閆茂里，鮑春輝，高同賀，秦忠凱，趙樹超，李慶卓

(1.山東凱斯達(dá)機(jī)械制造有限公司，山東 濟(jì)寧 272000; 2.濟(jì)寧市機(jī)械設(shè)計研究院，山東 濟(jì)寧 272000; 3.山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)寧 272000)

精煉車間是植物油廠非常重要的車間，精煉車間把從浸出車間輸送來的原油精煉為成品油，是食用油由半成品轉(zhuǎn)變?yōu)槌善返闹匾h(huán)節(jié)。精煉車間內(nèi)眾多電氣設(shè)備和自控儀表在整個車間的特殊作用，使得針對電氣設(shè)備和自控儀表的控制顯得尤其重要，選擇一套優(yōu)良的自動控制系統(tǒng)可以保障整個精煉車間的順利生產(chǎn)，還可以降低氣耗、電耗、水耗等，從而降低精煉車間生產(chǎn)成本。目前，精煉車間自動控制系統(tǒng)采用工業(yè)計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，工業(yè)計算機(jī)自動控制系統(tǒng)的實質(zhì)是利用計算機(jī)技術(shù)和自動化技術(shù)對糧油生產(chǎn)過程進(jìn)行集中操作、監(jiān)控、管理的一種自動控制系統(tǒng)，具有單路閉環(huán)不可比擬的優(yōu)越性[1]。當(dāng)前精煉車間自動控制系統(tǒng)大多用S7-300 PLC作為下位機(jī)，WINCC V7.3作為上位機(jī)組態(tài)軟件，而隨著精煉車間生產(chǎn)工藝指標(biāo)的不斷提高，這兩者結(jié)合作為精煉車間自動控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要?；诖?， 本文提出用西門子S7-1500 PLC作為精煉車間自動控制系統(tǒng)的下位機(jī)，WINCC V7.4作為精煉車間自動控制系統(tǒng)的上位機(jī)，把S7-1500 PLC和WINCC V7.4兩者結(jié)合起來構(gòu)建精煉車間自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)精煉車間遠(yuǎn)程操作、運(yùn)行監(jiān)控、報警指示、生產(chǎn)參數(shù)歸檔查詢等功能，從而滿足生產(chǎn)過程的各種需要。本文就該系統(tǒng)主要設(shè)計內(nèi)容，包括控制系統(tǒng)硬件組態(tài)、控制系統(tǒng)程序、WINCC V7.4上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等的設(shè)計進(jìn)行介紹，以供參考。

1 精煉車間自動控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

1.1 自動控制系統(tǒng)主站硬件組態(tài)

精煉車間自動控制系統(tǒng)分為主站和分布式從站，S7-1500 PLC的CPU1516-3 PN/DP作為自動控制系統(tǒng)主站。主站在整個自動控制系統(tǒng)中起承上啟下的作用, 主要用于對模塊數(shù)據(jù)的采集、處理以及與分布式從站之間的數(shù)據(jù)傳送和交換[2]。在TIA Portal V15.1軟件中打開硬件組態(tài)窗口，在0號機(jī)架中添加硬件，在硬件組態(tài)窗口右側(cè)的硬件目錄中選擇CPU的硬件CPU1516-3 PN/DP，放到0號機(jī)架的1號插槽內(nèi)。CPU1516-3 PN/DP帶有2個PROFINET接口和1個DP接口，通過以太網(wǎng)口可以和上位機(jī)數(shù)據(jù)通信，通過DP接口可以和變頻器、儀表等支持DP通信方式的電氣設(shè)備和智能儀表進(jìn)行DP通信。

1.2 自動控制系統(tǒng)分布式從站硬件組態(tài)

