1 引言
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡(jiǎn)單、可靠性高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以PLC為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)也向大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。它已成為與DCS并駕齊驅(qū)的主流工業(yè)控制系統(tǒng)。
山鋁水泥廠是山東鋁業(yè)公司的下屬分公司，有著50余年的歷史。而今由于生產(chǎn)工藝相對(duì)落后，導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高。因此，公司于2003年建立了新型干法燒制水泥的生產(chǎn)線，原有的幾條老線面臨著改造。本文介紹的3#旋窯改造后應(yīng)同時(shí)具備生產(chǎn)氧化鋁熟料、水泥熟料的兩條工藝流程。
2 系統(tǒng)要求
3#旋窯監(jiān)控系統(tǒng)要將整條生產(chǎn)線的近70多處壓力、溫度、流量、料位等模擬量，再加上所有電機(jī)、變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、軟啟動(dòng)器的開關(guān)量和模擬量等測(cè)控點(diǎn)在生產(chǎn)調(diào)度中全集中監(jiān)控,并將監(jiān)控結(jié)果傳送到中央控制室的計(jì)算機(jī)中;同時(shí)要求中央控制室內(nèi)安裝工業(yè)大屏幕一塊，負(fù)責(zé)讀取顯示3#旋窯的一些重要工藝參數(shù)。
要求所有電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)中控/本地兩地控制;要求各控制站間采取分布式I/O方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)的線纜敷設(shè)，減少系統(tǒng)故障的發(fā)生，易于檢修和維護(hù)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 方案論證
我們著重研究了目前工業(yè)控制比較流行的PLC控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS三大控制系統(tǒng)。
由于屬于老設(shè)備改造，一些原有的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表不具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口，即使具備也難以達(dá)成統(tǒng)一的通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如全部更新，投資太多，所以論證初期就放棄了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。
PLC與DCS的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)全面移植到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制上了，傳統(tǒng)的編程器早就被淘汰，大型PLC與DCS的界線已經(jīng)逐步淡化。經(jīng)過(guò)比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)的可能性、性價(jià)比、維護(hù)的方便程度(本廠有PLC維護(hù)人員)等多方面考察，最后決定選擇SIEMENS(西門子)的S7-300及S7-200系列產(chǎn)品組成PLC控制系統(tǒng)。
3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3#旋窯監(jiān)控系統(tǒng)包括:煤磨系統(tǒng)、篦冷機(jī)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、電收塵系統(tǒng)及電收塵降溫系統(tǒng)(電收塵降溫系統(tǒng)為工程后續(xù)添加部分)。
根據(jù)采取分布式I/O方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的思想，并充分考察了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，最后決定現(xiàn)場(chǎng)站采用兩臺(tái)SIEMENS的S7-300 CPU314-2DP作為主站，分別命名為窯前控制站和窯尾控制站。窯前控制站和窯尾控制站，分別配置SIEMENS標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模塊CP343-1, 利用工業(yè)以太網(wǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議與控制管理層操作員站及工程師站進(jìn)行通訊，通訊速率可達(dá)100M。同時(shí)，采用PROFIBUS DP通訊標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)I/O站ET200M進(jìn)行通訊，波特率可達(dá)12M。系統(tǒng)還配置了兩臺(tái)SIEMENS的S7-200 CPU226作為從站。其中一臺(tái)CPU226通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP243-1連接到網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)從管理計(jì)算機(jī)讀取現(xiàn)場(chǎng)重要工藝參數(shù)并傳送到工業(yè)大屏幕，以方便操作人員直觀讀取重要工藝參數(shù)(刷新速率小于1秒);另一臺(tái)CPU226為工程后續(xù)添加部分, 作為電收塵降溫系統(tǒng)從站，通過(guò)通訊模塊EM277，采用PROFIBUS DP通訊標(biāo)準(zhǔn)與窯尾控制站通訊。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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3.3 標(biāo)準(zhǔn)化編程
大型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)很難一個(gè)人完成，因此需要很多人的分工與合作。標(biāo)準(zhǔn)化編程就是要使軟件工程師編寫的程序整齊劃一，通用性和可讀性強(qiáng)，除了作者本人,閱讀者也能輕而易舉地理解作者的編程思想和工藝要求。這樣不但可以使編程人員不再糾纏編程的枝節(jié)問(wèn)題，縮短編制程序的時(shí)間，集中精力解決更加困難的工藝上的問(wèn)題;而且有利于維護(hù)人員對(duì)程序的理解，為生產(chǎn)保駕護(hù)航提供了更加寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙編制各系統(tǒng)的點(diǎn)號(hào)表。
(2) 根據(jù)點(diǎn)號(hào)表編制STEP7符號(hào)表(SYMBOL);再根據(jù)點(diǎn)號(hào)表找出各控制設(shè)備的輸入/輸出點(diǎn)號(hào)，據(jù)此定義下列STEP7使用的中間線圈點(diǎn)號(hào):模擬手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換選擇開關(guān);啟動(dòng)按鈕、停止按鈕(對(duì)單線圈的泵或電磁閥);開啟按鈕、關(guān)閉按鈕、停止按鈕(對(duì)雙線圈的電動(dòng)閥);手動(dòng)輸出值、給定值、比例系數(shù)、積分時(shí)間(對(duì)PID調(diào)節(jié)閥)。
