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摘要：本文详细介绍了化肥厂循环水的工艺流程特点和对自动控制的要求，采用了SIMATIC S7-300可编程控制器以及组态王监控系统对老旧落后的控制系统进行数字化改造，构成了循环水PLC控制系统。
关键词：S7-300；组态王；数字化改造；控制系统
前言
今年来，炼化企业数字化管理建设悄然兴起，规模不断扩大、功能不断完善，在精细管理、可视化监控、安全生产及节能增效等方面都取得了较好的成效，逐渐成为化工企业生产管理系统的一个重要组成部分。化肥厂循环水装置原控制系统采用模拟屏显示系统状态，模拟量的显示和控制通过单独的回路构成，利用调节器实现，控制按钮操作。该控制以及使用超过十年的时间，老化严重，模式的缺点已经非常明显，硬件数量多，占用空间大，生产效率低，而且日常维护困难，难以满足日常生产的高可靠性、良好的控制性能。针对这些，提出了对改造循环水控制系统的方案，即上位工控机+可编程控制器+监控软件，本文介绍了这种以组态王和S7-300 PLC结合构建的生产控制系统。
一、系统介绍
循环水自动控制系统主要由上位监控系统、通讯网络、下位PLC控制站和现场仪表组成。整个控制系统网络结构如图1所示。
图1
图1主要由三部分组成，最上面部分是上位工控机，采用的是DELL工控机，通过两台操作员站对循环水系统进行监视和操作，两台操作站既能同时使用又能互为备用；中间是TCP/IP网络，采用网络站点方式通过局域网络进行通讯，实现数据共享；下面部分是下位机，下位使用的西门子公司的S7-300PLC，PLC与组态软件通过MPI网络进行通讯。
二、选型及配置
系统采用DELL计算机和S7-300 PLC组成上下两级控制系统，通过西门子的MPI通讯接口实现上位机工程师站和PLC之间的数据通讯，工程师站与操作站之间通过网络站点方式进行通讯。
下位机负责从现场采集流量、压力、温度等信号，然后通过通讯电缆传送到上位监控系统，并将控制系统或联锁信号回馈给现场。PLC的中央处理单元选用了CPU312，电源模块选用PS307 5A。根据现场仪表信号数量要求选用了1个数字量输入模块SM321 DI32×DC 24V，1个数字量输出模块SM322 DO32×24V/0.5A，5个模拟量输入模块SM331 AI8×12Bit，1个模拟量输出模块SM332 AO8×12Bit。整套系统出了的现场信号点和使用模块统计如表1所示。
表1
（一）控制系统要求
整个控制系统包括了模拟量输入采集过程，两个自控回路和五个联锁回路，PLC采集到现场的数据后，通过运算后向现场发送控制信号和联锁信号。现场仪表采集到数据后送给PLC，然后再传输到上位机进行监控，工艺人员可以准确的掌握整个系统的运行情况，及时对异常情况进行干预。两台操作员站中一台兼工程师站，直接与下位PLC进行通讯，可以对PLC进行编程、修改以及对人机界面软件进行设置和修改，并作为另一台操作站的服务器，两台操作站通过网络站点进行连接。
（二）控制系统组态
整个系统包含了34个模拟量输入信号，2个模拟量输出信号，2个数字量输入信号，3个输出信号。系统编程采用了西门子公司为用户提供的STEP7编程软件，可以用标准语言梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块（FBD）创建S7程序。本系统采用的直观可视的梯形图（LAD）编程方式，创建的程序机构如下表2所示：
表2
（1）风机联锁程序例程如下图2所示：
图2
在风机联锁程序中，现场热阻将风机油温转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后将数据块DB中的数据与联锁值进行比较，比较的结果送到输出端口Q中去，控制继电器的状态，达到风机联锁的目的。
（2）模拟量输入处理例程如下图3所示：
图3
（3）PID控制例程如下图4
图4
PID调节采用了STEP7编程软件的标准库里的PID控制块，PLC将系统给定的值与反馈回来的值进行比较并经过比例、积分和微分运算处理后，将信号送到现场调节阀，控制现场的调节阀。
三、组态软件编程
