植物油廠精煉車間自動控制系統設計

閆茂里，鮑春輝，高同賀，秦忠凱，趙樹超，李慶卓

(1.山東凱斯達機械制造有限公司，山東 濟寧 272000; 2.濟寧市機械設計研究院，山東 濟寧 272000; 3.山東省科學院激光研究所，山東 濟寧 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變為成品的重要環節。精煉車間內眾多電氣設備和自控儀表在整個車間的特殊作用，使得針對電氣設備和自控儀表的控制顯得尤其重要，選擇一套優良的自動控制系統可以保障整個精煉車間的順利生產，還可以降低氣耗、電耗、水耗等，從而降低精煉車間生產成本。目前，精煉車間自動控制系統采用工業計算機自動控制系統，工業計算機自動控制系統的實質是利用計算機技術和自動化技術對糧油生產過程進行集中操作、監控、管理的一種自動控制系統，具有單路閉環不可比擬的優越性[1]。當前精煉車間自動控制系統大多用S7-300 PLC作為下位機，WINCC V7.3作為上位機組態軟件，而隨著精煉車間生產工藝指標的不斷提高，這兩者結合作為精煉車間自動控制系統已經不能滿足生產需要?；诖?， 本文提出用西門子S7-1500 PLC作為精煉車間自動控制系統的下位機，WINCC V7.4作為精煉車間自動控制系統的上位機，把S7-1500 PLC和WINCC V7.4兩者結合起來構建精煉車間自動控制系統，可以實現精煉車間遠程操作、運行監控、報警指示、生產參數歸檔查詢等功能，從而滿足生產過程的各種需要。本文就該系統主要設計內容，包括控制系統硬件組態、控制系統程序、WINCC V7.4上位機監控系統等的設計進行介紹，以供參考。

1 精煉車間自動控制系統硬件組態

1.1 自動控制系統主站硬件組態

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

1.2 自動控制系統分布式從站硬件組態

精煉車間自動控制系統共有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#機架，分別在1#機架內放置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#機架，分別在2#機架內放置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#機架，分別在3#機架內放置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#機架，分別在4#機架內放置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 自動控制系統通信網絡組態

整個自動控制系統通信網絡包括主站(包括PROFIBUS-DP主站系統)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#分布式從站進行通信，然后用網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行通信。CPU1516-3 PN/DP通過其DP接口與精煉車間內的23臺變頻器進行通信，可以讀取變頻器的電流、頻率、轉矩等參數。每個變頻器的終端電阻插入通信卡內，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。通信網絡組態中為每個變頻器賦予一個網絡地址，通過網絡地址可以找到這個變頻器并讀取其各種參數信息。

2 精煉車間自動控制系統程序設計

2.1 自動控制系統軟件的程序構成

精煉車間自動控制系統程序包括組織塊OB、功能塊FB、功能塊FC、數據塊DB等，其中組織塊OB、功能塊FB是整個自動控制系統程序的核心。

2.2 組織塊OB構成

組織塊OB主要由循環中斷組織塊(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調用功能塊FB、功能塊FC、數據塊DB并完成各個程序塊的功能[3]。循環中斷組織塊OB35內存放溫度、壓力、流量、液位等類型的PID閉環控制功能塊，每200 ms循環調用一次。

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,為電機電流顯示及報警程序。

2.3 功能塊FB構成

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即背景數據塊DB，既可以調用功能塊FB、FC，也可以被組織塊OB、功能塊FB和FC調用?？刂葡到y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]、電機上次運行時間[FB9]、電機運行次數[FB8]、電機運行時間[FB7]。Mean[FB6]是數據處理功能塊，主要包括數據搬運、求和、算術平均等程序段。Motor[FB1]是電機控制功能塊，主要包括電機控制、切換設置、切換輸出、應答計時等程序段。Motor_ZF1[FB2]是電機正反轉控制功能塊，主要包括電機控制、電機反轉控制、切換設置、切換輸出、應答計時等程序段。Motor_ZF2[FB3]也是電機正反轉控制功能塊。Valve[FB4]是氣動閥門功能塊，主要包括閥門、控制狀態、閥門狀態等程序段。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。電機上次運行時間[FB9]是記錄電機上次運行時間的功能塊。電機運行次數[FB8]是累計電機運行次數的功能塊。電機運行時間[FB7]是累計電機運行時間的功能塊。

