基于DCS和PLC的腈綸紡絲生產(chǎn)線混合控制系統(tǒng)

葛鎖良 袁業(yè)劍（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

DCS（分布式控制系統(tǒng)）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、控制技術(shù)于一體的控制系統(tǒng)，它通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分散控制、集中管理。DCS基本結(jié)構(gòu)包括過程控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及高速數(shù)據(jù)通路等五部分組成[1]。PLC（可編程序邏輯控制器）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[2]。

DCS是一個完整的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線邏輯控制和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能。而PLC是一種控制器，相當(dāng)于DCS中的現(xiàn)場控制器，要構(gòu)成完整的管理系統(tǒng)還需要上位監(jiān)控系統(tǒng)與之集成。DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的區(qū)別主要有[3][4]:

（1）DCS在設(shè)計(jì)時(shí)留有大量的可擴(kuò)展性接口，外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)都十分方便;PLC系統(tǒng)一般是針對某一設(shè)備而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)搭建完成以后很難擴(kuò)展。

（2）DCS各工作站間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息來協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制和管理;PLC系統(tǒng)在通信能力及管理能力上不如DCS系統(tǒng)。

（3）PLC更專注于邏輯控制，邏輯運(yùn)算能力優(yōu)于DCS的現(xiàn)場控制器，而且PLC采用循環(huán)掃描機(jī)制，循環(huán)周期在10ms左右，而DCS控制站的循環(huán)周期在500ms左右。

兩種控制系統(tǒng)各有優(yōu)劣，如果能將PLC優(yōu)秀的邏輯控制能力融入到DCS系統(tǒng)中去，一方面能減輕DCS的工作負(fù)荷，另一方面又能將兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮。

1 腈綸紡絲工藝原理

腈綸紡絲生產(chǎn)分為紡絲生產(chǎn)線和紡絲輔助系統(tǒng)。

紡絲生產(chǎn)線是將聚合原液裝置制備的紡絲原液（丙烯腈、醋酸乙烯脂和甲基丙烯磺酸鈉的三元共聚物的硫氰酸鈉溶液）加工成具有使用性能的腈綸長絲束，供成品裝置生產(chǎn)短纖維或毛條裝置生產(chǎn)毛條，也可以絲束形式出廠。紡絲生產(chǎn)線工藝流程可分為:（1）紡絲成形;（2）溶劑牽伸;（3）水洗;（4）預(yù)熱;（5）熱牽伸和驟冷;（6）干燥致密化;（7）氣蒸定型;（8）二次牽伸;（9）調(diào)質(zhì)上油;（10）卷曲。

紡絲輔助系統(tǒng)主要包括溶液循環(huán)系統(tǒng)和定型機(jī)系統(tǒng)。溶液循環(huán)系統(tǒng)又有三部分組成:

（1）水洗系統(tǒng):水洗液由水洗供料泵經(jīng)節(jié)能器和水洗加熱器后，分送至各線水洗機(jī)，各線水洗水流量由調(diào)節(jié)閥控制。

（2）凝固浴循環(huán)系統(tǒng):來自凝固浴循環(huán)槽中的凝固浴液由凝固浴循環(huán)泵抽出，經(jīng)鹽水冷卻器冷卻送至各紡絲機(jī)。

（3）回收液系統(tǒng):凝固浴循環(huán)槽中的溶液一部分循環(huán)使用，多余的溶液自溢流管線溢流到回收液貯槽并經(jīng)過濾器過濾，之后在凝固浴節(jié)能器中和水洗水交換能量并送至回收裝置。

定型機(jī)為一壓力容器，鏈板將絲束從入口處運(yùn)送到出口處，在鏈板上方向絲束噴熱水，使絲束溫度升至容器溫度。定型機(jī)內(nèi)的溫度由壓力控制閥調(diào)節(jié)通入定型機(jī)的蒸汽量來控制。蒸汽從容器底部位于冷凝液下面的兩個噴嘴噴入;在鏈板上方，蒸汽由五個沿定型機(jī)長度方向分布的噴嘴直接噴入。絲束在鏈板上完成定型后，進(jìn)入含有脫鹽水的驟冷槽中冷卻，防止絲束在高溫下被額外牽伸而抵消定型效果。

