摘? 要: 結(jié)合復(fù)合肥生產(chǎn)的特點(diǎn),介紹了一套基于PLC和牛頓7000產(chǎn)品構(gòu)成的集散型控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),給出控制系統(tǒng)的硬件配置、軟件設(shè)計(jì),討論了利用集散型控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化管理。?
關(guān)鍵詞: 集散控制系統(tǒng),可編程序控制器,組態(tài)王,復(fù)合肥?
?
目前國內(nèi)化肥企業(yè)為了改變自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、適應(yīng)市場(chǎng)需求,都在根據(jù)自身的實(shí)際情況,由單一肥的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向復(fù)合肥的生產(chǎn)。但復(fù)合肥生產(chǎn)中需要控制的工藝參數(shù)較多,若采用傳統(tǒng)的人工操作,不但耗費(fèi)人力,而且由于人為因素較多而造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,因此采用自動(dòng)控制十分必要。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)完成整個(gè)生產(chǎn)的優(yōu)化控制和管理。?
1 復(fù)合肥生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介?
復(fù)合肥生產(chǎn)工藝中需將幾種原料按比例混合后進(jìn)入造粒機(jī),尿素溶解后形成尿液經(jīng)尿液泵、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)也進(jìn)入造粒機(jī),同時(shí)進(jìn)入造粒機(jī)的還有熱水、蒸汽、泥漿。造粒后粒狀物輸送到烘干機(jī),某些不符合顆粒要求的粒狀物再返回到配料區(qū)與原料混合后重新進(jìn)入造粒機(jī)。其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。
?
?
生產(chǎn)中工藝參數(shù)較多,有各種原料的配比、各原料的養(yǎng)分、原料量、返料量,尿素溶解工藝中水和尿素的比例,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還有許多溫度、液位、壓力、流量需顯示和控制,生產(chǎn)線上" title="生產(chǎn)線上">生產(chǎn)線上相關(guān)設(shè)備的開啟存在連鎖,一些回路之間還有比值關(guān)系。因此適合用集散型控制系統(tǒng)來完成整個(gè)生產(chǎn)線的監(jiān)控。?
2 系統(tǒng)構(gòu)成?
本集散型控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)合肥車間的造粒機(jī)、烘干機(jī)和所有皮帶秤、提升機(jī)、皮帶機(jī)、除塵發(fā)送罐、返料破碎機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。造粒機(jī)的檢測(cè)控制參數(shù)為水量、蒸汽量、尿液量、泥漿量;烘干機(jī)的檢測(cè)控制參數(shù)為熱風(fēng)爐爐頭溫度、三個(gè)熱風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)溫度;尿素溶解工藝中檢測(cè)控制參數(shù)為溶解槽液位、溫度;皮帶秤的檢測(cè)參數(shù)為通過秤的物料重力和速度信號(hào),控制參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中開關(guān)量為設(shè)備的開啟信號(hào),根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)順序,對(duì)于生產(chǎn)線上各種設(shè)備的開啟和工況進(jìn)行連鎖控制,即后道工序要以前道工序的正常運(yùn)行為前提。整個(gè)系統(tǒng)共有模擬量輸入41個(gè)、模擬量輸出17個(gè)、數(shù)字量" title="數(shù)字量">數(shù)字量輸入56個(gè)、數(shù)字量輸出45個(gè)。系統(tǒng)采用如圖2所示的PC+PLC的雙層結(jié)構(gòu)模式。需經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)操作的,即包裝工段和配料區(qū)的部分皮帶秤,采用威達(dá)工控的牛頓7000系列產(chǎn)品開發(fā)的控制儀進(jìn)行控制,其它皮帶秤由PLC直接控制。?
?
?
系統(tǒng)的上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)為兩臺(tái)PC機(jī)。其中一臺(tái)在現(xiàn)場(chǎng)站,它在車間控制室,用于監(jiān)控生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù),并能對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行操作及設(shè)定各參數(shù),是主要監(jiān)控設(shè)備。由于使用條件比較惡劣,故要求可靠性較高,選用臺(tái)灣研華IPC-610工控機(jī),PCA-615/586型CPU卡、128M內(nèi)存、20G硬盤。另一臺(tái)PC機(jī)在遠(yuǎn)程站,它在車間辦公室,主要用于監(jiān)控工藝數(shù)據(jù)和生產(chǎn)情況,通常不對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行操作,因此利用了辦公室原有的PC機(jī)。?
系統(tǒng)的下位機(jī)為PLC。根據(jù)車間生產(chǎn)設(shè)備分布情況,下位機(jī)選用兩臺(tái)SIEMENS的S7-315PLC,分別放置于兩個(gè)控制室內(nèi)。PLC的每個(gè)控制單元的輸入、輸出模塊通道都略有盈余,便于功能擴(kuò)展和維護(hù),其具體配置如下:?
