張剛， 王化建， 辛生， 樊福杰

(曲阜師范大學 工學院，山東 日照 276826)

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

張剛， 王化建， 辛生， 樊福杰

(曲阜師范大學 工學院，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)的有機硅材料生產(chǎn)工藝，無論是原料、副產(chǎn)品、中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)品，涉及多種易燃、易爆、腐蝕性化學物品，對溫度、壓力、液位等參數(shù)要求很高。利用西門子S7-300PLC為核心設(shè)計出有機硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對于提高生產(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；有機硅；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

進入二十世紀以來，有機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、化工等多個領(lǐng)域，成為社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高不可或缺的新型材料?，F(xiàn)階段我國有機硅工業(yè)仍處于初級階段，廠家雖多但規(guī)模小、種類不全。生產(chǎn)過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)場觀測和調(diào)試，不僅控制水平低、控制精度差，而且勞動強度大、運行成本高，不利于企業(yè)的發(fā)展。為解決上述問題，我們以西門子S7-300高性能PLC作為控制器[1]，利用計算機、傳感器、上位機組態(tài)、變頻器、控制閥等構(gòu)建“監(jiān)、管、控”于一體的有機硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

有機硅生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)(DCS)作為設(shè)計模型，主要實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝參數(shù)的實時監(jiān)測和自動控制，生產(chǎn)車間主要有氯丙基硅烷(γ1)生產(chǎn)車間和硅酸乙酯生產(chǎn)車間以及材料罐區(qū)車間，共涉及氯丙基硅烷的合成、精餾，硅酸乙酯的合成、水解，尾氣處理等多個工藝環(huán)節(jié)[2]。需要監(jiān)測的設(shè)備及監(jiān)測類型如表1所示。

表1 監(jiān)測的設(shè)備及監(jiān)測類型

系統(tǒng)的整體方案為：首先，工業(yè)現(xiàn)場根據(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)場顯示并轉(zhuǎn)為4 mA～20 mA標準電流信號上傳至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，通過TCP/IP協(xié)議上傳至辦公室和監(jiān)控室工控機，通過上位機程序可以實現(xiàn)在線顯示、參數(shù)報警、數(shù)據(jù)查詢、反饋控制信號等功能。除此之外，PLC通過下位機將采集到的數(shù)據(jù)通過程序和PID算法產(chǎn)生控制信號給現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)，如變頻器、電磁閥、電動閥等從而實現(xiàn)設(shè)備溫度、壓力、液位的穩(wěn)定。同時現(xiàn)場安裝有聲光報警器實現(xiàn)現(xiàn)場報警，可有效避免系統(tǒng)中下位機與上位機通信線路出現(xiàn)故障時不能正常監(jiān)控車間生產(chǎn)狀況的問題。

在保證整個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)計原則進行設(shè)計，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)測功能和控制功能。監(jiān)測功能的實現(xiàn)主要是由PLC與上位機實時通信，上位機讀取PLC內(nèi)部的各項數(shù)據(jù)；控制功能的實現(xiàn)主要是通過PLC的控制程序，把采集的數(shù)據(jù)通過程序轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號，進而去控制各類執(zhí)行機構(gòu)，控制流程圖如圖2所示。

圖2 PLC控制流程圖

2.1 監(jiān)測功能

監(jiān)測功能主要實現(xiàn)有機硅各個生產(chǎn)車間工藝參數(shù)的實時監(jiān)測，通過上位機進行在線顯示、數(shù)據(jù)報警、歷史查詢等功能，由于所有車間的工藝參數(shù)監(jiān)測原理都是一樣的，我們就以硅酸乙酯生產(chǎn)車間中的酯化釜為例。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、液位并通過現(xiàn)場儀表顯示，與此同時傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準4 mA～20 mA電流信號，傳至PLC模擬量模塊，電流信號經(jīng)開發(fā)的程序運算后轉(zhuǎn)換為具體的溫度、壓力、液位數(shù)值，通過TCP/IP協(xié)議上傳至工控機，再由上位機對傳遞過來的數(shù)據(jù)進行組態(tài)王的開發(fā)實現(xiàn)對溫度、壓力、液位在線顯示、實時報警等功能。酯化釜監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖3所示。

除此之外，工人在生產(chǎn)過程中需要通過氮氣增壓的方式將反應(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、釜之間加裝手動閥門，增壓倒料前人工關(guān)閉手動閥門排除壓力誤報警。

圖3 酯化釜監(jiān)測結(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)字量控制主要是對繼電器或者開關(guān)，比如像精餾過程中精餾釜與精餾塔之間的視鏡位置安裝液位開關(guān)，一旦液位超過1.57 m，液位開關(guān)量信號就會上傳到PLC，PLC接收到信號后會通過繼電器關(guān)閉入料閥門并鎖死，防止入料過多出現(xiàn)沸塔造成危險。模擬量的控制主要是對變頻器和電動閥，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)水電機都是滿負荷運行，是通過操作人員不斷調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門開度實現(xiàn)壓力穩(wěn)定的，該運行模式危險系數(shù)大、電能損耗嚴重、人工耗時長。因此我們安裝壓力傳感器實時采集循環(huán)水管道壓力，并作為PLC中PID控制器的輸入信號，將當前壓力與設(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Kp、Ki、Kd進行自整定，把最終整定的結(jié)果通過模擬量模塊轉(zhuǎn)化為4 mA～20mA電流給變頻器，變頻器通過不斷改變頻率自動的控制循環(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控制器的無擾切換