(3) 根據(jù)各控制設(shè)備的輸入/輸出點(diǎn)號(hào)和中間線圈點(diǎn)號(hào)編制各控制設(shè)備的手動(dòng)程序;最后根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書編制各控制設(shè)備之間的邏輯連鎖程序，即自動(dòng)程序。
部分STEP7程序如圖2所示:
圖2 STEP7程序示意
3.4 工業(yè)過(guò)程監(jiān)控
兩臺(tái)上位機(jī)采用西門子專業(yè)組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行工業(yè)組態(tài)，且運(yùn)行在Windows2000操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)流程圖顯示、操作面板顯示、控制回路顯示、歷史曲線顯示、歷史記錄顯示、報(bào)警信息顯示、實(shí)時(shí)操作記錄顯示、工藝數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)及報(bào)表打印。用戶操作界面為圖形界面，所有操作風(fēng)格為“所見即所得”，操作方式為鼠標(biāo)操作，同時(shí)也支持鍵盤快捷鍵操作。更新數(shù)據(jù)快，所有工藝數(shù)據(jù)更新時(shí)間小于一秒�？煞奖銛U(kuò)展Internet或Intranet遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，兩個(gè)操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享，互為冗余備份。過(guò)程監(jiān)控操作畫面如圖3所示。
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圖3 過(guò)程監(jiān)控操作畫面
3.5 系統(tǒng)調(diào)試
在實(shí)驗(yàn)室完成所有軟硬件組態(tài)后，利用信號(hào)發(fā)生器等工具實(shí)現(xiàn)部分功能調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次修改，最后去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。調(diào)試中也遇到了一些問(wèn)題，主要有CPU226如何讀取上位機(jī)中WinCC的組態(tài)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)部分?jǐn)?shù)據(jù)有干擾。通過(guò)西門子公司的技術(shù)支持解決了第一個(gè)問(wèn)題;在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)加信號(hào)隔離放大器和做標(biāo)準(zhǔn)接地等方法解決了干擾問(wèn)題。
4 系統(tǒng)評(píng)估
4.1 硬件評(píng)估
SIMATIC H1網(wǎng)是德國(guó)西門子公司開發(fā)的一種基于TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，它的優(yōu)點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展、速度快、兼容性好。3#旋窯監(jiān)控系統(tǒng)采用光纜作為SIMATIC H1網(wǎng)的連接介質(zhì)，有效地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的抗干擾功能，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性;SIMATIC Profibus DP網(wǎng)是西門子公司開發(fā)的一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備網(wǎng)，它的特點(diǎn)是可以在PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如變頻器、工業(yè)鍵盤、智能儀表、分布式I/O站等)之間交換數(shù)據(jù)。3#旋窯監(jiān)控系統(tǒng)采用屏蔽雙絞線作為Profibus DP網(wǎng)的連接介質(zhì)。SIMATIC300站是西門子公司的優(yōu)秀產(chǎn)品，無(wú)論在控制速度、控制精度還是抗干擾性、靈活性各方面講都處與PLC產(chǎn)品的領(lǐng)先地位。戴爾(DELL)工業(yè)微機(jī)在工業(yè)控制中應(yīng)用的也很好。
4.2 軟件評(píng)估
Windows 2000是美國(guó)Microsoft微軟公司最出色的產(chǎn)品之一，也是世界上應(yīng)用最為廣泛最可信賴的軟件平臺(tái)，因此3#旋窯監(jiān)控系統(tǒng)選用Windows 2000操作系統(tǒng)。西門子公司的WinCC的組態(tài)軟件廣泛應(yīng)用于世界各大工廠，它的數(shù)據(jù)庫(kù)、畫圖、顯示、歷史趨勢(shì)、配方緊密結(jié)合，不但可以畫出逼真的圖形，還能將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)快速顯示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按鈕來(lái)取代真正的按鈕完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作;它能將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)按時(shí)間存放在數(shù)據(jù)文件里供歷史趨勢(shì)文件調(diào)用顯示，這樣就能把幾小時(shí)、幾天、甚至幾個(gè)月前的數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)曲線的形式展示給工程師們，以便分析事故和改進(jìn)工藝;它可以利用WinCC的報(bào)表功能，方便的實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印和數(shù)據(jù)查詢功能。STEP7是西門子公司為S7-300系列PLC設(shè)計(jì)的編程軟件，它能完成龐大的邏輯控制和復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制;它的組織塊、功能塊、數(shù)據(jù)塊相結(jié)合的編程思想可以隨心所欲地實(shí)現(xiàn)各種控制要求;它的時(shí)間中斷組織塊可以實(shí)現(xiàn)短到10ms長(zhǎng)到5s的快速中斷請(qǐng)求;它的符號(hào)表(Symbol)可以輸入中文方便進(jìn)行程序注釋。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)可方便擴(kuò)展Internet或Intranet遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備網(wǎng)與上層管理、監(jiān)控網(wǎng)之間的無(wú)縫集成，既所謂的“E(EtherNet)網(wǎng)通”，有利于企業(yè)綜合自動(dòng)化、信息化進(jìn)程。沒(méi)有納入到企業(yè)局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)管控一體化，也許是這套系統(tǒng)的美中不足吧。