張剛， 王化建， 辛生， 樊福杰

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，山東 日照 276826)

基于S7-300PLC的有機(jī)硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

張剛， 王化建， 辛生， 樊福杰

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，山東 日照 276826)

隨著集成電路與數(shù)字電路的不斷發(fā)展，PLC在功能、處理速度、智能化以及通信等方面都變得日益強(qiáng)大，被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域。其中化工行業(yè)的有機(jī)硅材料生產(chǎn)工藝，無(wú)論是原料、副產(chǎn)品、中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)品，涉及多種易燃、易爆、腐蝕性化學(xué)物品，對(duì)溫度、壓力、液位等參數(shù)要求很高。利用西門(mén)子S7-300PLC為核心設(shè)計(jì)出有機(jī)硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于提高生產(chǎn)率、控制精度、安全性能、企業(yè)效益等有重要的意義。

電路；PLC；化工；有機(jī)硅；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái)，有機(jī)硅作為一種新型的高科技材料，被廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、建筑、紡織、醫(yī)藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域，成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高不可或缺的新型材料?，F(xiàn)階段我國(guó)有機(jī)硅工業(yè)仍處于初級(jí)階段，廠家雖多但規(guī)模小、種類不全。生產(chǎn)過(guò)程多采用模擬儀表與繼電器邏輯控制系統(tǒng)，需要操作人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和調(diào)試，不僅控制水平低、控制精度差，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、運(yùn)行成本高，不利于企業(yè)的發(fā)展。為解決上述問(wèn)題，我們以西門(mén)子S7-300高性能PLC作為控制器[1]，利用計(jì)算機(jī)、傳感器、上位機(jī)組態(tài)、變頻器、控制閥等構(gòu)建“監(jiān)、管、控”于一體的有機(jī)硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

有機(jī)硅生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)(DCS)作為設(shè)計(jì)模型，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，生產(chǎn)車(chē)間主要有氯丙基硅烷(γ1)生產(chǎn)車(chē)間和硅酸乙酯生產(chǎn)車(chē)間以及材料罐區(qū)車(chē)間，共涉及氯丙基硅烷的合成、精餾，硅酸乙酯的合成、水解，尾氣處理等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)[2]。需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備及監(jiān)測(cè)類型如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)的設(shè)備及監(jiān)測(cè)類型

系統(tǒng)的整體方案為：首先，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)要求安裝相應(yīng)的溫度、液位、壓力傳感器，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)顯示并轉(zhuǎn)為4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)上傳至PLC內(nèi)[3]。PLC將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)線、交換機(jī)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議上傳至辦公室和監(jiān)控室工控機(jī)，通過(guò)上位機(jī)程序可以實(shí)現(xiàn)在線顯示、參數(shù)報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、反饋控制信號(hào)等功能。除此之外，PLC通過(guò)下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)程序和PID算法產(chǎn)生控制信號(hào)給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如變頻器、電磁閥、電動(dòng)閥等從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度、壓力、液位的穩(wěn)定。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝有聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，可有效避免系統(tǒng)中下位機(jī)與上位機(jī)通信線路出現(xiàn)故障時(shí)不能正常監(jiān)控車(chē)間生產(chǎn)狀況的問(wèn)題。

在保證整個(gè)PLC控制系統(tǒng)與生產(chǎn)工藝流程兼容的前提下，以安全、穩(wěn)定、可靠、創(chuàng)新為設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要分為監(jiān)測(cè)功能和控制功能。監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)主要是由PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)讀取PLC內(nèi)部的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)PLC的控制程序，把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)程序轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)，進(jìn)而去控制各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制流程圖如圖2所示。

圖2 PLC控制流程圖

2.1 監(jiān)測(cè)功能

監(jiān)測(cè)功能主要實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅各個(gè)生產(chǎn)車(chē)間工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行在線顯示、數(shù)據(jù)報(bào)警、歷史查詢等功能，由于所有車(chē)間的工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)原理都是一樣的，我們就以硅酸乙酯生產(chǎn)車(chē)間中的酯化釜為例。首先根據(jù)要求在硅酸乙酯酯化釜釜體安裝溫度傳感器(TG)、壓力傳感器(PG)和液位傳感器(LG)，由于所有原料都屬于易燃易爆物品，因此傳感器均用本安ia-Ⅱ-CT4防爆級(jí)別。在這之后，傳感器根據(jù)各自采集原理采集釜內(nèi)和的溫度、壓力、液位并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示，與此同時(shí)傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA電流信號(hào)，傳至PLC模擬量模塊，電流信號(hào)經(jīng)開(kāi)發(fā)的程序運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為具體的溫度、壓力、液位數(shù)值，通過(guò)TCP/IP協(xié)議上傳至工控機(jī)，再由上位機(jī)對(duì)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)王的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位在線顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。酯化釜監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