PLC1的配置為:PS307電源模塊一只,CPU315一只, 8通道模擬量輸入模塊SM331兩只,4通道模擬量輸出模塊SM332一只,32通道數(shù)字量輸入模塊SM321一只,32通道數(shù)字量輸出模塊SM322一只。?
PLC2的配置為:PS307電源模塊一只,CPU315一只,IM365接口模塊一對(duì)(用于兩個(gè)機(jī)架間通信), 8通道模擬量輸入模塊SM331四只,4通道模擬量輸出模塊SM332四只,32通道數(shù)字量輸入模塊SM321一只,32通道數(shù)字量輸出模塊SM322一只。?
上位機(jī)和下位機(jī)之間采用了SIEMENS的MPI網(wǎng)絡(luò)連接。兩臺(tái)上位機(jī)都是通過MPI接口卡(CP5611)和MPI總線相連。由于遠(yuǎn)程站離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn),故采用RS485中繼器,用來放大總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)。這樣連接的好處有:?
(1)正常使用時(shí),把遠(yuǎn)程站的操作權(quán)限設(shè)定為最低,使其只能監(jiān)控生產(chǎn)線,而不能修改參數(shù)、操作生產(chǎn)線,所有的操作都在現(xiàn)場(chǎng)站完成。一旦現(xiàn)場(chǎng)站有故障,可以隨時(shí)切換到遠(yuǎn)程站上進(jìn)行操作,只需用操作權(quán)限高的身份登錄,遠(yuǎn)程站就代替了現(xiàn)場(chǎng)站進(jìn)行各種操作;?
(2)由于兩臺(tái)上位機(jī)都通過MPI卡和MPI網(wǎng)絡(luò)相連,所以數(shù)據(jù)傳輸速度快,并且穩(wěn)定可靠;?
(3)相對(duì)于組態(tài)軟件已提供的雙機(jī)冗余功能,這種方法的優(yōu)勢(shì)在于切換時(shí)間、可靠性等方面,更適合于本系統(tǒng)。?
所有的控制工作都由PLC完成,上位機(jī)只負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面,進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表打印,PLC能脫離上位機(jī)正常工作,同時(shí)配有電池,可以保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,PLC一直與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信,從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)相一致;操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定的參數(shù)也都可以實(shí)時(shí)地送到PLC上執(zhí)行。生產(chǎn)線上所有的設(shè)備都有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開關(guān),可隨時(shí)脫離控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到手動(dòng)操作模式,而不影響整條生產(chǎn)線的工作,便于設(shè)備維護(hù),增進(jìn)了系統(tǒng)可靠性。?
3 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)?
3.1 7188程序設(shè)計(jì)?
如前所述,部分皮帶秤采用威達(dá)工控的牛頓7000系列產(chǎn)品開發(fā)的控制儀進(jìn)行控制。7000系列產(chǎn)品適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)離散數(shù)據(jù)采集和控制,其最大特點(diǎn)是使用靈活方便,可根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的模塊,從而組建成各種應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)中用了7000系列產(chǎn)品中的四種模塊。用ICP-7188作為主控模塊;用ICP-7016采集秤體的重力信號(hào)和輸入的設(shè)定流量;用ICP-7080采集速度信號(hào)(來自皮帶秤電機(jī)上的脈沖信號(hào));7021輸出秤的瞬時(shí)流量信號(hào)(4～20mA)。各模塊間和變頻器之間通信采用串行通信。人機(jī)界面由六位數(shù)碼管和輕觸按扭構(gòu)成,可以設(shè)定各種參數(shù)。7188程序由C語言編制,采用模塊化程序設(shè)計(jì)" title="程序設(shè)計(jì)">程序設(shè)計(jì)。程序共分以下幾個(gè)主要模塊:?
(1)I/O采集模塊? 完成重力信號(hào)(mV信號(hào))的采集,速度信號(hào)(脈沖頻率)的采集,7021的控制,對(duì)變頻器的控制(包括頻率設(shè)置、啟停控制);?
(2)秤核心控制及存儲(chǔ)模塊? 完成初始化操作,狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析,自動(dòng)控制、測(cè)皮控制、標(biāo)定控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作;?
(3)鍵盤分析模塊? 分析鍵盤的輸入,決定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化及顯示; ?
(4)顯示模塊? 顯示各類數(shù)據(jù)。?
累計(jì)量、設(shè)定量等需記憶的頻繁變化量,存儲(chǔ)在7188 NVRAM中(共31byte)。皮重、標(biāo)定系數(shù)等需記憶但變化不頻繁的參數(shù),存儲(chǔ)在E2PROM中(共2Kbyte)。E2PROM中的數(shù)據(jù)只有改變后才存貯,NVRAM中的數(shù)據(jù)每秒存儲(chǔ)一次。?
