王博達(dá) 宋彥生

【摘 ?要】在工業(yè)生產(chǎn)中溶液的蒸發(fā)需要大量熱量，并且時(shí)效性高，普通的蒸發(fā)不足以使得工業(yè)流程快速，高效完成。多效蒸發(fā)不斷地向溶液提供恒高溫蒸汽，節(jié)約時(shí)間，節(jié)約成本，提升效率。本文爭對工業(yè)五效蒸發(fā)，根據(jù)工業(yè)流程設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；谖鏖T子s7-1500PLC和WINCC組態(tài)設(shè)計(jì)了辛興多效蒸發(fā)控制程序和工藝界面監(jiān)控。該控制系統(tǒng)可以進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測，更高效安全地進(jìn)行工藝生產(chǎn)，提升效率。

【關(guān)鍵詞】五效蒸發(fā);西門子s7-1500PLC;WINCC組態(tài);硬件設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TU831.3 ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

Abstract：In industrial production，the evaporation of solution requires a lot of heat and has high timeliness. Ordinary evaporation is not enough to complete the industrial process quickly and efficiently. Multi-effect evaporation continuously provides constant high temperature steam to the solution，saving time，save costs and improving efficiency. This article strives for the industrial Xinxing multi-effect evaporation，designed the control system according to the industrial process，and carried out the hardware system design. Based on Siemens s7-1500PPLC and WINCC configuration，Xinxing multi-effect evaporation control program and process interface monitoring are designed. The control system can perform on-site equipment operation monitoring and real-time data detection，process production more efficiently and safely，and improve efficiency.

Keywords：Xinxing evaporation;Siemens s7-1500PLC;WINCC configuration;hardware design

引言

蒸發(fā)是一種不易揮發(fā)的溶質(zhì)與溶液進(jìn)行分離的過程，在工業(yè)生產(chǎn)中蒸發(fā)是一個(gè)非常重要的工藝過程，在制糖、化工產(chǎn)業(yè)廣為應(yīng)用。多效蒸發(fā)進(jìn)行連續(xù)式蒸發(fā)濃縮，其傳輸熱量的效率高效。且多效蒸發(fā)中下一效液體蒸發(fā)的所需熱量和壓力比前一效都低，這樣使得蒸汽重復(fù)使用，節(jié)約了能源，提升了效率。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，化學(xué)工藝的發(fā)展也非常迅速，為了提升多效蒸發(fā)的自動(dòng)控制效率和管理方便，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不足，可遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場，調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)控制，自動(dòng)報(bào)警等功能，大力提升了企業(yè)管理效率和生產(chǎn)力度。

為實(shí)現(xiàn)多效蒸發(fā)的自動(dòng)控制，用西門子S7-1500PLC為控制器，用TIA portal V15軟件進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)多效蒸發(fā)控制系統(tǒng)，并且用TIA portal V15中WINCC RT Professional進(jìn)行了五效蒸發(fā)運(yùn)行狀態(tài)的組態(tài)監(jiān)控畫面開發(fā)。實(shí)現(xiàn)了車間多效蒸發(fā)器的自動(dòng)控制運(yùn)行，可以集中自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證安全、高效、快速的運(yùn)行。

1.多效蒸發(fā)工藝流程

五效蒸發(fā)系統(tǒng)包括一效加熱室、一效分離室、二效加熱室、二效分離室、三效加熱室、三效分離室、四效加熱室、四效分離室、五效加熱室、五效分離室、冷凝器、冷水塔、循環(huán)泵、冷凝水泵、原料泵蒸發(fā)器，熱風(fēng)電機(jī)，冷凝水罐，調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)組成。原液經(jīng)原料泵進(jìn)入一效加熱器后蒸發(fā)，蒸發(fā)剩下的溶液進(jìn)入二效加熱器換熱蒸發(fā)，蒸發(fā)剩余的溶液進(jìn)入三效加熱器繼續(xù)進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)后的溶液再次進(jìn)入四效加熱器蒸發(fā)，最后溶液進(jìn)入五效加熱室繼續(xù)蒸發(fā)，得到后產(chǎn)品回收和再利用。