除此之外，工人在生產(chǎn)過(guò)程中需要通過(guò)氮?dú)庠鰤旱姆绞綄⒎磻?yīng)完全的物料或產(chǎn)品從罐、釜導(dǎo)出，因此在壓力傳感器與罐、釜之間加裝手動(dòng)閥門(mén)，增壓倒料前人工關(guān)閉手動(dòng)閥門(mén)排除壓力誤報(bào)警。

圖3 酯化釜監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

2.2 控制功能

控制功能主要包括數(shù)字量控制和模擬量控制。數(shù)字量控制主要是對(duì)繼電器或者開(kāi)關(guān)，比如像精餾過(guò)程中精餾釜與精餾塔之間的視鏡位置安裝液位開(kāi)關(guān)，一旦液位超過(guò)1.57 m，液位開(kāi)關(guān)量信號(hào)就會(huì)上傳到PLC，PLC接收到信號(hào)后會(huì)通過(guò)繼電器關(guān)閉入料閥門(mén)并鎖死，防止入料過(guò)多出現(xiàn)沸塔造成危險(xiǎn)。模擬量的控制主要是對(duì)變頻器和電動(dòng)閥，我們以酯化釜循環(huán)水壓力的變頻控制為例。在這之前循環(huán)水電機(jī)都是滿負(fù)荷運(yùn)行，是通過(guò)操作人員不斷調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定的，該運(yùn)行模式危險(xiǎn)系數(shù)大、電能損耗嚴(yán)重、人工耗時(shí)長(zhǎng)。因此我們安裝壓力傳感器實(shí)時(shí)采集循環(huán)水管道壓力，并作為PLC中PID控制器的輸入信號(hào)，將當(dāng)前壓力與設(shè)定值相比較，以其偏差及偏差變化率作為自整定判據(jù)對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行自整定，把最終整定的結(jié)果通過(guò)模擬量模塊轉(zhuǎn)化為4 mA～20mA電流給變頻器，變頻器通過(guò)不斷改變頻率自動(dòng)的控制循環(huán)水壓力的穩(wěn)定，控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 循環(huán)水壓力變頻控制結(jié)構(gòu)

2.3 PID控制器的無(wú)擾切換

在對(duì)有機(jī)硅進(jìn)行自動(dòng)化控制的時(shí)候在很多地方用到了PID控制，比如精餾釜的溫度是通過(guò)PID算法控制蒸汽電動(dòng)閥調(diào)節(jié)的。在進(jìn)行控制時(shí)，我們有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)一開(kāi)始設(shè)定值與實(shí)際值的差距是比較大的，如果僅僅依靠控制器本身調(diào)節(jié)，會(huì)發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)波動(dòng)較大，這時(shí)候一般先采取手動(dòng)模式(MAN)，當(dāng)實(shí)際值無(wú)限接近于設(shè)定值時(shí)再切換到自動(dòng)模式(AUTO)，控制效果會(huì)有很大的提升。在進(jìn)行模式切換時(shí)，我們需要保證切換不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大影響，即實(shí)現(xiàn)PID控制器的無(wú)擾切換[4]。要實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換需要PID控制器的輸出跟蹤手動(dòng)模式的輸出，滿足公式：

uMAN(t-) =uPID(t-)

(1)

在切換到自動(dòng)模式時(shí)，控制器實(shí)際輸出變?yōu)椋?/p>

uPID(t+)=uP(t+)+uI(t+)+uD(t+)

(2)

通過(guò)(1)和(2)，我們發(fā)現(xiàn)，只要滿足：

uPID(t+)≈uMAN(t-)

(3)

即自動(dòng)模式下的PID控制器輸出與手動(dòng)模式下(切換前)的輸出基本保持一致即可。為此，我們令積分項(xiàng)通過(guò)公式(4)進(jìn)行更新：

uI(t+)=uMAN(t-)-uP(t-)-uD(t-)

(4)

比例與微分仍然按照誤差做運(yùn)算。這樣，一旦切換到自動(dòng)模式，按照公式(2)和公式(4)可以得出：

uPID(t+)=uMAN(t-)-uP(t-)-
uD(t-)+uP(t+)+uD(t+)

(5)

將以公式(5)轉(zhuǎn)化為算法放在控制器里，這樣當(dāng)通過(guò)軟件或硬件轉(zhuǎn)換手動(dòng)/自動(dòng)操作模式時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)PID控制器從手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾切換。

圖5給出了PID手動(dòng)/自動(dòng)模式切換的方框圖。在圖中，我們可以看到在手動(dòng)模式下，PID控制器要跟蹤手動(dòng)模式的輸出，原始積分項(xiàng)先設(shè)定為零，手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)Tm表示手動(dòng)操作器調(diào)節(jié)的快慢。與此相同，手動(dòng)操作模式也要跟蹤自動(dòng)模式下的輸出，跟蹤時(shí)間常數(shù)為T(mén)r。這樣無(wú)論在什么時(shí)候進(jìn)行模式切換，都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大影響。

