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計算機與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應用
計算機與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應用
近年來,，國際市場上石化產品的競爭日趨激烈。與國外同類產品相比,，我國的石化產品無論在生產工藝上,，還是產品質量上，都存在著相當大的差距,。為改變我國石化產品發(fā)展嚴重滯后的局面,，國內石化行業(yè)的許多廠家已開始向產品的多樣化、添加劑材料和配方的高科技化邁進,。我們應有關廠家提出的技術要求,，針對石化產品生產工藝復雜、添加劑配比要求嚴格,、品種多樣,、互換性差的特點，開發(fā)研制了計算機與PLC集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制可靠,、操作簡便,、開放性強、性能價格比高,，在國內石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應用后,，受到好評。
一,、系統(tǒng)組成
計算機與PLC集成控制系統(tǒng)由生產系統(tǒng)和非生產系統(tǒng)二部分組成(如圖1),。生產系統(tǒng)主要由微型機、適配器,、PLC,、執(zhí)行機構及現(xiàn)場儀表等部分組成。非生產系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏,、電視監(jiān)視設備,、現(xiàn)場通話設備、質量檢查系統(tǒng),、管理信息系統(tǒng)等部分組成,。中央控制室負責處理來自生產系統(tǒng)和非生產系統(tǒng)的大量信息。通過計算機與PLC集成控制系統(tǒng),，將潤滑油廠的各生產車間,、附屬部門以及總廠廠部聯(lián)成了密不可分的整體，從而最大限度地利用了信息資源,。
圖1 計算機集成控制系統(tǒng)的組成
二,、系統(tǒng)功能
為滿足用戶提出的技術要求和現(xiàn)場的工況，此控制系統(tǒng)的設計具有以下功能：
1,、根據(jù)用戶提出的技術要求,，按照添加劑配方的比例精確地配制生產各種型號的石化產品，并且通過微型機和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個生產過程的自動化,。
2,、通過自行開發(fā)的計算機軟件，實現(xiàn)生產現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控,。良好的人機界面,、清晰的組態(tài)圖形，使得操作人員通過計算機屏幕,，對于現(xiàn)場的各種工況變化一目了然,。
3,、在現(xiàn)場生產中,，為提高整個控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器、電動機,、電動閥,、電磁閥等設備上均設計了局部反饋功能，這些相互獨立系統(tǒng)的局部反饋功能構成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持,。
4,、當系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報警或油面報警時，一方面通過PLC程序實現(xiàn)自動停車,，另一方面借助于語音卡,，在控制間的操作人員可以立即聽到報警信號，及時采取相應措施,。
5,、考慮到生產現(xiàn)場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處,，技術人員不宜靠近,，在現(xiàn)場設置了電視監(jiān)視設備，讓技術人員實現(xiàn)遠程監(jiān)控,。為便于管理,，還安裝了現(xiàn)場通話設備。
6,、在中央控制室設置了1個大屏幕模擬顯示屏,，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態(tài)顯示油的液位,、流向,，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產狀況。
7,、通過微機聯(lián)網(wǎng),，質量檢查部門可以直接得到工業(yè)現(xiàn)場的信息，各管理部門之間也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享,。
三,、硬件與軟件設計
1、硬件設計
在本系統(tǒng)中,，工業(yè)現(xiàn)場控制是核心,，而工業(yè)現(xiàn)場控制主要由PLC系統(tǒng)完成，所以如何合理有效地使用PLC技術就成了設計的關鍵,。PLC的特點是控制可靠,，編程簡單，但程序內存不大,，不能進行復雜的編程,；而石化產品的特點是生產工藝復雜,，產品型號繁多，往往1條生產線就能夠生產幾十種型號的產品,。這就形成了一對矛盾,。如果設計時采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng)，那么1條生產線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉換模塊,。投資巨大,，而且按照現(xiàn)代控制理論，在1個控制系統(tǒng)中配置的控制模塊越多,，控制越不可靠,。為了減少投資和增強控制的可靠性，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進行了多項創(chuàng)新,。
以潤滑油生產線為例,，在潤滑油生產車間，有攪拌溫度,、添加劑溫度,、輸油泵壓力、油罐的液面等共計32路模擬信號需要檢測,。如果按常規(guī)設計,，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資,，設計了多路開關切換電路,，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能。圖2為FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖,。
圖2 FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖
圖2中,，F(xiàn)X-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊，Y0,、Y1,、Y2、Y3為PLC的任意輸出觸點,。FX-4AD模塊的多路開關切換電路的設計實質上是通過1個多路開關控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測,、添加劑溫度檢測、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項功能,，其中多路開關的4個轉換觸點接PLC的輸出觸點,，由PLC編程控制。這個多路開關切換電路簡單實用,，而且節(jié)省了大量投資,，實踐證明，該電路在控制精度上*用戶的需要,。
2,、軟件設計
在計算機與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設計中,，也采用了許多新的設計思想。