精煉車間自動控制系統(tǒng)共有4個分布式從站，分別為1#～4#分布式從站。

1#分布式從站占用1#機(jī)架，分別在1#機(jī)架內(nèi)放置1個接口模塊、8個DO模塊、20個DI模塊。1#分布式從站所用的接口模塊型號是IM 155-6 PN ST，帶有2個PROFINET接口，IM 155-6 PN ST通過PROFINET接口與CPU1516-3 PN/DP連接。DO模塊型號是DQ 16×24VDC/0.5A ST，有16個輸出通道，并且每個輸出通道輸出電壓是24 VDC，輸出電流是 0.5 A。DI模塊型號是DI 16×24VDC ST，有16個輸入通道，并且每個輸入通道輸入電壓是24 VDC。

2#分布式從站占用2#機(jī)架，分別在2#機(jī)架內(nèi)放置1個接口模塊、5個DO模塊、2個DI模塊，19個AI模塊。接口模塊型號是IM 155-6 PN ST。DO模塊型號是DQ 16×24VDC/0.5A ST。DI模塊型號是DI 16×24VDC ST。AI模塊型號是AI 4×1 2-,4-wire ST，它有4個輸入通道，并且每個輸入通道可以接2線制或4線制儀表。

3#分布式從站占用3#機(jī)架，分別在3#機(jī)架內(nèi)放置1個接口模塊、24個AI模塊、2個AO模塊。接口模塊型號選用IM 155-6 PN ST。AI模塊型號為AI 4×1 2-,4-wire ST。AO模塊型號為AQ 4×U/I ST，有4個輸出通道，可以輸出1～5 VDC電壓信號或4～20 mADC電流信號。

4#分布式從站占用4#機(jī)架，分別在4#機(jī)架內(nèi)放置1個接口模塊、5個DQ模塊、8個DI模塊、13個AI模塊、2個AO模塊。接口模塊型號選用IM 155-6 PN ST。DQ模塊型號為DQ 16×24VDC/0.5 A ST。DI模塊型號是DI 16×24VDC ST。AI模塊型號是AI 4×1 2-,4-wire ST。AO模塊型號為AQ 4×U/I ST。

1.3 自動控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

整個自動控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)包括主站(包括PROFIBUS-DP主站系統(tǒng))與1#～4#分布式從站之間的通信。主站CPU1516-3 PN/DP通過接口模塊IM 155-6 PN ST與1#～4#分布式從站進(jìn)行通信，然后用網(wǎng)線連接主站和分布式從站的PROFINET接口，這樣即可將它們連接起來進(jìn)行通信。CPU1516-3 PN/DP通過其DP接口與精煉車間內(nèi)的23臺變頻器進(jìn)行通信，可以讀取變頻器的電流、頻率、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。每個變頻器的終端電阻插入通信卡內(nèi)，通過DP通信電纜把所有變頻器連接起來，然后再與CPU1516-3 PN/DP的DP接口連接起來。通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中為每個變頻器賦予一個網(wǎng)絡(luò)地址，通過網(wǎng)絡(luò)地址可以找到這個變頻器并讀取其各種參數(shù)信息。

2 精煉車間自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1 自動控制系統(tǒng)軟件的程序構(gòu)成

精煉車間自動控制系統(tǒng)程序包括組織塊OB、功能塊FB、功能塊FC、數(shù)據(jù)塊DB等，其中組織塊OB、功能塊FB是整個自動控制系統(tǒng)程序的核心。

2.2 組織塊OB構(gòu)成

組織塊OB主要由循環(huán)中斷組織塊(OB35、OB30、OB31)、硬件中斷組織塊(OB40)、主組織塊(OB1)、時間錯誤中斷組織塊(OB80)等組成。OB1是整個程序的核心，OB1調(diào)用功能塊FB、功能塊FC、數(shù)據(jù)塊DB并完成各個程序塊的功能[3]。循環(huán)中斷組織塊OB35內(nèi)存放溫度、壓力、流量、液位等類型的PID閉環(huán)控制功能塊，每200 ms循環(huán)調(diào)用一次。

OB1的程序段1包含功能塊FC1、FC3、FC4。FC1命名為Motor_JL，為電機(jī)控制程序。FC3命名為Valve_JL,TL,為氣動切斷閥控制程序。FC4命名為Current_JL,為電機(jī)電流顯示及報警程序。

