基于SIMATIC NET通訊協議的除氧監控系統設計

葉振宇 張莉 王亞剛 趙鑫 張遷

摘 要：針對除氧系統控制效果不佳可能導致電廠出現安全事故的問題，設計一套操作簡單并具有一定通用性的上位機監控軟件，可對除氧系統進行實時監控。為了達到系統工藝和功能實現的要求，系統采用Kingview作為上位機監控軟件，采用SIMATIC NET作為系統通訊協議。經實踐驗證，該系統可有效實現所需功能，通訊速度符合生產要求，并提高了生產效率。

關鍵詞：SIMATIC NET;除氧控制;組態王

DOI：10. 11907/rjdk. 181906

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0052-03

Abstract： Aiming at the poor performance of deaerator water level control and power supply of oxygen to remove impurities， we designed a simple operating system with a very versatile machine monitoring software which can monitor the oxygen system in real time. In order to meet the systems technology procedures and the required functions， a method was presented that used Kingview as the PC monitoring software and SIMATIC NET as the system communication network. The results indicate that the functionality of the system can be fully realized and the rate of communication has reached the requirements of production， the production efficiency is also improved.

Key Words： SIMATIC NET; deoxidizer control; Kingview

0 引言

目前，國內外研究者對電廠中的除氧系統進行了大量研究。王二貴、魏凱[1]研究發現，電廠通常采取通過兩個調節閥控制除氧器水位方法，但在實際應用中，水位的高低波動很大，主要由于主閥控制精度不高，從而導致調節效果不佳。針對該現象，孫曉峰、王傳棟等[2]對除氧系統的內模控制器進行調整以調節水位;日本的Tajima Karurosu[3]提出多變量模糊PID控制算法進行水位控制;潘先偉[4]將除氧設備控制方法加以改進，采用均衡控制方式，可防止設備出現腐化現象。

由于上位機監控軟件具有界面組態功能的完整性與對用戶開放性等優點，因而被普遍應用于工業領域[5-10]。它可以通過指定的工業通訊協議與下位機實現通訊，從而實時監測現場的過程量，控制生產系統運行[11-13]。因此，本文使用組態王作為上位機監控軟件、SIMATIC NET作為系統通訊網絡，設計一套除氧監控系統，并分別對其中的兩個主副調節系統進行實時監測。

1 上位機界面設計要求

除氧監控系統的設計根據工藝及客戶要求，設計時主要需要實現以下功能：

（1）設備信息提示。設備信息包括設備關鍵參數、設備運行數據以及閥門電機狀態。具體功能包括：①關鍵參數連接到PLC點位，實時顯示其實際值;②設備循環時間以及水體內各種氣體含量監測;③通過圖片區分顯示氣缸及電機啟停狀態。

（2）手動控制設備。調整設備運行方式，包括關鍵參數修改、氣缸電機啟停等。

（3）加工參數報表。將設備關鍵參數按照一定順序保存在文件中，并對其進行命名，有利于后期快速切換產品參數。

（4）報警功能。界面顯示報警內容并閃爍提示，確保操作人員能夠及時發現問題并加以處理。

（5）報表調用。每次生產的數據都以報表形式按批次保存，可按時間范圍進行查詢。

（6）權限分級。將設備操作權限分為4個等級，分別為生產操作用戶、工程師用戶、管理員用戶以及全功能用戶。不同類型用戶可以操作不同級別的功能，以保證系統安全。

（7）系統循環測試。系統自動循環運行，可以查看系統優化結果，且方便用戶進行遠程觀察。

2 除氧控制系統結構

2.1 除氧控制系統硬件架構

除氧控制系統是通過上位機與下位機的通訊，實現對除氧器水位閥門開度、運行數據的實時監測，以及對加工參數的保存調用。將Kingview 6.55作為除氧控制系統的上位機監控軟件，西門子300系列 PLC作為控制器，配備多個IO模塊及功能模塊，如模擬量模塊、通信模塊等，將這些模塊與水箱、凝汽器、電機、閥門等設備進行連接，從而達到調節除氧水位的目的，系統結構如圖1所示。