2.4 采用TIA Portal V15.1軟件實現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軟件的左側工藝對象菜單下某一路閉環進行調節，雙擊組態再選中控制器，首先對PID的初始值賦值。在基本設置中，將MODE控制模式改為自動控制模式，當這些都設置完成后，先保存再編譯，最后將程序下載至PLC中，下載完成后，雙擊左側工藝對象中調試，進入調試界面。

在調試界面，點擊開始采樣，選擇預調節模式，在下方設定值設定觸發信號，例如設置為50，然后點擊開始預調節，過一段時間后，若自整定曲線發生震蕩現象，需要再進行精細調節。選擇精細調節，點擊開始，幾分鐘后曲線趨于平緩，系統開始穩定，這時點擊上傳PID調試的離線參數。再回到高級設置，查看PID具體的參數設置，點擊保存，下載到PLC中，PID自整定調試即可完成。PID自整定后的最終值與PID的初始值賦值不同，經過PID的自整定后最終的PID值可以使這一路的PID調節效果最優、超調量更小，從而節省人工整定PID參數的時間。

3 WINCC V7.4上位機監控系統設計

精煉車間有多個生產工序，由WINCC V7.4組態精煉車間生產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、葉片過濾機過濾工序、脫臭捕集工序、公共系統、磷脂濃縮工序、外圍罐區等。以下截取組態畫面的幾個部分介紹采用WINCC V7.4作為上位機組態畫面的相關內容。

3.1 4#～6#水化反應罐組態畫面

4#～6#水化反應罐屬于水化脫膠工序，其組態畫面中可以顯示電機電流、變頻器頻率給定值、變頻器頻率反饋值(見圖1)。6#水化反應罐起動后綠色的風扇會轉動，表示電機在運轉。在6#水化反應罐底部安裝了熱電阻，實時顯示罐底溫度，當實際溫度大于設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#水化反應罐組態畫面

3.2 電機控制組態畫面

所有電機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 電機控制組態畫面

點擊圖2中某一個電機會彈出一個對話框，在對話框中點擊啟動設備電機就會啟動，點擊停止設備電機就會停止。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，當選擇PLC控制可以點擊對話框內啟動設備或者停止設備操作電機，當選擇控制柜控制可以在配電室控制柜上啟動設備或者停止設備。如果現場設備出現緊急情況需要停機可以點擊對話框中的緊急停止，這樣現場設備就會停機，進而可以保護人身安全和降低事故的發生概率。

3.3 溫度閉環控制組態畫面

圖3為溫度閉環控制組態畫面。如圖3所示，溫度閉環控制組態畫面對話框中設定值(SP)是87℃，實際值(PV)是86℃，設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定值，氣動調節閥就會打開。當點擊對話框中的自動按鈕，氣動調節閥就會根據設定值與實際值之間的差值大小而動作。在自動狀態下可以不斷修正比例參數(KP)、積分參數(I)、微分參數(D)的值，使設定值與實際值之間差值不斷減小。

圖3 溫度閉環控制組態畫面

3.4 報警歷史記錄組態畫面

報警歷史記錄組態畫面包含模擬量的報警信息，報警畫面記錄了變量的運行歷史記錄，可以提前預測控制系統的故障狀態和故障條件，保障控制系統的平穩運行[4]。通過查詢報警歷史記錄可以知道變量在某段時間的運行情況，這對生產有一定的指導作用。

4 結束語

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設計的過程，在硬件組態中介紹了主站、分布式從站、通信網絡組態的過程，這種硬件組態方式可以加快網絡通信速度，提升數據讀取速度，也適用于遠距離網絡通信。采用WINCC V7.4作為上位機組態畫面可以方便中控室操作人員操作，可以實現精煉車間遠程操作、運行監控、報警指示、生產參數歸檔查詢等功能，從而滿足生產過程的各種需要。以西門子S7-1500 PLC為下位機，WINCC V7.4為上位機構建精煉車間自動控制系統可以提高精煉車間電氣設備運行效率，優化生產參數，保障生產順利進行。