2.3 功能塊FB構(gòu)成

功能塊FB是由用戶自己編寫的程序模塊，其擁有自己的存儲區(qū)即背景數(shù)據(jù)塊DB，既可以調(diào)用功能塊FB、FC，也可以被組織塊OB、功能塊FB和FC調(diào)用。控制系統(tǒng)軟件程序所包含的功能塊FB有Mean[FB6]、Motor[FB1]、Motor_ZF1[FB2]、Motor_ZF2[FB3]、Valve[FB4]、Valve2[FB5]、白土定量[FB21]、電機(jī)上次運(yùn)行時間[FB9]、電機(jī)運(yùn)行次數(shù)[FB8]、電機(jī)運(yùn)行時間[FB7]。Mean[FB6]是數(shù)據(jù)處理功能塊，主要包括數(shù)據(jù)搬運(yùn)、求和、算術(shù)平均等程序段。Motor[FB1]是電機(jī)控制功能塊，主要包括電機(jī)控制、切換設(shè)置、切換輸出、應(yīng)答計時等程序段。Motor_ZF1[FB2]是電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制功能塊，主要包括電機(jī)控制、電機(jī)反轉(zhuǎn)控制、切換設(shè)置、切換輸出、應(yīng)答計時等程序段。Motor_ZF2[FB3]也是電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制功能塊。Valve[FB4]是氣動閥門功能塊，主要包括閥門、控制狀態(tài)、閥門狀態(tài)等程序段。Valve2[FB5]也是氣動閥門功能塊。白土定量[FB21]是白土定量功能塊，主要包括定量筒體積計算、流量處理、閥門控制等程序段。電機(jī)上次運(yùn)行時間[FB9]是記錄電機(jī)上次運(yùn)行時間的功能塊。電機(jī)運(yùn)行次數(shù)[FB8]是累計電機(jī)運(yùn)行次數(shù)的功能塊。電機(jī)運(yùn)行時間[FB7]是累計電機(jī)運(yùn)行時間的功能塊。

2.4 采用TIA Portal V15.1軟件實現(xiàn)PID自整定

TIA Portal V15.1軟件本身帶有PID自整定功能，在TIA Portal V15.1軟件的左側(cè)工藝對象菜單下某一路閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，雙擊組態(tài)再選中控制器，首先對PID的初始值賦值。在基本設(shè)置中，將MODE控制模式改為自動控制模式，當(dāng)這些都設(shè)置完成后，先保存再編譯，最后將程序下載至PLC中，下載完成后，雙擊左側(cè)工藝對象中調(diào)試，進(jìn)入調(diào)試界面。

在調(diào)試界面，點擊開始采樣，選擇預(yù)調(diào)節(jié)模式，在下方設(shè)定值設(shè)定觸發(fā)信號，例如設(shè)置為50，然后點擊開始預(yù)調(diào)節(jié)，過一段時間后，若自整定曲線發(fā)生震蕩現(xiàn)象，需要再進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。選擇精細(xì)調(diào)節(jié)，點擊開始，幾分鐘后曲線趨于平緩，系統(tǒng)開始穩(wěn)定，這時點擊上傳PID調(diào)試的離線參數(shù)。再回到高級設(shè)置，查看PID具體的參數(shù)設(shè)置，點擊保存，下載到PLC中，PID自整定調(diào)試即可完成。PID自整定后的最終值與PID的初始值賦值不同，經(jīng)過PID的自整定后最終的PID值可以使這一路的PID調(diào)節(jié)效果最優(yōu)、超調(diào)量更小，從而節(jié)省人工整定PID參數(shù)的時間。

3 WINCC V7.4上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

精煉車間有多個生產(chǎn)工序，由WINCC V7.4組態(tài)精煉車間生產(chǎn)操作畫面包括以下幾個工序：水化脫膠工序、中和工序、干燥脫色工序、葉片過濾機(jī)過濾工序、脫臭捕集工序、公共系統(tǒng)、磷脂濃縮工序、外圍罐區(qū)等。以下截取組態(tài)畫面的幾個部分介紹采用WINCC V7.4作為上位機(jī)組態(tài)畫面的相關(guān)內(nèi)容。