上位机可以监视受控设备的运行工况，也可以向下位机发送各种指令，它提供了一个普通操作人员能接受的直观的操作平台。上位组态软件选择了组态王6.53对整个系统进行监控，组态王6.53是在组态王6.0X系列版本之上，采用先进软件开发模式和流程，开发的一款功能强大的组态软件。上位监控系统是开放灵活的系统，它可以对控制系统进行监测和控制，具有动态画面显示、报警显示、报表输出和数据存储等功能。同时它能够在计算机终端上显示现场设备的实时状态和运行参数。
（一）系统中组态王与PLC之间的通讯。在西门子的通讯协议中有个MPI网络，特别适合小型化、少点数的控制系统使用，而且MPI接口是CPU的自带接口，因此MPI网络的使用可谓经济实惠。
1、西门子S7-300 PLC设置。单击“开始”菜单，然后单击“控制面板”，然后双击“设置PG/PC接口”，选中“PC Adapter（MPI）”，单击“属性”，出现PC Adapter（MPI）属性对话框，其设置如下：单击“MPI”，设置地址为0，超时未30s，传输率为187.5kbps，最高站地址为31；然后单击“本地连接”，设置连接到为USB。最后，单击确定，PLC部分设置完成。如下图5所示：
图5
2、组态王与PLC之间的通讯设置。
建立组态王与S7-300 PLC的通讯连接：首先，在设备配置向导中选择设备驱动“S7 300系列 MPI（USB）”，然后建立一个逻辑名称“PLC”，选择与设备所连接的串口，接着为要安装的设备指定地址“2：0”，其它的参数默认，设置完成。接下来，在数据库中新建变量接收PLC发送的现场数据如图6，连接设备选择“PLC”，寄存器地址与数据类型需要和PLC中变量保持对应关系，这样组态王与PLC之间的通讯就建立起来了。 图6
（二）监控画面编辑。上位组态软件组态王通过各种可选择的画面如运行画面、摘要画面、事件管理画面、报表画面等对系统进行监视控制，以实现生产过程的自动化。组态王丰富的数字、文字和图形格式使实时数据更容易的被读取和理解。循环水控制系统为实现对生产过程的监控共设计了六幅画面，分别是：循环水流程控制图、水轮机监控画面、A/B透平画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报警监控画面。循环水流程控制图如图7所示。
图7
四、网络站点技术及其在系统中的应用
网络站点方式通常是将直接连接IO采集设备的组态王站点作为服务器站点，网络上的其他组态王站点作为客服端来定义服务器作为网络站点设备，然后再客户端上定义变量域该网络站点设备上的变量连接，访问实时数据。
循环水系统组态软件与PLC进行数据通讯采用的MPI连接方式，PC适配器采用的是USB方式，无法实现几台上位PC同时与PLC通讯。而根据循环水系统对上位监控软件的要求，需要两台操作站同时对整个系统进行监控，最后上位监控系统选择了网络站点方式。
（一）服务器端的配置。服务器端组态王软件需要将网络配置定义为“连网”模式，并在“本机节点名”中输入本机的机器名或IP地址，其配置如图8。
图8
（二）客户端的配置。客户端组态王软件需要将网络配置定义为“单机”模式，并在“本机节点名”中输入本机的机器名或IP地址，其配置如图9。
图9
配置网络节点如图10所示：
图10
（三）客户端变量定义。客户端定义变量的具体方法与普通设备的定义步骤相同。在变量的“连接设备”列表中选择网络站点设备，如“服务器”。在“远程变量”编辑框中输入服务器站点数据词典中的对于变量名“非寄存器名”。如服务器组态王软件上有变量为“LI0101”。则定义如图11所示。
图11
五、结束语
循环水PLC控制系统已投入运行一年有余，系统运行状况稳定可靠，现场设备工作正常，使用和维护简单便捷，大大降低了故障率和劳动强度，提高了作业效率，各项指标都达到了设计的初始要求。基于组态王6.53的化肥厂循环水的S7 300PLC控制系统的改造实现了循环水整个系统的基本控制，加强了远程监控的能力，提高了循环水控制系统的准确性和稳定性。
参考文献：
[1]崔坚.西门子S7可编程序控制器—STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]陈瑞，席魏，宋柏青.西门子工业自动化项目设计实践[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：125-136.
