新型PLC生产控制系统的设计及其在中型规模水泥厂的应用

’97北京国际水泥技术与装备交流大会论文新型PLC生产控制系统的设计及其在中型规模水泥厂的应用摘要：本文总结苏州南新水泥有限公司日产700吨余热发电水泥生产线新型PLC生产控制系统的应用实践，通过比较全面的调查研究，选择当今世界上最优秀的软硬件，构成高性能价格比的实用系统，具有良好的人机界面，完善的操作功能，实现对工艺设备和生产过程的实时监控，符合中型规模水泥厂装备水平的实际需要，对当前为数众多的地方水泥厂扩建改造具有普遍的指导意义。本文在系统网络功能、组态软件运用、与成套电控设备的连接与通信、提高系统抗干扰性能等方面，做出了较为详细的论述。关键词PLC系统设计网络功能组态软件生产线控制微机配料进入九十年代以后，在我国水泥工业中占居重要地位的地方水泥企业，已经开始进入一个新的发展阶段。大批有实力的立窑厂，正在逐步改造成为日产700～1000吨规模的新型干法窑厂。这些厂原有电气系统一般采用传统方式，单机控制设备开停，或有简单的“转换开关──继电器”联锁，而在生料配料和预加水成球等关键工艺环节，也采用了一些技术比较成熟的单项微机控制，除此以外的自动化仪表都比较少。随着预分解窑、五级旋风预热器窑和余热发电窑等新型干法窑的普及，对工艺参数和设备运行实现全方位的监控，已经成为非常必要的管理手段。新生产线的建设者们正越来越重视生产控制系统的设计，要求达到更高的水平，计算机应用的普及势在必行。因此，尽快摸索出一套适合地方水泥厂实际条件、技术先进、实用可靠、投资较省的新一代控制系统，已经成为当务之急。新型PLC生产控制系统的开发和应用，必将对企业的技术进步起到重要的促进作用，因而具有很好的推广价值。一、系统总体设计原则近几年来，由国家投资建设的日产2000吨以上新型干法窑水泥厂，已经普遍采用全套从国外引进的集散型计算机控制系统，包括对设备的监控、报警，堆场管理、磨机配料、窑的模糊逻辑控制等各项功能，赶上了当代国际水平。但其控制系统的投资费用过高，调节控制功能要求与国产装备不相适应，对大多数地方中型水泥厂来说并不合适。在建材行业推广计算机应用的热潮中，有一些厂投资了近百万元，尝试利用STD总线或PC总线组成局部网络，融生产过程监控和管理为一体，进行计算机应用示范，实际效果并不理想。特别是系统的抗干扰性能较差，在遭受雷击等意外冲击后硬件极容易损坏，不能适应水泥厂的现场使用条件，因此推广比较困难。1我们对新一代控制系统提出昀基本的要求是实用、可靠，根据地方水泥厂的实际情况，系统以实现设备顺序控制、工艺流程显示、实时数据采集、多种功能的报警为主。在进行广泛调查研究和充分比较的基础上，我们选择当今世界上昀优秀的软硬件，将它们组合起来构成新型PLC生产控制系统。我们把硬件配置的重点，放在提高它的可靠性和便于检修维护之上，而对软件功能要求的重点，则放在加强它的实用性和方便操作之上。系统应当具有灵活的组态方式，完善的监控功能，可靠的现场适应性能，同时要求它的开发过程快捷，使用操作方便，日常维护简单。二、系统硬件的选择和网络功能系统硬件的选择包括操作员站和现场控制站两大部分组成，其总的依据是系统所要求达到的功能、系统的可靠性、对环境的适应性、系统今后的可扩展性，以及至关重要的价格因素等多方面来考虑。作为人机界面的操作员站（监控站）硬件的选择比较简单，采用通用的工业型计算机，其性能一般都能满足要求。为进一步提高可靠性以适应长期连续运行，我们选用美国Intel公司的工控机和日本EIZO名牌大屏幕显示器组成高品质的监控站，就能实现各项操作功能，清晰显示复杂的工艺流程画面。可供现场控制站选择的PLC硬件品种繁多，我们必须根据水泥厂应用的实际需要以及现场条件，重点考虑其网络功能的特点，相比较而优选出具有高性能价格比的硬件配置。1.水泥厂生产过程控制的现场特点地方中型水泥厂的生产管理模式，一般是按工艺流程将全厂划分成3～4个主要生产车间，以车间为单元进行生产控制和管理。