3.1 4#～6#水化反應(yīng)罐組態(tài)畫面

4#～6#水化反應(yīng)罐屬于水化脫膠工序，其組態(tài)畫面中可以顯示電機(jī)電流、變頻器頻率給定值、變頻器頻率反饋值(見圖1)。6#水化反應(yīng)罐起動后綠色的風(fēng)扇會轉(zhuǎn)動，表示電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)。在6#水化反應(yīng)罐底部安裝了熱電阻，實時顯示罐底溫度，當(dāng)實際溫度大于設(shè)定溫度時背景顏色變成紅色，可以提醒中控室操作人員注意溫度已超限。

圖1 4#～6#水化反應(yīng)罐組態(tài)畫面

3.2 電機(jī)控制組態(tài)畫面

所有電機(jī)可以集中在一個畫面中操作，這樣集中操作更方便，具體見圖2。

圖2 電機(jī)控制組態(tài)畫面

點擊圖2中某一個電機(jī)會彈出一個對話框，在對話框中點擊啟動設(shè)備電機(jī)就會啟動，點擊停止設(shè)備電機(jī)就會停止。點擊控制切換按鈕會彈出對話框選擇是PLC控制還是控制柜控制，當(dāng)選擇PLC控制可以點擊對話框內(nèi)啟動設(shè)備或者停止設(shè)備操作電機(jī)，當(dāng)選擇控制柜控制可以在配電室控制柜上啟動設(shè)備或者停止設(shè)備。如果現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要停機(jī)可以點擊對話框中的緊急停止，這樣現(xiàn)場設(shè)備就會停機(jī)，進(jìn)而可以保護(hù)人身安全和降低事故的發(fā)生概率。

3.3 溫度閉環(huán)控制組態(tài)畫面

圖3為溫度閉環(huán)控制組態(tài)畫面。如圖3所示，溫度閉環(huán)控制組態(tài)畫面對話框中設(shè)定值(SP)是87℃，實際值(PV)是86℃，設(shè)定值與實際值之間相差1℃，能夠滿足控制要求。點擊對話框中的手動按鈕并在手動輸入值中輸入設(shè)定值，氣動調(diào)節(jié)閥就會打開。當(dāng)點擊對話框中的自動按鈕，氣動調(diào)節(jié)閥就會根據(jù)設(shè)定值與實際值之間的差值大小而動作。在自動狀態(tài)下可以不斷修正比例參數(shù)(KP)、積分參數(shù)(I)、微分參數(shù)(D)的值，使設(shè)定值與實際值之間差值不斷減小。

圖3 溫度閉環(huán)控制組態(tài)畫面

3.4 報警歷史記錄組態(tài)畫面

報警歷史記錄組態(tài)畫面包含模擬量的報警信息，報警畫面記錄了變量的運(yùn)行歷史記錄，可以提前預(yù)測控制系統(tǒng)的故障狀態(tài)和故障條件，保障控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行[4]。通過查詢報警歷史記錄可以知道變量在某段時間的運(yùn)行情況，這對生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

針對精煉車間工藝特點，本文闡述了精煉車間自動控制系統(tǒng)設(shè)計的過程，在硬件組態(tài)中介紹了主站、分布式從站、通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的過程，這種硬件組態(tài)方式可以加快網(wǎng)絡(luò)通信速度，提升數(shù)據(jù)讀取速度，也適用于遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)通信。采用WINCC V7.4作為上位機(jī)組態(tài)畫面可以方便中控室操作人員操作，可以實現(xiàn)精煉車間遠(yuǎn)程操作、運(yùn)行監(jiān)控、報警指示、生產(chǎn)參數(shù)歸檔查詢等功能，從而滿足生產(chǎn)過程的各種需要。以西門子S7-1500 PLC為下位機(jī)，WINCC V7.4為上位機(jī)構(gòu)建精煉車間自動控制系統(tǒng)可以提高精煉車間電氣設(shè)備運(yùn)行效率，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，保障生產(chǎn)順利進(jìn)行。