3.2 PLC程序設(shè)計(jì)?
PLC完成整個(gè)車間的數(shù)據(jù)采集和控制,編程采用SIEMENS的STEP7開發(fā)實(shí)現(xiàn),STEP7不是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言,我們?cè)诰唧w編程時(shí)借鑒面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想。例如在配料秤的控制上,將配料秤的控制集中到一個(gè)功能塊(FB)中,不同的秤配以不同的數(shù)據(jù)塊(DB)。這樣就實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)和代碼的分開,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序的工作量。具體設(shè)計(jì)程序時(shí),對(duì)于AI、DI可直接讀入某一DB中,由上位機(jī)讀取;對(duì)于回路控制,可利用STEP7中的PID控制功能塊(FB41)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際調(diào)試中,整定參數(shù)后,基本能滿足控制要求。PLC除了完成數(shù)據(jù)采集和控制外,把一些工藝數(shù)據(jù)計(jì)算(如產(chǎn)品養(yǎng)分分析、產(chǎn)量累計(jì)等)也放到PLC中進(jìn)行。這樣即使上位機(jī)有故障或其與PLC通信有故障,關(guān)鍵數(shù)據(jù)也不受影響。?
3.3 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)?
上位機(jī)操作系統(tǒng)采用Microsoft的Windows98,其通用性好、功能強(qiáng)?？紤]到性能價(jià)格比,工控軟件選用國內(nèi)產(chǎn)品——北京亞控的“組態(tài)王”。“組態(tài)王”是一國產(chǎn)的工業(yè)組態(tài)軟件,它以Windows98/Windows 2000/Windows NT4.0 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái),充分利用了Windows 圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn),具有強(qiáng)大的控制功能,內(nèi)部采用了類C語言,基本滿足控制的要求。采集和顯示數(shù)據(jù)的功能也較完善,只要安裝好設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序就能與各種PLC、智能儀表、板卡及變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信,還可以與其它計(jì)算機(jī)相連,組成一個(gè)企業(yè)的分布式生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)。與國外著名的組態(tài)軟件相比,價(jià)格低是“組態(tài)王”的最大優(yōu)勢(shì)。利用它設(shè)計(jì)了如下畫面:?
(1)各工段工藝流程顯示? 提供形象、直觀的工藝流程圖畫面,所有的開、關(guān)操作都可在這類畫面上實(shí)現(xiàn)。同時(shí),流程圖中的所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀表都可查詢?cè)O(shè)備名稱、設(shè)備號(hào)、儀表號(hào)及測(cè)量信號(hào)名稱。另外,所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的參數(shù)及設(shè)備啟停狀況都反映在流程圖上;?
(2)配料參數(shù)畫面? 可在該畫面上輸入與配料相關(guān)的各種參數(shù);?
(3)造粒機(jī)參數(shù)畫面? 造粒機(jī)是復(fù)合肥生產(chǎn)工藝中重要的設(shè)備,與之相關(guān)的參數(shù)也較多,在此畫面中可設(shè)定和顯示各個(gè)相關(guān)參數(shù);?
(4)配粒秤參數(shù)設(shè)定畫面? 部分配料秤是由PLC直接控制的,其參數(shù)設(shè)定、標(biāo)定、測(cè)皮等都在這個(gè)畫面中進(jìn)行;?
(5)模擬量顯示與設(shè)定? 對(duì)一些模擬量工藝參數(shù),除了在流程圖上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)顯示測(cè)量值外,還在此畫面上用表格顯示各參數(shù)的信息,包括測(cè)量值、設(shè)定值、最大值、最小值、報(bào)警上下限等。用趨勢(shì)曲線監(jiān)視參數(shù)變化情況或歷史變化情況,使操作人員全面了解參數(shù)狀態(tài);?
(6)開關(guān)量匯總畫面? 該畫面集中顯示了各工段開關(guān)量輸入/輸出的狀態(tài),可以啟停設(shè)備,對(duì)一些參與連鎖的設(shè)備還可設(shè)定是否參與連鎖;?
(7)控制回路操作畫面? 顯示了各控制回路的設(shè)定值、實(shí)際值、輸出控制量、手/自動(dòng)狀態(tài),并可在線整定PID參數(shù);?
(8)報(bào)警畫面? 該畫面在有報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出,對(duì)設(shè)備故障和參數(shù)越限進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,還可以查詢報(bào)警歷史情況,便于管理人員了解生產(chǎn)情況;?