每个车间都包括大小数十台设备，分散在前后各道工序，距离较远，且电气设备的装机容量大，高压电动机多，现场干扰强，这些都是比较典型的大型工业集中──分散控制系统的共同特征。选择一个合适的局部网络对控制系统设计的成功显得十分重要，因为工业计算机网络不同于一般的办公室自动化联网，响应时间可在几秒钟的范围内，操作和控制某些设备的过程往往需要在几个毫秒内完成。网络技术是集散型控制系统的基础，对工业控制的系统网络而言，必须要求它具有快速的实时响应能力和极高的可靠性，能适应在恶劣的工业现场环境中连续运行。网络功能是PLC可编程控制器的一项重要品质指标，无论是分车间控制的相对独立小系统，或全厂集中控制的大系统，往往都需要由一个以上的现场控制站连接而成，现场总线如采用主控站──远程站的结构形式，可以充分发挥PLC控制系统的优越性，节省大量电缆，减少故障隐患，但同时对系统的网络功能提出了更高的要求。2.几种局部网络的拓朴结构和性能网络拓朴结构是集散型控制系统中的一个非常重要的概念，它是系统网络功能的决定性因素之一。根据构成网络中的节点和站之间互连方式的不同，局部网络常见有三种拓朴结构。星型结构：以一个PLC主控站或其它智能主机作为控制通信中心，所有其它节点都作为终端通过点对点与之相连接，每个接点可随时发送和接收信息，这种网络结构简单、清晰。但它有如下缺点：作为星的控制中心一旦出现故障就会引起整个网络的瘫痪。两个节点之间信息的传递都必须通过中心，从而2导致只有低的数据吞吐率，当需要组成大规模系统时连线费用昂贵等。早期某些公司的低档PLC采用了这种结构，一般不适宜在集散型工控系统中应用。PLC控制站PLC控制站PLC主控站PLC控制站PLC控制站图1星型结构网络公共总线：在一条主干线上以多挂点的形式将各个节点互相连接在一起，与星型结构相比，通信可不经过网络中心控制器，而能在任意两个节点之间传递信息，总线拓朴结构一般使用同轴电缆或双绞线电缆加适当的硬件接口。它的优点是在网络上增加或减少站点都比较容易，网络结构也很简单。其缺点也是显而易见的，即在主干线上如出现断路，就可能影响较多的节点。同时，在这种总线结构下的各个节点，是以并列的形式连接到一条共享的传输总线上，必须规定某种控制协议才能避免信息冲突，增加了软硬件技术的复杂性。PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站图2公共总线网络网络中控制通信的方式一般可分为两种类型：其一是主从方式，即网络是由一个作为主机的网络控制器和多个PLC从站组成，在这种方式下由主机统一控制通信，向从站发送数据，如果需要接收从站信息，主站可查询每个从站并等待响应。主从方式的硬件结构简单，但存在通信瓶颈，一旦主站故障也可能引起网络阻塞。其二是无主从方式，由所有节点按一定的规则相互协同控制总线，在工业网络中一般以令牌传送（Tokenpassing）的方法，使各个节点轮流取得通信控制权。无主从方式的传输效率较高，实时响应性能较好。新型总线拓朴结构更进一步采用了冗余技术，综合性能指标达到了比较高的水平，但需要增加较多的硬件开销。环形网络：所有节点都通过点对点连接，形成一条长链并首尾相通构接成一个封闭的环，网络中的信息按点至点的方式只传送到其相邻的点，如果不是信息的目的站，就再接力传送至下一个站。环形网络虽然存在某个节点故障容易引起信息阻断的缺点，但它是一种技术上非常成熟的网络结构，通过双环冗余和其它附加功能，硬件结构仍比较简单，但可靠性方面却能略胜一筹，因此在PLC控制系统中得到3了广泛的应用。局部网络的另一个重要指标是它的通信速率，特别在网络节点较多的情况下，较高的波特率对提高系统的实时响应能力十分有利。通过多方面的比较，我们选用日本三菱公司的Ａ系列大型PLC各功能模块，组成车间主控站和现场远程站。PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站PLC控制站图3环形结构网络3.