bào)警；

3) 各種故障所帶來(lái)的停機(jī)，自動(dòng)運(yùn)行將終止，故障排除后，自動(dòng)將順延運(yùn)行；

4) 在上位機(jī)界面上顯示工藝流程圖，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)操作；

5) 顯示-具設(shè)置過(guò)程:圖樣顯示/文字說(shuō)明、過(guò)程曲線圖、柱狀圖；

6) 實(shí)時(shí)監(jiān)看過(guò)程-可直接查看過(guò)程控制過(guò)程中的參數(shù)及曲線，提高過(guò)程可見(jiàn)度；

7) 警報(bào)模式-警報(bào)狀態(tài)產(chǎn)生時(shí)，LCD畫(huà)面將實(shí)時(shí)顯示紅色背光；

8) 數(shù)據(jù)收集功能-可記錄歷史數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)；

9) 設(shè)定時(shí)間-使用編程軟件規(guī)劃所需控制流程。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

乙烯的質(zhì)量受到溫度值的影響，這就對(duì)系統(tǒng)的控制提出了較高的要求。如果用人工控制的話，很難保證溫度的精準(zhǔn)，而且因人不同會(huì)造成工藝指標(biāo)執(zhí)行時(shí)的差異，而用PLC結(jié)合組態(tài)的綜合控制可以解決這些問(wèn)題。根據(jù)上述情況，決定利用PLC和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

上位機(jī)上安裝上組態(tài)軟件，通過(guò)組態(tài)軟件在屏幕上顯示各種信號(hào)變化與下位機(jī)組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)與下位機(jī)，通過(guò)PPI進(jìn)行通信。這種組合控制功能強(qiáng)大，可利用資源豐富，系統(tǒng)精細(xì)。硬件電路分為兩部分，一部分為PLC控制電路，一部分為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制電路。在遠(yuǎn)程控制中PLC作為下位機(jī)，控制電機(jī)、加熱棒和變頻器的啟動(dòng)和停止，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以及溫度的采集，并接收各器件的反饋信號(hào)。組態(tài)王作為現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警、手動(dòng)控制電機(jī)、加熱棒和變頻器的起停等重要功能(如圖1)。

圖1 控制系統(tǒng)組成

3 監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括上位監(jiān)控軟件，下位PLC控制軟件和下位人機(jī)界面觸摸屏軟件等幾個(gè)方面。上位監(jiān)控主要采用“ KingView”組態(tài)軟件編寫(xiě)，組態(tài)王提供一個(gè)完善的人機(jī)交互平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)既可以設(shè)置一些系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，也可以觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。下位機(jī)主要是PLC控制程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，主要包括模擬量、開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，下位機(jī)與觸摸屏控制面板的通訊等[3]。

3.1 組態(tài)王設(shè)計(jì)

組態(tài)王由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器(TouchExplore)、畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)(Touchview)三大部分組成。

圖2為本設(shè)計(jì)的主界面，顯示整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線，目標(biāo)曲線，報(bào)警界面。各個(gè)界面的按鈕始終存在，可以及時(shí)的按到急停按鈕。

報(bào)警畫(huà)面采用彈出式，有報(bào)警時(shí)彈出?？梢钥刂剖謩?dòng)、自動(dòng)。這種彈出式畫(huà)面可以大大節(jié)省畫(huà)面空間，使畫(huà)面簡(jiǎn)潔，使用方便。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

變量設(shè)置如表1。

表1 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置

3.2 目標(biāo)趨勢(shì)圖的設(shè)計(jì)

3.2.1 畫(huà)目標(biāo)趨勢(shì)圖的總體思路

本設(shè)計(jì)由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的組態(tài)王6.53軟件從西門(mén)子S7-200PLC中接收數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。組態(tài)王把接收到的數(shù)據(jù)利用DDE存入Excel中，Visual Basic6.0從Excel中提取數(shù)據(jù)畫(huà)出目標(biāo)趨勢(shì)圖，再利用DDE傳送回組態(tài)王中(如圖3)。

圖3 目標(biāo)趨勢(shì)圖生成流程

由于組態(tài)王軟件只能顯示實(shí)時(shí)曲線圖，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行調(diào)整，而且也不能明顯地看出實(shí)時(shí)曲線與理論曲線的差距。所以，利用Visual Basic設(shè)計(jì)一個(gè)目標(biāo)曲線圖控件可以同時(shí)顯示理論曲線和實(shí)時(shí)曲線，使用戶便于觀察。

3.2.2 組態(tài)王與第三方軟件的互聯(lián)

組態(tài)王能與VB，VC，Excel，matlab等軟件進(jìn)行DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，能用OPC方式通信互聯(lián)，能與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS連接。

DDE是WINDOWS平臺(tái)上的一個(gè)完整的通信協(xié)議，在客戶機(jī)和服務(wù)器程序間通過(guò)互相傳遞消息進(jìn)行“對(duì)話”，它允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的應(yīng)用程序之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。而且當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)不需要用戶參與就可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。更重要的是，要實(shí)施DDE協(xié)議，應(yīng)用程序僅需要與操作系統(tǒng)接口，而應(yīng)用程序之間無(wú)需接口，這種靈活的特性使DDE成為Windows應(yīng)用程序普遍支持的一種接口協(xié)議。

1) 組態(tài)王通過(guò)DDE與Excel程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

Excel程序從組態(tài)王中獲得數(shù)據(jù)。首先在組態(tài)王中建立變量，并設(shè)置允許DDE訪問(wèn)。創(chuàng)建Excel數(shù)據(jù)表格，輸入訪問(wèn)組態(tài)王變量的連接語(yǔ)句。選擇“A1”單元格按如下格式輸入DDE連接語(yǔ)句“=VIEW|TAGNAME!PLC.V0”。

2) 組態(tài)王通過(guò)DDE與Visual Basic 程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

Visual Basic中的MSChart控件是一個(gè)功能強(qiáng)大的高級(jí)圖表工具，擁有豐富的圖表繪制功能，用它可以顯示二維和三維的棒圖、區(qū)域圖、線形圖、餅圖等多種常用圖表。

用MSChart繪制Excel圖表。添加MSChart控件拖動(dòng)到窗體里，生成初始圖表，并調(diào)整其屬性，用“工程”菜單中的“引用”命令，將程序連接到“Mirosoft Excel 9.0 Object Library”(Excel對(duì)象庫(kù))。

預(yù)期效果如圖4。

圖4 預(yù)期效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。PID閉環(huán)控制算法在控制系統(tǒng)中有良好的效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在HMI設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。 在西門(mén)子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。

[1] 顧志華.乙醇制乙烯技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].化工進(jìn)展，2006，25(8):847-851.

[2] 黎穎，陳曉春，孫巍，等.γ-Al2O3催化劑上乙醇脫水制乙烯的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,34(5)：3-6.

[3] 北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王6.5產(chǎn)品介紹[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，助理工程師，主要研究方向：自動(dòng)化技術(shù)。

1674-4578(2016)05-0076-03

TP 311.5

A