鍋爐內(nèi)所產(chǎn)生的蒸汽稱為一次產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過進(jìn)氣管噴出后即可進(jìn)入一效加熱室，為蒸發(fā)提供熱源，換熱后剩余的氣體大部分由此進(jìn)入一效加熱室變成了冷凝水，大部分和液體蒸發(fā)后所產(chǎn)生的蒸汽可以做為二次蒸汽進(jìn)入二效加熱器，換熱后進(jìn)入三效蒸發(fā)器，循環(huán)以上過程，最終進(jìn)入五效蒸發(fā)器蒸發(fā)，五效閃蒸蒸汽和五效二次蒸汽共同進(jìn)入涼水塔，用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，回收利用。其五效率蒸發(fā)系統(tǒng)的工作流程圖如下表所示。

2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于五效蒸發(fā)系統(tǒng)集成控制需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此控制系統(tǒng)的硬件使用西門子s7-1500Plc進(jìn)行配置，西門子s7-1500Plc為工業(yè)中大型的控制系統(tǒng)提供了很強(qiáng)大的功能，性能優(yōu)越。通過液位、壓力、溫度傳感器等采集到的信號(hào)傳遞給Plc，繼而控制現(xiàn)場的閥門、各種泵、繼電器等操作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。因?yàn)樵诳刂葡到y(tǒng)中設(shè)備眾多，控制點(diǎn)比較分散，通訊的環(huán)境限制，要在控制系統(tǒng)中使用分布式I/O模塊，因此在控制系統(tǒng)中使用了SIMATIC ET 200SP進(jìn)行硬件擴(kuò)展。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

此控制系統(tǒng)用TIA Portal V15軟件進(jìn)行開發(fā)，s7-1500Plc和ET 200SP模塊有PROFINET接口，S7-1500Plc與ET 200SP之間用PROFINET協(xié)議通訊，Plc與Plc之間用以太網(wǎng)通信。硬件配置結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，硬件組態(tài)中添加了AI、AQ、DI、DQ、服務(wù)器模塊，硬件組態(tài)設(shè)計(jì)如圖2-2所示。

CPU類型為 1512SP-1 PN，訂貨號(hào)為6ES7 512-1DK01-0AB0，PROFINET接口有三個(gè)，位置分別位于插槽1 X1P1、1X1P2、1X1P3，AI模塊類型有兩種AI 8xI 2-，4-wire BA和AI 4xRTD/TC 2-，3-，4-wire HF，AQ模塊類型為AQ 4xU/I ST，DI模塊類型為DI 16x24VDC ST，DQ類型為DQ 16x24VDC/0.5A ST，服務(wù)器模塊訂貨號(hào)為6ES7 193-6PA00-0AA0。硬件組態(tài)中具體模塊、插槽位置、類型和訂貨號(hào)如表2-1所示。

3.控制系統(tǒng)的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PlC程序編程是控制系統(tǒng)中舉足輕重的一個(gè)環(huán)節(jié)，PLC下位機(jī)程序編程有多種語言，梯形圖Delete（LD）、指令表Delete（IL）、功能模塊圖Delete（FBD）、順序功能流程圖Delete（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本Delete（ST）五種語言。

此PLC控制程序用用TIA portal V15軟件進(jìn)行開發(fā)，采用梯形圖和ST語言進(jìn)行編程，梯形圖進(jìn)行各種變量之間的輸入輸出控制設(shè)計(jì)，ST語言可以完成復(fù)雜的控制運(yùn)算，在大中型PLC中可以采用結(jié)構(gòu)化文本來進(jìn)行描述各個(gè)控制系統(tǒng)變量之間的關(guān)系，是一種高級(jí)復(fù)雜的語言。其中包含了主程序塊MainOB1，DB、FB和FC等功能塊，主程序塊MainOB1其中進(jìn)行了各種電機(jī)控制，閥門控制，傳感器控制和各種數(shù)字模擬量的輸入輸出邏輯控制。DB塊保存過程數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)即使遇到斷電情況也不會(huì)丟失，很好的提高了程序的安全性。FB塊一般在大型控制系統(tǒng)中使用廣泛，使得控制程序分類化，電機(jī)控制，閥門控制等都放在不同的功能模塊，使得下次實(shí)現(xiàn)功能時(shí)方便調(diào)用。FC塊的使用和FB有很大相似之處，比FB更為簡便。其具體程序模塊如同3-1所示?？刂瞥绦蛑羞€用PID運(yùn)動(dòng)控制算法程序設(shè)計(jì)，控制液位、壓力、溫度等參數(shù)。

程序編寫完成之后，進(jìn)行編譯，編譯無誤后進(jìn)行程序下載，程序下載到PLC的核心控制器CPU中進(jìn)行邏輯控制，控制現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.上位機(jī)監(jiān)控wincc組態(tài)設(shè)計(jì)

