張 強(qiáng)

(中國石油股份有限公司大慶煉化分公司)

基于PLC和組態(tài)軟件的煉化裝置壓力容器控制系統(tǒng)①

張 強(qiáng)

(中國石油股份有限公司大慶煉化分公司)

運用PLC和組態(tài)技術(shù)根據(jù)煉化裝置壓力容器的特點設(shè)計其自控系統(tǒng)。首先選擇S7-200 PLC作為下位機(jī)，配置I/O地址，設(shè)計控制流程并構(gòu)建控制算法，對煉化裝置壓力容器進(jìn)行測控；然后在組態(tài)軟件Realinfo中繪制圖形用戶界面，顯示實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報警信息。聯(lián)合調(diào)試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的有效性。

參數(shù)調(diào)控 壓力容器 S7-200 PLC Realinfo組態(tài)軟件

隨著石化企業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，各石油化工、煉化企業(yè)中的壓力容器[1]所占面積越來越大，承壓設(shè)備越來越多，對壓力容器和承壓設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效管理，使之更好地為產(chǎn)業(yè)鏈中的生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)服務(wù)[2]，成為大型化工企業(yè)提高管理水平、增強(qiáng)企業(yè)信息化水平的重要研究課題。

對于煉化裝置中的壓力容器，傳統(tǒng)管理方式是通過就地顯示儀表進(jìn)行人工抄表，定時獲取壓力、溫度及物位等受控變量信息，然后手抄到對應(yīng)的報表或者人工錄入到計算機(jī)系統(tǒng)[3]中，這樣必然存在數(shù)據(jù)偏差且效率低下等弊端[4,5]。因此，筆者設(shè)計將S7-200 PLC作為下位機(jī)獲取相關(guān)受控變量信息，同時將相關(guān)的PID控制算法[6]嵌入到下位機(jī)。上位機(jī)采用組態(tài)軟件監(jiān)控受控變量的實時變化，對超限變量進(jìn)行聲光報警，并對下位機(jī)中控制算法的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而有效地對煉化裝置中壓力容器的相關(guān)變量進(jìn)行監(jiān)控。

1 下位機(jī)程序

基于PLC和組態(tài)軟件的煉化裝置壓力容器控制系統(tǒng)的下位機(jī)采用S7-200 PLC作為主控制器(CPU是224系列)。傳感器包括溫度傳感器(鉑熱電阻傳感器)和壓力傳感器(擴(kuò)散硅式差壓變送器)。信號調(diào)理模塊有熱電阻調(diào)理模塊和壓力采集調(diào)理模塊。執(zhí)行部分由伺服放大器、手操器和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。伺服放大器對S7-200 PLC的輸出信號進(jìn)行放大，手操器進(jìn)行手動/自動切換，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制控制閥動作。其中控制閥包括進(jìn)料閥和排空閥。系統(tǒng)主要的I/O分配點見表1。

表1 系統(tǒng)主要的I/O分配點

系統(tǒng)啟動后先進(jìn)行初始化，然后分別啟動溫度控制子程序和壓力控制子程序。其中溫度控制子程序運行后，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障則I0.2的急停開關(guān)動作，緊急停車；如果系統(tǒng)正常運行，則首先根據(jù)工藝設(shè)定溫度初始值，由子程序掃描溫度數(shù)據(jù)，判斷所采集的溫度測量值是否在設(shè)定值范圍內(nèi)，若在設(shè)定值范圍內(nèi)，則通過PID算法控制進(jìn)料閥和出料閥，綜合調(diào)整物料平衡；若超出了設(shè)定值范圍，則調(diào)整對應(yīng)的進(jìn)料閥和出料閥開關(guān)，使壓力容器內(nèi)的溫度恢復(fù)到可控范圍內(nèi)。壓力控制子程序運行之后，如果系統(tǒng)有故障則I0.2的急停開關(guān)動作，緊急停車；如果系統(tǒng)正常運行，與溫度控制類似，首先根據(jù)工藝設(shè)定壓力初始值，由子程序掃描壓力數(shù)據(jù)，判斷所采集的壓力測量值是否在設(shè)定值范圍內(nèi)，若在設(shè)定值范圍內(nèi)，則由PID算法控制進(jìn)料和出料閥開度；若超出了設(shè)定值范圍，則打開排空閥，以保證壓力容器內(nèi)的壓力不超出設(shè)定值。

在子程序中主要采用單回路控制，PID控制器是控制核心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為控制閥，受控對象為壓力容器，以熱電阻或壓力傳感器為測量變送環(huán)節(jié)構(gòu)成如圖1所示的閉環(huán)負(fù)反饋回路。

圖1 閉環(huán)負(fù)反饋回路框圖

2 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序采用Realinfo通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲得實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀地顯示在計算機(jī)屏幕上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施控制或調(diào)整參數(shù)。上位機(jī)程序的Realinfo組態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)程序的Realinfo組態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

