基于s7-1500plc和wincc組態的五效蒸發控制系統設計

王博達 宋彥生

【摘 ?要】在工業生產中溶液的蒸發需要大量熱量，并且時效性高，普通的蒸發不足以使得工業流程快速，高效完成。多效蒸發不斷地向溶液提供恒高溫蒸汽，節約時間，節約成本，提升效率。本文爭對工業五效蒸發，根據工業流程設計了控制系統，并進行了硬件系統設計?；谖鏖T子s7-1500PLC和WINCC組態設計了辛興多效蒸發控制程序和工藝界面監控。該控制系統可以進行現場設備運行監控和實時數據檢測，更高效安全地進行工藝生產，提升效率。

【關鍵詞】五效蒸發;西門子s7-1500PLC;WINCC組態;硬件設計

【中圖分類號】TU831.3 ? ? ? 【文獻標識碼】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

蒸發是一種不易揮發的溶質與溶液進行分離的過程，在工業生產中蒸發是一個非常重要的工藝過程，在制糖、化工產業廣為應用。多效蒸發進行連續式蒸發濃縮，其傳輸熱量的效率高效。且多效蒸發中下一效液體蒸發的所需熱量和壓力比前一效都低，這樣使得蒸汽重復使用，節約了能源，提升了效率。隨著現代化工業的迅速發展，化學工藝的發展也非常迅速，為了提升多效蒸發的自動控制效率和管理方便，解決了傳統產業的不足，可遠程控制現場，調節參數，實時監控，自動控制，自動報警等功能，大力提升了企業管理效率和生產力度。

為實現多效蒸發的自動控制，用西門子S7-1500PLC為控制器，用TIA portal V15軟件進行開發，設計多效蒸發控制系統，并且用TIA portal V15中WINCC RT Professional進行了五效蒸發運行狀態的組態監控畫面開發。實現了車間多效蒸發器的自動控制運行，可以集中自動控制，遠程監控，保證安全、高效、快速的運行。

1.多效蒸發工藝流程

五效蒸發系統包括一效加熱室、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、循環泵、冷凝水泵、原料泵蒸發器，熱風電機，冷凝水罐，調節閥等結構組成。原液經原料泵進入一效加熱器后蒸發，蒸發剩下的溶液進入二效加熱器換熱蒸發，蒸發剩余的溶液進入三效加熱器繼續進行蒸發，蒸發后的溶液再次進入四效加熱器蒸發，最后溶液進入五效加熱室繼續蒸發，得到后產品回收和再利用。

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

2.自動控制系統的硬件設計

由于五效蒸發系統集成控制需要遠程監控，因此控制系統的硬件使用西門子s7-1500Plc進行配置，西門子s7-1500Plc為工業中大型的控制系統提供了很強大的功能，性能優越。通過液位、壓力、溫度傳感器等采集到的信號傳遞給Plc，繼而控制現場的閥門、各種泵、繼電器等操作來實現系統自動控制。因為在控制系統中設備眾多，控制點比較分散，通訊的環境限制，要在控制系統中使用分布式I/O模塊，因此在控制系統中使用了SIMATIC ET 200SP進行硬件擴展。PLC控制系統結構如圖2-1所示。

此控制系統用TIA Portal V15軟件進行開發，s7-1500Plc和ET 200SP模塊有PROFINET接口，S7-1500Plc與ET 200SP之間用PROFINET協議通訊，Plc與Plc之間用以太網通信。硬件配置結構如圖2-1所示，硬件組態中添加了AI、AQ、DI、DQ、服務器模塊，硬件組態設計如圖2-2所示。

CPU類型為 1512SP-1 PN，訂貨號為6ES7 512-1DK01-0AB0，PROFINET接口有三個，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，服務器模塊訂貨號為6ES7 193-6PA00-0AA0。硬件組態中具體模塊、插槽位置、類型和訂貨號如表2-1所示。