圖5 控制器手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾切換

2.4 上位機(jī)的研發(fā)

上位機(jī)軟件采用目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的組態(tài)王kingview 6.55進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該軟件功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)。通過(guò)豐富的控件庫(kù)就可以完成數(shù)據(jù)的畫(huà)面顯示、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)曲線、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等功能的實(shí)現(xiàn)[5]。在這里我們上位機(jī)程序主要包括四大部分：分別是連接程序設(shè)計(jì)，前臺(tái)展示程序設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)/歷史報(bào)警程序設(shè)計(jì)，歷史數(shù)據(jù)查詢程序設(shè)計(jì)。

(1)連接程序設(shè)計(jì)：該程序主要完成對(duì)上位機(jī)通信口、波特率、數(shù)據(jù)類型及通信協(xié)議的設(shè)定，保證其能夠正常與下位機(jī)鏈接并順利通信，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確采集下位機(jī)寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)并返回修改信號(hào)。

圖6 工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面

(2)前臺(tái)展示程序設(shè)計(jì)：該程序主要包括工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面如圖6所示和工藝參數(shù)歷史曲線畫(huà)面，能夠完成對(duì)設(shè)備和工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)在線顯示以及工藝參數(shù)的歷史曲線顯示。多屏幕融合顯示的工作方式，保證對(duì)生產(chǎn)車(chē)間各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)一目了然。

圖7 實(shí)時(shí)報(bào)警畫(huà)面

(3)實(shí)時(shí)報(bào)警程序設(shè)計(jì)：該程序主要完成車(chē)間設(shè)備、工藝參數(shù)(主要為：溫度、壓力，液位)高低限實(shí)時(shí)報(bào)警如圖7所示。通過(guò)醒目閃爍提示存在報(bào)警，開(kāi)發(fā)詳細(xì)報(bào)警窗口提示出現(xiàn)報(bào)警的設(shè)備與報(bào)警類型。

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢畫(huà)面

(4)歷史數(shù)據(jù)查詢程序設(shè)計(jì)：該程序主要完成對(duì)車(chē)間設(shè)備、工藝參數(shù)的保存及查詢?？梢酝ㄟ^(guò)控件按設(shè)備或者日期查詢歷史數(shù)據(jù)如圖8所示，方便廠家日后查詢以往的數(shù)據(jù)以便根據(jù)參數(shù)對(duì)生產(chǎn)工藝作出調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文立足于有機(jī)硅的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，通過(guò)S7-300PLC、計(jì)算機(jī)、傳感器以及各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)完成了基于S7-300PLC的有機(jī)硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，完成了對(duì)有機(jī)硅生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。事實(shí)證明，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)后安全、穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)效果好，控制精度高，無(wú)論是生產(chǎn)質(zhì)量還是生產(chǎn)效率都有了很大的進(jìn)步，具有很好的市場(chǎng)推廣前景。

[1] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 來(lái)國(guó)橋,幸松民.有機(jī)硅產(chǎn)品合成工藝及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[3] 劉華波,何文雪,王雪.西門(mén)子S7-300/400PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4] 鄭輯光,韓九強(qiáng),楊清宇.過(guò)程控制系統(tǒng) [M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[5] 韓曉新.從基礎(chǔ)到實(shí)踐：PLC與組態(tài)王[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

An Organic Silicon Production Monitoring System Based on S7-300PLC

Zhang Gang, Wang Huajian, Xin Sheng, Fan Fujie

(College of Engineering, Qufu Normal University, Rizhao Shandong 276826, China)

With continuous development of integrated circuit and digital circuit, PLC is growing mightier from day to day in the respect of function, processing speed, intelligence and communication, and is now widely applied in various production fields. In the chemical industry, production process of organic silicon materials, regardless of raw materials, by-products, intermediate and final products, involves a variety of flammable, explosive and corrosive chemicals, has a high requirement for such parameters as temperature, pressure and liquid level. On this basis, we will use Siemens S7-300 PLC as the core to design a production monitoring system for organic silicon. The system is significant to the enhancement of productivity, accuracy control, safety performance and enterprise revenue.

circuit; PLC; chemical industry; organic silicon; monitoring system

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.030

TP273

A

1000-3886(2017)01-0101-03

張剛(1991-)，男，山東濰坊人，研究生，從事工業(yè)自動(dòng)化研究。 王化建(1972-)，男，山東泗水人，研究生，從事計(jì)算機(jī)控制研究。 辛生(1990-)，男，山東泗水人，研究生，從事工業(yè)自動(dòng)化研究。 樊福杰(1990-)，男，山東濱州人，研究生，從事測(cè)控技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-06-16