建立上位機(jī)控制程序的具體操作步驟如下：

a. 啟動Realinfo組態(tài)軟件，建立工程項目。

b. 進(jìn)行設(shè)備配置。設(shè)備配置的目的是實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，即實現(xiàn)計算機(jī)與智能儀表之間的連接。通過設(shè)備窗口設(shè)置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊設(shè)備驅(qū)動程序，定義連接與驅(qū)動設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。

c. 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫。在實時數(shù)據(jù)窗口建立新的數(shù)據(jù)庫文件，要求與設(shè)備要求的數(shù)據(jù)一致。該窗口定義不同類型名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接和設(shè)備驅(qū)動對象。

d. 制作圖形畫面。在用戶窗口實現(xiàn)，主要用于設(shè)置工程中的人機(jī)交互界面(生成動畫顯示界面、報警輸出、數(shù)據(jù)及曲線圖表等)。

e. 在主控窗口建立新工程。主控窗口中可以放置一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括定義工程名稱、編輯工程菜單、設(shè)計封面圖形、確定自啟動窗口、設(shè)定動畫刷新周期、指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。

f. 定義動畫連接。動畫連接將動畫與數(shù)據(jù)庫變量建立聯(lián)系，當(dāng)數(shù)據(jù)庫變量發(fā)生改變時，動畫就與數(shù)據(jù)對應(yīng)地表現(xiàn)出來。

g. 運行與調(diào)試。先進(jìn)行組態(tài)檢查，通過后則進(jìn)入運行環(huán)境測試。

圖3為按照以上步驟設(shè)計的煉化裝置壓力容器部分參數(shù)的監(jiān)控界面。

圖3 壓力容器部分參數(shù)監(jiān)控界面

在上位機(jī)程序中應(yīng)重點考慮3個方面：

a. 實時數(shù)據(jù)獲取的及時性。

b. 報警信息的可追溯性。組態(tài)軟件中可以追溯報警信息，追溯屬于事后控制，通過事后的反饋找出控制系統(tǒng)的缺陷和問題所在，進(jìn)而改進(jìn)控制流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

c. 控制系統(tǒng)調(diào)試的簡便性?？刂葡到y(tǒng)的調(diào)試可以分為應(yīng)用程序離線調(diào)試、控制系統(tǒng)硬件調(diào)試、應(yīng)用程序在線調(diào)試及現(xiàn)場調(diào)試等。上位機(jī)程序在這些調(diào)試過程中，可以與下位機(jī)程序聯(lián)合調(diào)試，亦可獨立成為系統(tǒng)以信號發(fā)生器作為信號源，逐步調(diào)試判斷獲得的信息是否正確。

3 結(jié)束語

基于S7-200 PLC和組態(tài)軟件Realinfo設(shè)計了煉化裝置壓力容器的控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)下位機(jī)PLC和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試的結(jié)果表明：該系統(tǒng)充分發(fā)揮了上、下位機(jī)協(xié)調(diào)工作的優(yōu)勢，提升了工作效率。對壓力容器和承壓設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效管理，為企業(yè)提高管理和增強(qiáng)信息化水平提供技術(shù)支持。

[1] 薛明德,黃克智,李世玉,等.壓力容器設(shè)計方法的進(jìn)步[J].化工設(shè)備與管道,2010,47(6):1～13.

[2] 霍鳳財,任偉建,康朝海,等.基于組態(tài)王和PLC的工業(yè)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2013,40(9):1103～1105.

[3] 李啟銳,邱波,彭志平.煉化裝置腐蝕信息綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,25(12):156～160.

[4] 羅建平.煉化企業(yè)基于MVSPC的過程控制的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013,30(11):1351～1354.

[5] 鮑魁.先進(jìn)控制技術(shù)(CAPC)在石化煉油裝置的應(yīng)用[J].安徽化工,2016,42(3):61～64.

[6] 米一博,石紅瑞.模糊PID算法在溫度對象中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2016,52(4):29～31.

PressureVesselControlSystemDesignforRefineryUnitsBasedonPLCandConfigurationSoftware

ZHANG Qiang

(CNPCDaqingRefining&ChemicalCompany)

Having characteristics of pressure vessels in refinery units considered and the PLC and configuration technology based to design pressure vessels’ auto-control system was implemented, in which, having S7-200 PLC selected as the slave computer, the I/O address allocated and the control flow designed and the control algorithm established so as to control refinery units; and having HMI drawn and the real-time data, historical data and alarm records displayed in Realinfo configuration software. The co-debugging results verify effectiveness of this system designed.

parameter control, pressure vessel, S7-200 PLC, Realinfo configuration software

張強(qiáng)(1984-)，工程師，從事煉化企業(yè)化工過程機(jī)械和壓力容器的設(shè)計工作,1784824522@qq.com。

TH865

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1000-3932(2017)06-0528-03

2016-11-05,

2017-03-25)