組態(tài)畫面通過TIA Portal V15軟件進(jìn)行開發(fā)，添加PC SIMATIC PC station進(jìn)行畫面組態(tài)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。S7-1500PLC（196.128.100.1）與WINCC RT Professional（196.128.100.2）之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，如圖4-1所示。

組態(tài)編輯菜單包括畫面管理、HMI變量、HMI報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)、用戶管理等功能界面。組態(tài)畫面中設(shè)計(jì)還有彈出式畫面，分別為變頻電機(jī)畫面、工頻電機(jī)畫面、開關(guān)閥畫面、模擬量畫面、調(diào)節(jié)閥畫面，更好的對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行單個(gè)操作器件調(diào)節(jié)修正及變頻電機(jī)的PID調(diào)節(jié)操作。上位機(jī)監(jiān)控可以對一效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，二效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，三效蒸發(fā)器的溫度、液位、壓力，涼水塔的溫度、液位、壓力，循環(huán)泵、真空泵的溫度、壓力、流量和閥門的開合度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且發(fā)送數(shù)據(jù)到總控室，在監(jiān)控畫面中顯示，以便于現(xiàn)場的安全運(yùn)行監(jiān)視。WINCC

HMI報(bào)警包含一效到五效分離室壓力上下限報(bào)警、液位上下限報(bào)警，加熱室液位上下限報(bào)警、壓力上下限報(bào)警，涼水塔液位上下限報(bào)警、壓力上下限報(bào)警，一效到五效循環(huán)泵電流溢出報(bào)警、蒸發(fā)真空泵電流溢出報(bào)警，冷凝水罐液位上限報(bào)警、冷凝水罐液位斷線報(bào)警，若檢測量超過限位值則警報(bào)響起，進(jìn)行調(diào)控。用戶管理操作可以設(shè)置密碼進(jìn)行加密操作，防止非專業(yè)人員違規(guī)操作，增加了安全強(qiáng)度。歷史數(shù)據(jù)可以看出現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)的變化曲線，從而預(yù)測控制系統(tǒng)的未來運(yùn)行情況。五效蒸發(fā)控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖4-2所示。

5.結(jié)語

此五效蒸發(fā)控制系統(tǒng)采用了S7-1500PLC和WINCC監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的一體式管理，更加高效、集中實(shí)時(shí)的管理系統(tǒng)運(yùn)行，在化學(xué)，制糖產(chǎn)業(yè)中可以更好的應(yīng)用。人機(jī)界面功能多樣，操作安全快速，實(shí)時(shí)監(jiān)控的各處壓力、溫度、液位等數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC通過以太網(wǎng)通訊更好的控制各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行操作，各個(gè)工作站之間協(xié)調(diào)配合，最后把運(yùn)行情況發(fā)送到上位機(jī)WINCC監(jiān)控系統(tǒng)，也可以人為調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制，這種控制方法提升了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，也使得操作變得安全可靠。

該控制設(shè)備已與多家公司合作投產(chǎn)，工業(yè)生產(chǎn)效果得到了很大的改善，在市場上受到了非常大的歡迎，這種控制系統(tǒng)的集中控制，高效管理，安全運(yùn)行的效果為其他工業(yè)生產(chǎn)提供了很大的創(chuàng)新價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]何瑛.基于WinCC組態(tài)軟件和S7-300 PLC的五效降膜蒸發(fā)器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015（02）：64-68.

[2]姜建芳.西門子工業(yè)通信工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]孫娜. 基S7-1500的加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（10）：61-63.

[4]馮濤，潘春佑，王可寧，尹立輝，肖亞蘇.基于SIMATIC WinCC和PLC的中水回用監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2020（06）：131-135.

[5]L. Guoxin，Z. Wanli and W. Lirong，"Application of OPC to Realize the Communications between WinCC and Master-Slave PLC in the PROFIBUS Network，" 2015 IEEE Fifth International Conference on Big Data and Cloud Computing，2015，pp. 227-230，doi：10.1109/BDCloud.2015.22.

[6]馮濤，潘春佑，王可寧，尹立輝，肖亞蘇.基于SIMATIC WinCC和PLC的中水回用監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2020（06）：131-135.

作者簡介：

王博達(dá)，男，1985年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發(fā)酵等生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制和設(shè)計(jì)等工作.