(9)報(bào)表畫面? 顯示了生產(chǎn)線上一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù),并可打印輸出。?
通過這些畫面,可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)車間全面地監(jiān)控,滿足了廠家要求。?
3.4 尿液量與混料量的比值調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)?
在復(fù)合肥生產(chǎn)線上,混合料皮帶秤要將幾種原料按配比混合后送到造粒機(jī),同時(shí)還要根據(jù)進(jìn)入造料機(jī)的原料量按一定比例調(diào)節(jié)送入尿液量。本文所介紹的系統(tǒng)是改造項(xiàng)目,某些設(shè)備的位置受原車間設(shè)備排列影響較大,如混合料皮帶秤到造粒機(jī)之間距離較遠(yuǎn),傳輸需一段時(shí)間,即混合料流量和進(jìn)造粒機(jī)的物料流量有一段延時(shí)。同時(shí)受返料量變化等影響,混料量變化有時(shí)較大,引起尿液量設(shè)定量變化也較大,結(jié)果造成尿液控制回路有較大的誤差。鑒于以上原因,我們利用組態(tài)王命令語言(類C語言)較容易地解決了此問題,程序流程如圖3所示,每秒執(zhí)行一次。程序中定義兩個(gè)數(shù)組,長度為TaveMAX和TdelayMAX,分別用來計(jì)算流量平均值和延時(shí),其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為隊(duì)列,即數(shù)據(jù)先進(jìn)先出。Tave是平均時(shí)間(單位:秒,最大為TaveMAX),Tdelay是延時(shí)時(shí)間(單位:秒,最大為TdelayMAX),兩者都可通過界面改變大小。
?
?
4 生產(chǎn)優(yōu)化管理設(shè)計(jì)?
由于系統(tǒng)把生產(chǎn)線上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)都采集到控制系統(tǒng)中,所以能完成分散儀表型控制設(shè)備難以勝任的一些高級(jí)功能,如某些回路的模糊控制,各控制回路間相關(guān)控制等。本系統(tǒng)結(jié)合復(fù)合肥生產(chǎn)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)優(yōu)化。由于復(fù)合肥生產(chǎn)需要數(shù)種原料,各原料的成分和價(jià)格各不相同且不斷變化,如何選擇原料使成品生產(chǎn)成本最低是廠家十分關(guān)心的問題。這項(xiàng)工作通常由企業(yè)化驗(yàn)室或工藝部門決定,造成與生產(chǎn)過程脫鉤、計(jì)算周期長和人為因素多,難以保證得到最優(yōu)結(jié)果。在本系統(tǒng)中, 系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了配方實(shí)時(shí)智能計(jì)算功能,保證了成品成本時(shí)刻處于最優(yōu)狀態(tài)。這主要通過以下兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。?
(1)由于返料是半成品,其成分和原料不同,故在生產(chǎn)中不斷計(jì)算中間產(chǎn)品混料后物料的成分,根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)進(jìn)造粒機(jī)的尿液量、泥漿量,使產(chǎn)品養(yǎng)分保持穩(wěn)定; ?
(2)根據(jù)各原料的成分、庫存及價(jià)格,不斷計(jì)算能否實(shí)現(xiàn)所需的復(fù)合肥,同時(shí)利用帶參量的線性方程實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)過程,定時(shí)改變配比方案或給出建議,實(shí)現(xiàn)成品成本最優(yōu)。?
生產(chǎn)過程中若原料的種類、成份、價(jià)格等因素發(fā)生變化,可在配料參數(shù)畫面中修改相應(yīng)的原料表,系統(tǒng)就根據(jù)修改后的參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算并控制,相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)可供生產(chǎn)管理人員參考。?
以PLC或智能儀表作現(xiàn)場(chǎng)控制器,以工控機(jī)配置組態(tài)軟件作為上位機(jī),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)共享,是目前工廠自動(dòng)化的流行配置。本文所介紹的系統(tǒng)即為一典型應(yīng)用,它投入實(shí)際運(yùn)行近一年,效果較好。與此類似的系統(tǒng)也有幾套在江蘇、湖北、遼寧等幾個(gè)大中型化肥廠的復(fù)合肥車間投入使用。我國目前化肥廠復(fù)合肥改造項(xiàng)目較多,該系統(tǒng)具有極大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。?
參考文獻(xiàn)?
1 STEP 7 V5.0編程手冊(cè).SIEMENS公司,2000?
2 王常力,廖道文. 集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社,1993?
3 組態(tài)王6.0使用手冊(cè). 北京亞控公司,2001?
4 崔巍,張文修. 一種基于PLC的模糊控制方法.機(jī)電一體化,2001(3)?
5 徐 玲,潘豐,劉飛,須文波.DCS在檸檬酸發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2001(2)?