2 腈綸紡絲生產(chǎn)線DCS和PLC混合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

某石化公司腈綸生產(chǎn)線采用DCS和PLC混合控制系統(tǒng):PLC負(fù)責(zé)生產(chǎn)線邏輯控制和速度控制;DCS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)控。腈綸生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1。PLC優(yōu)秀的邏輯控制能力和穩(wěn)定性可以很好地完成腈綸生產(chǎn)線的控制任務(wù)，因此用PLC取代DCS過程控制單元，既能提高邏輯控制性能，又可以減輕DCS的工作量，使DCS更專注于數(shù)據(jù)采集處理和系統(tǒng)監(jiān)控。

2.2 DCS 監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用Honeywell公司的TDC3000分布式控制系統(tǒng)。TDC3000系統(tǒng)主要由三種通信網(wǎng)絡(luò)組成:局域控制網(wǎng)絡(luò)（LCN）、通用控制網(wǎng)絡(luò)（UCN）和高速數(shù)據(jù)通路（HW）。每種網(wǎng)絡(luò)上掛有不同功能的模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的分散控制、集中管理。本系統(tǒng)采用其中兩種網(wǎng)絡(luò):

（1）局域控制網(wǎng)絡(luò)（LCN）:LCN是TDC3000的主干網(wǎng)，它是短程高速通信鏈，采用冗余結(jié)構(gòu)，令牌存取通信控制方式符合IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為5Mbit/s，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功能就是聯(lián)接一系列內(nèi)部模塊[5]。本系統(tǒng)LCN網(wǎng)絡(luò)上的模塊有:1）通用站（US），是TDC3000的主要人機(jī)接口，完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、監(jiān)控畫面組態(tài)、報(bào)警顯示、故障顯示等功能;2）歷史模塊（HM），是TDC3000的存儲單元，用來存儲過程報(bào)警、操作員信息、連續(xù)過程歷史數(shù)據(jù)等，是通用站和過程管理站的數(shù)據(jù)源模塊;3）應(yīng)用模塊（AM），是用控制語言來完成UCN網(wǎng)絡(luò)上所連接的模塊不能實(shí)現(xiàn)的功能，并可提高過程控制及管理水平;4）網(wǎng)絡(luò)接口模塊（NIM），提供了UCN與LCN網(wǎng)絡(luò)的通信指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換;5）計(jì)算機(jī)接口（CG），提供上位機(jī)與LCN網(wǎng)絡(luò)相連接的接口;6）可編程控制器接口（PLCG），它是LCN網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行通信的接口模塊。

通用站對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)，主要包括:1）腈綸生產(chǎn)過程監(jiān)控畫面，用于顯示生產(chǎn)流程;2）輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控，對來自輔助系統(tǒng)現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控;3）生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控，查看各臺變頻器和電機(jī)的工作情況;4）趨勢分析，自動繪制各臺變頻器的頻率趨勢圖，供操作人員分析生產(chǎn)狀況;5）數(shù)據(jù)歸檔，對變頻器頻率值和電機(jī)啟停狀態(tài)進(jìn)行歸檔，生成歷史數(shù)據(jù);6）報(bào)警顯示，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，提示報(bào)警信息以通知操作人員處理。

（2）通用控制網(wǎng)絡(luò)（UCN）:UCN采用令牌總線通信方式，傳輸速率為5Mbit/s，支持32個冗余設(shè)備，應(yīng)用層采用RS511標(biāo)準(zhǔn)。UCN是直接與過程相連接的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的通信通道。

過程管理站由過程管理模塊和I/O系統(tǒng)兩部分組成。過程管理模塊由通信處理器和調(diào)制解調(diào)器、I/O鏈接口處理器、控制處理器等三部分組成;I/O系統(tǒng)由一個冗余的I/O鏈和最多40個I/O處理器組成[5]。過程管理站可與現(xiàn)場儀表連接，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)，如預(yù)熱溫度、水洗水流量、供紡壓力等，并將這些數(shù)據(jù)送到歷史模塊存儲，與PLC傳送過來的數(shù)據(jù)一起構(gòu)成腈綸生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)庫。