仍以潤滑油生產車間為例,，按照用戶提出的72種潤滑油的生產工藝和技術要求,，如果用常規(guī)方法編程,，需要12臺PLC基本模塊,。為節(jié)約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點),，用逐項查表的方法編寫了1個72種潤滑油的通用程序,，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實現(xiàn)的功能。
我們選用了三菱公司生產的FX系列的可編程序控制器,，文件寄存器共計2 000點(D1000～D2999),。為節(jié)約程序內存，充分利用PLC本身提供的指令資源,，我們選用了字傳送方式,，用1個16bit的字來控制PLC觸點的16個輸出觸點，而不必像過去那樣,，1條指令只能控制1個輸出觸點,。例如在圖3中，首先X0導通,，十進制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0,，接著X1導通，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉化為二進制數(shù)“0000 0000 0000 0110"送入K4Y0,，控制輸出Y0～Y17共計16個觸點的動作,，其開關動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應。如圖4所示,，“1"控制輸出觸點導通,，“0"控制輸出觸點關斷。在此例中,，Y1,、Y2觸點導通，其余輸出觸點關斷,。
圖3 字傳送方式控制輸出觸點示意圖
圖4 數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個觸點的對應關系
通過字傳送方式,，我們用1條指令就可控制16個電動閥及輸油泵的動作，大大節(jié)省了程序空間,。在這種設計思想下,，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫，然后輸入文件寄存器,，并在此基礎上,，編制了72種潤滑油的通用程序,。在通用程序運行時，根據(jù)某一潤滑油的型號,，通過查表的方式,，在文件寄存器中調出對應的數(shù)據(jù)段(這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤滑油的工藝流程)，然后該數(shù)據(jù)自動輸入PLC的控制程序,，使得PLC按照規(guī)定的工藝流程控制整個執(zhí)行機構工作,。如圖5所示之例，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態(tài)字存于文件寄存器D1050～D1060 10個字節(jié)中,。程序運行時,，首先根據(jù)潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后,，調出D1050～D1060 10個字節(jié)的數(shù)據(jù),，然后輸入到通用程序的相應寄存器，參與工業(yè)控制,。
圖5 文件寄存器示意圖
四,、計算機與PLC的通信技術
在計算機與PLC集成控制系統(tǒng)中，一個關鍵的技術問題是計算機與PLC的通信,。若在整個系統(tǒng)設計中全部采用進口器件,，軟件也選用相應的進口產品，那么,，整個工程造價驚人,。針對這種情況，我們自行開發(fā)了計算機與PLC的串行通信技術,。該技術設計思想*,，軟硬件簡單實用，可靠性高,，性能價格比好,，兼容性強，可適用于市場上多種型號的計算機與PLC,。
從硬件上講,，現(xiàn)在中國市場上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口,；而微型機多采用RS232接口,。這樣在計算機與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉換模塊，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求,，這個轉換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能,，而選用高性能進口模塊，必定提高工程造價,。
針對這種情況,，為降低工程造價,，我們在硬件上用1根普通的通信電纜代替進口的通信模塊，在電纜的接口處采用*的電路設計技術和單片機技術,，以完成信號的隔離和放大功能,。實踐證明，通信的可靠性*可以和國外的進口模塊媲美,，而且造價極低,。
從軟件上講，計算機和PLC的通信技術屬于保密技術,，長期為國外公司壟斷,。這就使得我們只要選用了該廠家生產的PLC,，就必須選用它開發(fā)的工控軟件,，提高工程造價。針對這種情況,，我們開發(fā)了自己的工控軟件,。下面以三菱公司生產的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設計,。FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示,。
表1 FX系列可編程序控制器的命令格式
| 命令 | 命令號 | 日標設備 | 功能 |
| 設備讀 | 命令‘0’ | X/Y/M/S/T/C/D | 讀位設備或字設備狀態(tài) |
| 設備寫 | 命令‘1’ | X/Y/M/S/T/C/D | 寫位設備或字設備 |
| 強制開 | 命令‘7’ | X/Y/M/S/T/C | 打開位設備 |
| 強制關 | 命令‘8’ | X/Y/M/S/T/C | 關閉位設備 |
每一個字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6,。
圖6 字符傳輸格式
例如,，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。
圖7 字符“F"的傳輸格式
一般文本數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8,。
圖8 文件數(shù)據(jù)傳輸格式
圖8中,，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H,；ETX為文本的結束,，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符,，取‘0’,、‘1’、‘7’,、‘8’,。
在STX之后，被傳送數(shù)據(jù)的ASCII之和,，也被作為2個字符碼發(fā)送,。
例如，實現(xiàn)從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù),，執(zhí)行傳輸格式如圖9,。
求和：
30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H＝74H
圖9 傳輸格式之例
通過改變命令號和地址號,，就可以實現(xiàn)計算機與PLC之間的讀、寫,、強制開關等基本功能,，用戶可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎上,，根據(jù)實際情況靈活地用C語言開發(fā)自己的通信程序,，這正體現(xiàn)了該軟件的開放性特點。
五,、結束語
計算機集成控制系統(tǒng)采用了*的系統(tǒng)集成的設計思想,，投入運行后，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益,。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面,，尤其在PLC控制方面，獨樹一幟,，以其控制功能和良好的性能價格比,，贏得了用戶的廣泛贊譽。