[4]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京：清华大学出版社，2003.
[5]组态王使用手册[K].北京：北京亚控公司出版，2001.
关键词：S7-300；组态王；数字化改造；控制系统
前言
今年来，炼化企业数字化管理建设悄然兴起，规模不断扩大、功能不断完善，在精细管理、可视化监控、安全生产及节能增效等方面都取得了较好的成效，逐渐成为化工企业生产管理系统的一个重要组成部分。化肥厂循环水装置原控制系统采用模拟屏显示系统状态，模拟量的显示和控制通过单独的回路构成，利用调节器实现，控制按钮操作。该控制以及使用超过十年的时间，老化严重，模式的缺点已经非常明显，硬件数量多，占用空间大，生产效率低，而且日常维护困难，难以满足日常生产的高可靠性、良好的控制性能。针对这些，提出了对改造循环水控制系统的方案，即上位工控机+可编程控制器+监控软件，本文介绍了这种以组态王和S7-300 PLC结合构建的生产控制系统。
一、系统介绍
循环水自动控制系统主要由上位监控系统、通讯网络、下位PLC控制站和现场仪表组成。整个控制系统网络结构如图1所示。
图1
图1主要由三部分组成，最上面部分是上位工控机，采用的是DELL工控机，通过两台操作员站对循环水系统进行监视和操作，两台操作站既能同时使用又能互为备用；中间是TCP/IP网络，采用网络站点方式通过局域网络进行通讯，实现数据共享；下面部分是下位机，下位使用的西门子公司的S7-300PLC，PLC与组态软件通过MPI网络进行通讯。
二、选型及配置
系统采用DELL计算机和S7-300 PLC组成上下两级控制系统，通过西门子的MPI通讯接口实现上位机工程师站和PLC之间的数据通讯，工程师站与操作站之间通过网络站点方式进行通讯。
下位机负责从现场采集流量、压力、温度等信号，然后通过通讯电缆传送到上位监控系统，并将控制系统或联锁信号回馈给现场。PLC的中央处理单元选用了CPU312，电源模块选用PS307 5A。根据现场仪表信号数量要求选用了1个数字量输入模块SM321 DI32×DC 24V，1个数字量输出模块SM322 DO32×24V/0.5A，5个模拟量输入模块SM331 AI8×12Bit，1个模拟量输出模块SM332 AO8×12Bit。整套系统出了的现场信号点和使用模块统计如表1所示。
表1
（一）控制系统要求
整个控制系统包括了模拟量输入采集过程，两个自控回路和五个联锁回路，PLC采集到现场的数据后，通过运算后向现场发送控制信号和联锁信号。现场仪表采集到数据后送给PLC，然后再传输到上位机进行监控，工艺人员可以准确的掌握整个系统的运行情况，及时对异常情况进行干预。两台操作员站中一台兼工程师站，直接与下位PLC进行通讯，可以对PLC进行编程、修改以及对人机界面软件进行设置和修改，并作为另一台操作站的服务器，两台操作站通过网络站点进行连接。
（二）控制系统组态
整个系统包含了34个模拟量输入信号，2个模拟量输出信号，2个数字量输入信号，3个输出信号。系统编程采用了西门子公司为用户提供的STEP7编程软件，可以用标准语言梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块（FBD）创建S7程序。本系统采用的直观可视的梯形图（LAD）编程方式，创建的程序机构如下表2所示：
表2
（1）风机联锁程序例程如下图2所示：
图2
在风机联锁程序中，现场热阻将风机油温转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后将数据块DB中的数据与联锁值进行比较，比较的结果送到输出端口Q中去，控制继电器的状态，达到风机联锁的目的。
（2）模拟量输入处理例程如下图3所示：
图3
（3）PID控制例程如下图4
图4
PID调节采用了STEP7编程软件的标准库里的PID控制块，PLC将系统给定的值与反馈回来的值进行比较并经过比例、积分和微分运算处理后，将信号送到现场调节阀，控制现场的调节阀。
三、组态软件编程
上位机可以监视受控设备的运行工况，也可以向下位机发送各种指令，它提供了一个普通操作人员能接受的直观的操作平台。上位组态软件选择了组态王6.53对整个系统进行监控，组态王6.53是在组态王6.0X系列版本之上，采用先进软件开发模式和流程，开发的一款功能强大的组态软件。上位监控系统是开放灵活的系统，它可以对控制系统进行监测和控制，具有动态画面显示、报警显示、报表输出和数据存储等功能。同时它能够在计算机终端上显示现场设备的实时状态和运行参数。
