基于PLC的旋窯監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

基于現(xiàn)場總線的PLC控制系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡單、可靠性高和價格低廉等優(yōu)點，獲得了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著計算機信息網(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、變頻器、執(zhí)行機構(gòu)、軟啟動器的開關(guān)量和模擬量等測控點在生產(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算機中;同時要求中央控制室內(nèi)安裝工業(yè)大屏幕一塊，負責(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方式進行設(shè)計，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。

3 系統(tǒng)設(shè)計

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)場儀器儀表不具備現(xiàn)場總線接口，即使具備也難以達成統(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)全面移植到計算機系統(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)過比較二者的優(yōu)缺點，從實現(xiàn)的可能性、性價比、維護的方便程度(本廠有PLC維護人員)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方式進行設(shè)計的思想，并充分考察了現(xiàn)場環(huán)境，最后決定現(xiàn)場站采用兩臺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行通訊，通訊速率可達100M。同時，采用PROFIBUS DP通訊標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場I/O站ET200M進行通訊，波特率可達12M。系統(tǒng)還配置了兩臺SIEMENS的S7-200 CPU226作為從站。其中一臺CPU226通過以太網(wǎng)模塊CP243-1連接到網(wǎng)絡(luò)中，負責(zé)從管理計算機讀取現(xiàn)場重要工藝參數(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)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化編程

大型的自動化控制系統(tǒng)很難一個人完成，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，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)問題，縮短編制程序的時間，集中精力解決更加困難的工藝上的問題;而且有利于維護人員對程序的理解，為生產(chǎn)保駕護航提供了更加寶貴的經(jīng)驗。

(1) 根據(jù)設(shè)計圖紙編制各系統(tǒng)的點號表。

(2) 根據(jù)點號表編制STEP7符號表(SYMBOL);再根據(jù)點號表找出各控制設(shè)備的輸入/輸出點號，據(jù)此定義下列STEP7使用的中間線圈點號:模擬手/自動轉(zhuǎn)換選擇開關(guān);啟動按鈕、停止按鈕(對單線圈的泵或電磁閥);開啟按鈕、關(guān)閉按鈕、停止按鈕(對雙線圈的電動閥);手動輸出值、給定值、比例系數(shù)、積分時間(對PID調(diào)節(jié)閥)。

(3) 根據(jù)各控制設(shè)備的輸入/輸出點號和中間線圈點號編制各控制設(shè)備的手動程序;最后根據(jù)設(shè)計說明書編制各控制設(shè)備之間的邏輯連鎖程序，即自動程序。

部分STEP7程序如圖2所示：

圖2 STEP7程序示意

3.4 工業(yè)過程監(jiān)控

兩臺上位機采用西門子專業(yè)組態(tài)軟件WinCC進行工業(yè)組態(tài)，且運行在Windows2000操作系統(tǒng)上實現(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、報警信息顯示、實時操作記錄顯示、工藝數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)及報表打印。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)更新時間小于一秒。可方便擴展Internet或Intranet遠程監(jiān)控功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，兩個操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享，互為冗余備份。過程監(jiān)控操作畫面如圖3所示。

圖3 過程監(jiān)控操作畫面

3.5 系統(tǒng)調(diào)試

在實驗室完成所有軟硬件組態(tài)后，利用信號發(fā)生器等工具實現(xiàn)部分功能調(diào)試，經(jīng)過多次修改，最后去現(xiàn)場調(diào)試。調(diào)試中也遇到了一些問題，主要有CPU226如何讀取上位機中WinCC的組態(tài)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)試時部分?jǐn)?shù)據(jù)有干擾。通過西門子公司的技術(shù)支持解決了第一個問題;在現(xiàn)場通過加信號隔離放大器和做標(biāo)準(zhǔn)接地等方法解決了干擾問題。

4 系統(tǒng)評估

4.1 硬件評估

SIMATIC H1網(wǎng)是德國西門子公司開發(fā)的一種基于TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，它的優(yōu)點是連接簡單、便于擴展、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)，有效地實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾功能，保證了系統(tǒng)運行的可靠性;SIMATIC Profibus DP網(wǎng)是西門子公司開發(fā)的一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備網(wǎng)，它的特點是可以在PLC與現(xiàn)場設(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)微機在工業(yè)控制中應(yīng)用的也很好。

4.2 軟件評估

Windows 2000是美國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，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、畫圖、顯示、歷史趨勢、配方緊密結(jié)合，不但可以畫出逼真的圖形，還能將現(xiàn)場數(shù)據(jù)快速顯示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按鈕來取代真正的按鈕完成對現(xiàn)場設(shè)備的操作;它能將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)按時間存放在數(shù)據(jù)文件里供歷史趨勢文件調(diào)用顯示，這樣就能把幾小時、幾天、甚至幾個月前的數(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工藝;它可以利用WinCC的報表功能，方便的實現(xiàn)報表打印和數(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現(xiàn)各種控制要求;它的時間中斷組織塊可以實現(xiàn)短到10ms長到5s的快速中斷請求;它的符號表(Symbol)可以輸入中文方便進行程序注釋。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)可方便擴展Internet或Intranet遠程監(jiān)控，實現(xiàn)工業(yè)自動化設(shè)備網(wǎng)與上層管理、監(jiān)控網(wǎng)之間的無縫集成，既所謂的“E(EtherNet)網(wǎng)通”，有利于企業(yè)綜合自動化、信息化進程。沒有納入到企業(yè)局域網(wǎng)中實現(xiàn)管控一體化，也許是這套系統(tǒng)的美中不足吧