三菱Ａ系列PLC的主要技术指标MELSEC是日本三菱电机公司可编程控制器商品代号，MELSEC-A是其生产的高功能产品，设计选用的A3系列是当今世界上能与美国A＆B公司的PLC5/25和Modicon公司的984系列相媲美的高档次可编程控制器。它的品种规格全、各项性能指标都很高，在世界市场销售份额中占有很高的比重。Ａ3系列CPU微处理器为16位，有250多条高级指令，程序容量为2×30K步，每个CPU单元的昀大I/O点数为2048点。可应用于开关量、模拟量控制，PID调节及步进／伺服电机驱动等。Ａ系列可编程控制器具有完善的网络功能，以其为主体可构成庞大的局部网络，并可与F1/F2系列小型可编程控制器、VVVF变频调速器等连接，构成全自动的工厂控制系统。整个Ａ系列外部设备都能兼容，具有共同的编程语言，通用的模块和组件基板，易于升级和扩充。三菱公司还在不断推出新品种，扩充新功能。如超高速运算和表决式三机冗余CPU，采样式16通道A/D模块、小信号输入A/D模块，64回路PID调节组件，以及图象显示CRT/LCD、数据保存打印组件等。Ａ系列可编程控制器具有实时时钟功能，可单步运行、设断点运行、采样跟踪、状态锁存，调试程序方便快捷，并可在线修改，使用暂停功能可在不关断重要输出的情况下修改程序。同时还具有很好的自诊断功能，CPU、存储器失效校验，运算电路、RAM及参数校验，自动测量扫描时间等。可快速查出故障所在，以文字显示错误类型。4.三菱MELSEC-NET总线网络功能MELSEC-NET是三菱电机公司专为MELSEC可编程控制器，尤其是Ａ系列可编程控制器配备的数据通信网络，传输速度为1.25Ｍbps。它具有很高的抗干扰能力，与不同装置的可连接性和编制程序容易等特点。因为它有很好的性能价格比，因此非常适合于我们的应用场合。它采用局部网络中常见的环形结构，并双环冗余，当发生任何通信电缆断路或从站故障时，双环路中的主环路和副环路能自动进行切换，在两个环路同时出现故障时，还能通过回送功能（Loopback4function），保持通信畅通。对网络传输介质，MELSEC-NET提供了同轴电缆和光缆两种不同选择。同轴电缆的通信距离为0.5km，光缆的通信距离可达1～2km。我们选用了同轴电缆，也即有线电视系统CATV中常见的75Ω电缆，它的成本比较低，同时抗干扰性能也较好，能满足使用要求。MELSEC-NET还具有通信软元件Ｂ&Ｗ的独特功能，即在所有站之间共享的通信数据库。网络提供了1024个通信继电器Ｂ和1024个16位的通信寄存器Ｗ，Ｂ与Ｗ在编程时如同一般的内部软元件一样使用，每个站只可对在通信参数初始化时指定的Ｂ和Ｗ进行写操作，而任意站均可对Ｂ和Ｗ的全部储存区进行读操作，也就是说Ｂ的ON/OFF状态和Ｗ中的数据，能实时自动分布至所有其它的站。这个新功能不仅实现了数据的快速传输，同时还使我们在处理这些数据的发送和接收时，不再需要通过特殊的编程，调用极其方便。利用MELSEC-NET的环形网络功能，我们可以很方便地把各车间主控站和远程站之间的通信小环路打开，将全厂所有的站就近连接起来，构成一个环形的大网络，从而升级成为一个名副其实的集散型系统，实现全厂的计算机集中控制。MELSEC-NET还发展了几种更加新型的现场和PLC－PLC通信网络，采用32位专用处理芯片，具有无主从方式令牌传送功能，冗余性更好，通信速率可高达10Ｍbps甚至更快。在有条件时我们可以适当增加投资，提高选用档次。5.对输入输出模块的具体要求MELSEC-A系列可编程控制器提供了多种规格的输入输出模块，可以从使用条件和节省投资两方面考虑作出选择。针对一般水泥厂现场粉尘较多的特点，很容易造成继电器接点接触不良，故选用220V交流输入模块，提高其可靠性。输出模块选用继电器输出形式，便于通过中间继电器实现与现场隔离连接。模拟量输入采用多通道模数转换A/D模块，精度为12位二进制数，并可与多路切换模块配合，很容易扩展。在输入端和内部电路之间采用光电隔离，保证了抗噪声干扰的性能良好，通道之间采用了水银继电器隔离，确保了在厂区尤其是电站周围大地