在圖1中，要控制除氧器水箱水位，需要調節凝結水泵出口與凝結水母管中調節閥的開度，以改變凝結水流量，然后通過再循環調節閥與化學補充水調節閥控制凝汽器水位。

2.2 除氧控制系統軟件框架

使用Kingview的OPC控件以及自帶的動態圖片控件，可以畫出完整的系統流程結構圖。將控件與PLC點位進行連接，則可以顯示系統監測值，當監測值發生改變時，控件即可實時更新自身狀態，并提示系統發生的變化;另外還可在后臺編寫一些腳本語言實現組態功能外的擴展，如更新參數保存、報警內容顯示與權限分級等功能。上位機功能結構如圖2所示。

在西門子300編程中，功能都具有模塊性，即不同功能都編碼為一個模塊。編程軟件首先根據所使用的模塊配置硬件，然后在主循環塊OB1中進行循環掃描后調用該模塊。

除氧控制系統由3部分組成，分別是計算機控制、電機控制與PLC控制，而作為控制系統的核心，PLC控制器會按預設程序對輸入信息進行處理。稱重傳感器、溫度傳感器與水位傳感器信號則由稱重變送器、溫度變送器與液位變送器收集并進行調節，然后實時輸入到PLC控制器。開關信號如限位開關及每個電路元件觸點則直接輸送到PLC中。這些信號量由PLC根據控制邏輯程序一并輸出，然后控制物體或閥門開關，從而實現控制目標[14-16]。

2.3 通訊系統設計

系統通過在工業電腦上部署SIMATIC OPC服務器與西門子PLC之間實現連接，從而能夠實時訪問PLC，并讀取相應點位狀態值，將其顯示在監控界面中。

SIMATIC NET通訊協議常用于工業設備中，尤其在西門子工業協議中占有很大比例，可以讓現場工業設備、個人聯網設備處于同一協議網段，并實現數據的共享交互[17]。OPC服務器在工業上應用也很普遍，本文調用組態王OPC控制組件建立OPC客戶端，并與西門子300系列PLC實現連接，通過OPC讀取PLC數據并將其保存。由上述方式定義了上位機與下位機之間的協議，實現了除氧系統的整體通訊架構[18-20]。

3 上位機監控系統功能實現

根據上位機監控界面要求，本文通過配置其自帶的腳本工具，實現了對系統運行狀態的實時監測并在窗口進行顯示，下面以權限分級功能為例進行說明。

為了保證系統安全性，需要對不同功能權限進行設置，如關鍵參數設置部分需要管理員以上權限才能更改，否則可能造成嚴重的生產事故。因此，本文對采用的控件進行分級處理，定義1-4級權限分別代表操作員用戶、工程師用戶、管理員用戶及超級用戶。

（1）登錄系統時進行權限選擇，需要輸入相應密碼，密碼保存在注冊表中。腳本程序如下：

根據上述程序可判斷3級權限密碼是否正確，其中'SOFTWARE/Microsoft/Windows/authority/3'為3級密碼保存在注冊表內的路徑。

（2）登錄后會對所有頁面進行權限刷新，遍歷所有控件，通過讀取控件tag屬性得出該控件適用權限。本文使用CheckAuthority函數實現對所有控件的遍歷檢驗。腳本程序如下：

（3）需要修改權限密碼時，高級別權限可以修改低權限密碼，本文使用了WriteRegedit函數。腳本程序如下：

4 應用

本文以浙江省龍游電廠除氧控制系統為例，該系統采用組態軟件設計的人機界面，實現了動態實時監控功能。系統平均無故障運行時間超過760h，可滿足生產需要，且易于操作，同時提高了設備自動化程度，提升了生產效率，有效避免了電力生產安全事故的發生[21]。現場監控界面如圖3所示。

5 結語

通過對現場工藝流程與生產過程的分析，并結合系統控制要求，本文使用組態王作為上位機監控軟件、SIMATIC NET作為系統通訊網絡，開發了一套除氧監控系統。經實際驗證，該系統可實現實時監控、報表查詢、密碼保護等功能，而且SIMATIC網絡工業通信系統的應用可以保證上位機與下位機之間快速、穩定的通信，提高了生產效率，因而具有廣闊的市場前景。

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（責任編輯：黃 健）