在對有機硅進行自動化控制的時候在很多地方用到了PID控制，比如精餾釜的溫度是通過PID算法控制蒸汽電動閥調(diào)節(jié)的。在進行控制時，我們有時候會發(fā)現(xiàn)一開始設(shè)定值與實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)，會發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)時間長、系統(tǒng)波動較大，這時候一般先采取手動模式(MAN)，當實際值無限接近于設(shè)定值時再切換到自動模式(AUTO)，控制效果會有很大的提升。在進行模式切換時，我們需要保證切換不會對系統(tǒng)造成較大影響，即實現(xiàn)PID控制器的無擾切換[4]。要實現(xiàn)無擾切換需要PID控制器的輸出跟蹤手動模式的輸出，滿足公式：

uMAN(t-) =uPID(t-)

(1)

在切換到自動模式時，控制器實際輸出變?yōu)椋?/p>

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

(2)

通過(1)和(2)，我們發(fā)現(xiàn)，只要滿足：

uPID(t+)≈uMAN(t-)

(3)

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

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

(4)

比例與微分仍然按照誤差做運算。這樣，一旦切換到自動模式，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，這樣當通過軟件或硬件轉(zhuǎn)換手動/自動操作模式時，就可以實現(xiàn)PID控制器從手動到自動的無擾切換。

圖5給出了PID手動/自動模式切換的方框圖。在圖中，我們可以看到在手動模式下，PID控制器要跟蹤手動模式的輸出，原始積分項先設(shè)定為零，手動調(diào)節(jié)時間常數(shù)Tm表示手動操作器調(diào)節(jié)的快慢。與此相同，手動操作模式也要跟蹤自動模式下的輸出，跟蹤時間常數(shù)為Tr。這樣無論在什么時候進行模式切換，都不會對系統(tǒng)造成較大影響。

圖5 控制器手動/自動無擾切換

2.4 上位機的研發(fā)

上位機軟件采用目前國內(nèi)最先進的組態(tài)王kingview 6.55進行開發(fā)，該軟件功能強大、擴展性強。通過豐富的控件庫就可以完成數(shù)據(jù)的畫面顯示、報警、歷史數(shù)據(jù)曲線、實時/歷史數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)庫查詢等功能的實現(xiàn)[5]。在這里我們上位機程序主要包括四大部分：分別是連接程序設(shè)計，前臺展示程序設(shè)計，實時/歷史報警程序設(shè)計，歷史數(shù)據(jù)查詢程序設(shè)計。

(1)連接程序設(shè)計：該程序主要完成對上位機通信口、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鏈接并順利通信，能夠?qū)崟r準確采集下位機寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)并返回修改信號。

圖6 工藝參數(shù)實時顯示畫面

(2)前臺展示程序設(shè)計：該程序主要包括工藝參數(shù)實時顯示畫面如圖6所示和工藝參數(shù)歷史曲線畫面，能夠完成對設(shè)備和工藝參數(shù)的實時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，保證對生產(chǎn)車間各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)一目了然。

圖7 實時報警畫面

(3)實時報警程序設(shè)計：該程序主要完成車間設(shè)備、工藝參數(shù)(主要為：溫度、壓力，液位)高低限實時報警如圖7所示。通過醒目閃爍提示存在報警，開發(fā)詳細報警窗口提示出現(xiàn)報警的設(shè)備與報警類型。

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢畫面

(4)歷史數(shù)據(jù)查詢程序設(shè)計：該程序主要完成對車間設(shè)備、工藝參數(shù)的保存及查詢。可以通過控件按設(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)對生產(chǎn)工藝作出調(diào)整。

3 結(jié)束語

本文立足于有機硅的實際生產(chǎn)實踐，通過S7-300PLC、計算機、傳感器以及各個執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計完成了基于S7-300PLC的有機硅生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，完成了對有機硅生產(chǎn)工藝參數(shù)的實時監(jiān)測和自動化控制。事實證明，整個系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)后安全、穩(wěn)定，監(jiān)測效果好，控制精度高，無論是生產(chǎn)質(zhì)量還是生產(chǎn)效率都有了很大的進步，具有很好的市場推廣前景。

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

[2] 來國橋,幸松民.有機硅產(chǎn)品合成工藝及應(yīng)用[M].北京：化學工業(yè)出版社,2010.

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

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

[5] 韓曉新.從基礎(chǔ)到實踐：PLC與組態(tài)王[M].北京：機械工業(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)自動化研究。 王化建(1972-)，男，山東泗水人，研究生，從事計算機控制研究。 辛生(1990-)，男，山東泗水人，研究生，從事工業(yè)自動化研究。 樊福杰(1990-)，男，山東濱州人，研究生，從事測控技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-06-16