3.控制系統的下位機程序設計

PlC程序編程是控制系統中舉足輕重的一個環節，PLC下位機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）、結構化文本Delete（ST）五種語言。

此PLC控制程序用用TIA portal V15軟件進行開發，采用梯形圖和ST語言進行編程，梯形圖進行各種變量之間的輸入輸出控制設計，ST語言可以完成復雜的控制運算，在大中型PLC中可以采用結構化文本來進行描述各個控制系統變量之間的關系，是一種高級復雜的語言。其中包含了主程序塊MainOB1，DB、FB和FC等功能塊，主程序塊MainOB1其中進行了各種電機控制，閥門控制，傳感器控制和各種數字模擬量的輸入輸出邏輯控制。DB塊保存過程數據，使得數據即使遇到斷電情況也不會丟失，很好的提高了程序的安全性。FB塊一般在大型控制系統中使用廣泛，使得控制程序分類化，電機控制，閥門控制等都放在不同的功能模塊，使得下次實現功能時方便調用。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運動控制算法程序設計，控制液位、壓力、溫度等參數。

程序編寫完成之后，進行編譯，編譯無誤后進行程序下載，程序下載到PLC的核心控制器CPU中進行邏輯控制，控制現場設備進行運轉。

4.上位機監控wincc組態設計

組態畫面通過TIA Portal V15軟件進行開發，添加PC SIMATIC PC station進行畫面組態設計，進而實現監控功能。S7-1500PLC（196.128.100.1）與WINCC RT Professional（196.128.100.2）之間通過TCP/IP協議進行通訊，如圖4-1所示。

組態編輯菜單包括畫面管理、HMI變量、HMI報警、歷史數據、用戶管理等功能界面。組態畫面中設計還有彈出式畫面，分別為變頻電機畫面、工頻電機畫面、開關閥畫面、模擬量畫面、調節閥畫面，更好的對現場的數據進行監控，進行單個操作器件調節修正及變頻電機的PID調節操作。上位機監控可以對一效蒸發器的溫度、液位、壓力，二效蒸發器的溫度、液位、壓力，三效蒸發器的溫度、液位、壓力，涼水塔的溫度、液位、壓力，循環泵、真空泵的溫度、壓力、流量和閥門的開合度等進行實時監控，并且發送數據到總控室，在監控畫面中顯示，以便于現場的安全運行監視。WINCC

HMI報警包含一效到五效分離室壓力上下限報警、液位上下限報警，加熱室液位上下限報警、壓力上下限報警，涼水塔液位上下限報警、壓力上下限報警，一效到五效循環泵電流溢出報警、蒸發真空泵電流溢出報警，冷凝水罐液位上限報警、冷凝水罐液位斷線報警，若檢測量超過限位值則警報響起，進行調控。用戶管理操作可以設置密碼進行加密操作，防止非專業人員違規操作，增加了安全強度。歷史數據可以看出現場運行狀態的變化曲線，從而預測控制系統的未來運行情況。五效蒸發控制系統上位機監控畫面如圖4-2所示。

5.結語

此五效蒸發控制系統采用了S7-1500PLC和WINCC監控系統相結合的一體式管理，更加高效、集中實時的管理系統運行，在化學，制糖產業中可以更好的應用。人機界面功能多樣，操作安全快速，實時監控的各處壓力、溫度、液位等數據傳送到PLC，PLC通過以太網通訊更好的控制各個環節的運行操作，各個工作站之間協調配合，最后把運行情況發送到上位機WINCC監控系統，也可以人為調節參數進行系統控制，這種控制方法提升了生產效率和生產質量，也使得操作變得安全可靠。

該控制設備已與多家公司合作投產，工業生產效果得到了很大的改善，在市場上受到了非常大的歡迎，這種控制系統的集中控制，高效管理，安全運行的效果為其他工業生產提供了很大的創新價值。

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作者簡介：

王博達，男，1985年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發酵等生產線的自動化控制和設計等工作.