基于Simatic S7-200smart PLC的小型分布式控制系统设计
2018-10-11郝利平李晨阳
张 震，许 磊，郝利平，李晨阳
（内蒙古久科康瑞环保科技有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）
0 引言
丰富的煤炭资源为我国提供了解决石油、天然气储量不足的方案，随着煤化工产业的不断发展，废水排放问题也逐渐引发人们的关注[1]。分布式控制系统的“分布”体现在物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统[2]。因而在设备多且布置范围大的煤化工领域有着广泛的应用。水处理作为化工领域的一个分支，大量应用各种各样的分布控制系统。本文所提小型分布式控制系统应用于“高含盐废水深度处理与资源化”中型试验设备，经性能考核，完全达到控制要求，由于整套系统具有与同类系统相比更加优良的特点，具有一定的实际应用意义。
1 控制要求
“高含盐废水深度处理与资源化”中型试验设备总共包含有工艺工段15个，各工段按照安装工艺要求布置于9个移动底架，相邻工段间设置缓冲水箱。响应合理利用底架空间的要求，15个工段无法完全按照工艺流程进行布置，工段之间的缓冲水箱无法完全与工段就近进行布置。9个移动底架保持相对独立，可灵活由平板运输车进行运输，因而方便部署和拆除也是该套设备的要求之一。在设备运行过程中，工艺要求每个工段在自动运行的情况下，工段启停由前后缓冲水箱液位控制进行自动启动和停止。
整套系统需设置上位机单元对整个生产流程进行监控和操作。
各移动底架控制点位统计如表1所示。
表1 点位统计表
2 分布控制模型拓扑
如图1所示，共设置控制子站12个，具体移动底架配装子站数目如表2所示。现场控制总线采用工业以太网，所有子站以及上位机单元通过以太网进行数据交换。上位机单元设置工程师站1台，操作员站1台，OPC服务器1个，打印机1台。
图1 分布控制模型拓扑图
表2 子站配置统计表
3 硬件配置
每个移动底架上设备控制柜1台，12个子站按照配置统计表配置于每台控制柜内。每台控制柜上设备触摸显示控制屏1个，该屏配置以太网接口。工业以太网的快速发展有效地推动了自动化控制系统的信息化，因此在煤化工企业生产中，工业以太网在应用中显现出巨大的优势[3]。每台控制柜内对应配置8口交换机1台，通过超六类双绞线将所有子站、触摸屏和上位机单元连接于同一个工业以太网内。
4 软件配置
4.1 子站程序编写软件
Simatic S7-200smart PLC采用西门子公司编程软件STEP7-MicroWinSmart[4]。该软件为S7-200smart PLC专用编程软件，界面友好，配置方便，尤其是针对S7-200smart PLC的以太网通讯向导功能大大简化了各子站间信号的传递，提高了编程效率。
Simatic S7-300 PLC的编程软件仍采用其标准编程软件STEP7 V5。
4.2 上位机组态软件
Wincc v6是一款功能强大的HMI系统.它可以组态界面并且可以对数据进行归档[5]。本项目上位机组态软件使用WINCC 7.3。WINCC作为西门子软件体系中组态与过程显示控制的软件，已经广泛使用于各型控制系统中，其显著特点为运行比较稳定，软件内部错误较少。
4.3 OPC服务器软件
OPC （OLE for Process Control） 技术是以Microsoft公司的OLE/COM技术为基础建立的一项技术规范与标准，规范定义了一个工业标准接口，为工业控制领域提供了标准的数据访问机制[6]。因而OPC技术对于不同厂家的DCS和PLC控制系统具有良好的兼容性，可以针对不同型号、不同厂家的DCS或PLC系统，利用OPC技术实现不同DCS系统间的数据采集[7]。在实际应用过程中，考虑到本项目多种PLC及后续增加其它品牌控制设备混合使用的情况，采用OPC技术进行数据采集。OPC软件采用KEPServer，KEPserver是全球工业界领先的超级OPC服务器，它嵌入了工业市场上广泛范围的驱动程序和组件，对不同厂家品牌的PLC产品有良好支持特性。
5 工程应用效果
5.1 系统优势
5.1.1 系统完整性
当代工业控制系统要求高度信息化与自动化，本文所述系统不仅具有与当代控制系统相比完整的硬件配置架构，同时也实现了当代控制系统的远程监控、一键启停、自动记录报表等软件功能。同时系统还具有一定的扩展性，只需配置少量的软件和硬件，即可实现在无线终端控制监控整个生产流程的功能。
5.1.2 系统构架的合理性
整个系统构架合理，相比同类产品，有着明显的价格优势，如表3所示。
表3 相同构架的不同系统对比
5.1.3 系统与使用要求的符合性
作为实验设备，快速部署和拆除是重点要求。本套系统各控制站完全独立，随移动底架可以随意布置。子站间与上位机使用工业以太网连接，物理连接拆装非常方便，无需使用专用制线工具和具有专业知识的施工人员。
其次，由于实验系统的特殊性，要求控制系统稳定性高。本套系统以工业以太网为控制网，配置形式灵活，如配置相对高性能的交换机，还可以构成环网等具有冗余功能的配置。
5.2 工程应用效果
本系统应用于“高含盐废水深度处理与资源化”中型试验设备并随整体设备顺利通过168 h连续运行测试。图2为试验场地一角，图中控制柜内包含控制站7、8。图3为机柜内控制站及交换机布置情况。测试期间系统运行稳定，未发生任何停机故障。
图2 试验现场（局部）
图3 控制站（4号底架控制柜）
6 结束语
本文提出一种基于Simatic S7-200smart PLC的小型分布式控制系统，该系统具有良好的性价比和可移植性，具有易于部署和拆除的特点。经过实际使用，系统运行稳定，完全实现了控制要求。中试装置具有良好的处理效果，可以实现废水的零排放以及产品水和产品盐的资源化利用目标[8]。
