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              計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用

近年來,，國際市場上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈,。與國外同類產(chǎn)品相比，我國的石化產(chǎn)品無論在生產(chǎn)工藝上,，還是產(chǎn)品質(zhì)量上,，都存在著相當(dāng)大的差距。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴(yán)重滯后的局面,，國內(nèi)石化行業(yè)的許多廠家已開始向產(chǎn)品的多樣化,、添加劑材料和配方的高科技化邁進(jìn)。我們應(yīng)有關(guān)廠家提出的技術(shù)要求,，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜,、添加劑配比要求嚴(yán)格、品種多樣,、互換性差的特點(diǎn),，開發(fā)研制了計算機(jī)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(qiáng)、性能價格比高,，在國內(nèi)石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用后,，受到好評。

一,、系統(tǒng)組成

計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)二部分組成(如圖1),。生產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型機(jī)、適配器,、PLC,、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場儀表等部分組成。非生產(chǎn)系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏,、電視監(jiān)視設(shè)備,、現(xiàn)場通話設(shè)備、質(zhì)量檢查系統(tǒng),、管理信息系統(tǒng)等部分組成,。中央控制室負(fù)責(zé)處理來自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息。通過計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng),，將潤滑油廠的各生產(chǎn)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(jī)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(shù)要求和現(xiàn)場的工況,，此控制系統(tǒng)的設(shè)計具有以下功能：

1,、根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求,，按照添加劑配方的比例精確地配制生產(chǎn)各種型號的石化產(chǎn)品，并且通過微型機(jī)和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化,。

2,、通過自行開發(fā)的計算機(jī)軟件,，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控。良好的人機(jī)界面,、清晰的組態(tài)圖形,，使得操作人員通過計算機(jī)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(chǎn)中，為提高整個控制系統(tǒng)的精確性,，在攪拌器,、電動機(jī)、電動閥,、電磁閥等設(shè)備上均設(shè)計了局部反饋功能,，這些相互獨(dú)立系統(tǒng)的局部反饋功能構(gòu)成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持。

4,、當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報警或油面報警時,，一方面通過PLC程序?qū)崿F(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(yīng)措施。

5,、考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場某些部位屬于高溫,、有害氣體殘留處，技術(shù)人員不宜靠近,，在現(xiàn)場設(shè)置了電視監(jiān)視設(shè)備,，讓技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。為便于管理,，還安裝了現(xiàn)場通話設(shè)備,。

6、在中央控制室設(shè)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(chǎn)狀況,。

7、通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng),，質(zhì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享。

三,、硬件與軟件設(shè)計

1,、硬件設(shè)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(shù)就成了設(shè)計的關(guān)鍵。PLC的特點(diǎn)是控制可靠,，編程簡單,，但程序內(nèi)存不大，不能進(jìn)行復(fù)雜的編程,；而石化產(chǎn)品的特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜,，產(chǎn)品型號繁多，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品,。這就形成了一對矛盾,。如果設(shè)計時采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng)，那么1條生產(chǎn)線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉(zhuǎn)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(qiáng)控制的可靠性，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進(jìn)行了多項創(chuàng)新,。

以潤滑油生產(chǎn)線為例,，在潤滑油生產(chǎn)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(shè)計,，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資,，設(shè)計了多路開關(guān)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(guān)切換示意圖。

圖2　FX-4AD模塊的多路開關(guān)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(diǎn)。FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換電路的設(shè)計實(shí)質(zhì)上是通過1個多路開關(guān)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(guān)的4個轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn),，由PLC編程控制,。這個多路開關(guān)切換電路簡單實(shí)用，而且節(jié)省了大量投資,，實(shí)踐證明,，該電路在控制精度上*用戶的需要。

2,、軟件設(shè)計

在計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中,，也采用了許多新的設(shè)計思想。

仍以潤滑油生產(chǎn)車間為例,，按照用戶提出的72種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術(shù)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(diǎn))，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(kuò)展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實(shí)現(xiàn)的功能,。

我們選用了三菱公司生產(chǎn)的FX系列的可編程序控制器，文件寄存器共計2 000點(diǎn)(D1000～D2999),。為節(jié)約程序內(nèi)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(diǎn)的16個輸出觸點(diǎn),，而不必像過去那樣，1條指令只能控制1個輸出觸點(diǎn),。例如在圖3中,，首先X0導(dǎo)通，十進(jìn)制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0,，接著X1導(dǎo)通,，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)“0000　0000　0000　0110"送入K4Y0,，控制輸出Y0～Y17共計16個觸點(diǎn)的動作，其開關(guān)動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應(yīng),。如圖4所示,，“1"控制輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通，“0"控制輸出觸點(diǎn)關(guān)斷,。在此例中，Y1,、Y2觸點(diǎn)導(dǎo)通,，其余輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。

圖3  字傳送方式控制輸出觸點(diǎn)示意圖

圖4  數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個觸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)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(shè)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(chǔ)上,，編制了72種潤滑油的通用程序,。在通用程序運(yùn)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(diào)出對應(yīng)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(jī)構(gòu)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(yùn)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(diào)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(yīng)寄存器，參與工業(yè)控制,。

圖5  文件寄存器示意圖

四,、計算機(jī)與PLC的通信技術(shù)

在計算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)中，一個關(guān)鍵的技術(shù)問題是計算機(jī)與PLC的通信,。若在整個系統(tǒng)設(shè)計中全部采用進(jìn)口器件,，軟件也選用相應(yīng)的進(jìn)口產(chǎn)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(jī)與PLC的串行通信技術(shù)。該技術(shù)設(shè)計思想*,，軟硬件簡單實(shí)用,，可靠性高，性能價格比好,，兼容性強(qiáng),，可適用于市場上多種型號的計算機(jī)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(jī)多采用RS232接口,。這樣在計算機(jī)與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉(zhuǎn)換模塊,，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)口的通信模塊，在電纜的接口處采用*的電路設(shè)計技術(shù)和單片機(jī)技術(shù),，以完成信號的隔離和放大功能,。實(shí)踐證明，通信的可靠性*可以和國外的進(jìn)口模塊媲美,，而且造價極低,。

從軟件上講，計算機(jī)和PLC的通信技術(shù)屬于保密技術(shù),，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(chǎn)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(chǎn)的FX系列可編程序控制器為例,，介紹我們的軟件設(shè)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

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(jié)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(shí)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(shí)現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間的讀、寫,、強(qiáng)制開關(guān)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(chǔ)上,，根據(jù)實(shí)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(diǎn)。

五,、結(jié)束語

計算機(jī)集成控制系統(tǒng)采用了*的系統(tǒng)集成的設(shè)計思想,，投入運(yùn)行后，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)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(dú)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(yù)。