（一）系统中组态王与PLC之间的通讯。在西门子的通讯协议中有个MPI网络，特别适合小型化、少点数的控制系统使用，而且MPI接口是CPU的自带接口，因此MPI网络的使用可谓经济实惠。
1、西门子S7-300 PLC设置。单击“开始”菜单，然后单击“控制面板”，然后双击“设置PG/PC接口”，选中“PC Adapter（MPI）”，单击“属性”，出现PC Adapter（MPI）属性对话框，其设置如下：单击“MPI”，设置地址为0，超时未30s，传输率为187.5kbps，最高站地址为31；然后单击“本地连接”，设置连接到为USB。最后，单击确定，PLC部分设置完成。如下图5所示：
图5
2、组态王与PLC之间的通讯设置。
建立组态王与S7-300 PLC的通讯连接：首先，在设备配置向导中选择设备驱动“S7 300系列 MPI（USB）”，然后建立一个逻辑名称“PLC”，选择与设备所连接的串口，接着为要安装的设备指定地址“2：0”，其它的参数默认，设置完成。接下来，在数据库中新建变量接收PLC发送的现场数据如图6，连接设备选择“PLC”，寄存器地址与数据类型需要和PLC中变量保持对应关系，这样组态王与PLC之间的通讯就建立起来了。 图6
（二）监控画面编辑。上位组态软件组态王通过各种可选择的画面如运行画面、摘要画面、事件管理画面、报表画面等对系统进行监视控制，以实现生产过程的自动化。组态王丰富的数字、文字和图形格式使实时数据更容易的被读取和理解。循环水控制系统为实现对生产过程的监控共设计了六幅画面，分别是：循环水流程控制图、水轮机监控画面、A/B透平画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报警监控画面。循环水流程控制图如图7所示。
图7
四、网络站点技术及其在系统中的应用
网络站点方式通常是将直接连接IO采集设备的组态王站点作为服务器站点，网络上的其他组态王站点作为客服端来定义服务器作为网络站点设备，然后再客户端上定义变量域该网络站点设备上的变量连接，访问实时数据。
循环水系统组态软件与PLC进行数据通讯采用的MPI连接方式，PC适配器采用的是USB方式，无法实现几台上位PC同时与PLC通讯。而根据循环水系统对上位监控软件的要求，需要两台操作站同时对整个系统进行监控，最后上位监控系统选择了网络站点方式。
（一）服务器端的配置。服务器端组态王软件需要将网络配置定义为“连网”模式，并在“本机节点名”中输入本机的机器名或IP地址，其配置如图8。
图8
（二）客户端的配置。客户端组态王软件需要将网络配置定义为“单机”模式，并在“本机节点名”中输入本机的机器名或IP地址，其配置如图9。
图9
配置网络节点如图10所示：
图10
（三）客户端变量定义。客户端定义变量的具体方法与普通设备的定义步骤相同。在变量的“连接设备”列表中选择网络站点设备，如“服务器”。在“远程变量”编辑框中输入服务器站点数据词典中的对于变量名“非寄存器名”。如服务器组态王软件上有变量为“LI0101”。则定义如图11所示。
图11
五、结束语
循环水PLC控制系统已投入运行一年有余，系统运行状况稳定可靠，现场设备工作正常，使用和维护简单便捷，大大降低了故障率和劳动强度，提高了作业效率，各项指标都达到了设计的初始要求。基于组态王6.53的化肥厂循环水的S7 300PLC控制系统的改造实现了循环水整个系统的基本控制，加强了远程监控的能力，提高了循环水控制系统的准确性和稳定性。
参考文献：
[1]崔坚.西门子S7可编程序控制器—STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]陈瑞，席魏，宋柏青.西门子工业自动化项目设计实践[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：125-136.
[4]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京：清华大学出版社，2003.
[5]组态王使用手册[K].北京：北京亚控公司出版，2001.