2.3 PLC邏輯控制系統(tǒng)

圖1 腈綸紡絲生產(chǎn)線DCS和PLC混合控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.3.1 控制系統(tǒng)組成

紡絲生產(chǎn)線是一個復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，生產(chǎn)線的啟停和調(diào)速都需要嚴(yán)格的邏輯控制。本系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動和PROFIBUS現(xiàn)場總線控制技術(shù)，可以滿足邏輯控制的要求。S7-300 PLC是模塊化的中型PLC，適合于中等性能的控制要求。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，可以增加模塊，對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。ET200M是多通道模塊化的分布式I/O，最多可以擴(kuò)展8個模塊，由于本系統(tǒng)的現(xiàn)場控制點(diǎn)數(shù)較多，因此選用4個ET200M作為PROFIBUS從站。變頻器智能從站通過總線適配器TDS-PA01接入PROFIBUS總線，與PLC控制站通信，變頻器的運(yùn)行參數(shù)和PLC的控制參數(shù)可以通過總線相互傳遞，從而使系統(tǒng)具有較高的智能化和自動化。每條生產(chǎn)線有17臺變頻器。

2.3.2 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)PLC邏輯控制部分采用兩級PROFIBUS網(wǎng)絡(luò):第一級是各生產(chǎn)線PLC及其變頻器、ET200M組成的網(wǎng)絡(luò);第二級是備用線PLC與各生產(chǎn)線PLC、備用變頻器組成的網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS現(xiàn)場總線的應(yīng)用，將提高控制系統(tǒng)的開放性和可靠性。

第一級網(wǎng)絡(luò)中，PLC與變頻器的通信采用PPO1類型作為數(shù)據(jù)傳遞的格式。PPO1格式分為四字PKW參數(shù)區(qū)和雙字PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)，兩者均為連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)。在組態(tài)時(shí)，為每個變頻器分配一個總線從站地址，并為PKW和PZD分配連續(xù)的邏輯起始地址。主站通過系統(tǒng)讀模塊（SFC14）和系統(tǒng)寫模塊（SFC15）完成與變頻器的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換方式如圖2所示。

圖2 PLC與變頻器數(shù)據(jù)交換

第二級網(wǎng)絡(luò)中，備用PLC做主站，1#～6#生產(chǎn)線PLC和備用變頻器做從站。1#～6#生產(chǎn)線PLC將各變頻器的設(shè)定頻率、各電機(jī)的啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送給備用PLC，以供DCS采集。當(dāng)需要投入備用變頻器時(shí)，備用線PLC將判斷該變頻器是否空閑、是否有故障，并將這些信息傳送給相應(yīng)的PLC，再判斷能否投入該備用變頻器。

2.4PLC與 DCS通信

DCS需要采集腈綸生產(chǎn)過程的全部數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，除了直接采集輔助系統(tǒng)現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)之外，還要采集生產(chǎn)線上的工作數(shù)據(jù)，這就需要通過與PLC的通信來實(shí)現(xiàn)。TDC3000支持兩種串口通信協(xié)議:MODBUS和Allen-Bradley[6]。S7-300 PLC本身不支持這兩種協(xié)議，通過安裝CP341通信處理器便支持RTU格式的MODBUS協(xié)議。此時(shí)TDC3000就可以通過LCN網(wǎng)絡(luò)上的PLC接口、CP341通信處理器與S7-300 PLC進(jìn)行通信了。TDC3000作MODBUS主站，S7-300 PLC作MODBUS從站，本系統(tǒng)MODBUS協(xié)議采用RTU報(bào)文傳輸模式。S7-300與TDC3000通信示意圖如圖3所示。

圖3 S7-300與TDC3000通信示意圖

通過MODBUS通信，PLC將生產(chǎn)線上各臺變頻器的運(yùn)行頻率、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送給DCS，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)歸檔;DCS的工程師站可以設(shè)定PLC系統(tǒng)中各變頻器的運(yùn)行頻率。PLC和變頻器安裝在控制室，DCS安裝在監(jiān)控室，由此該腈綸廠形成了“車間—控制室—監(jiān)控室”三級管理系統(tǒng)。

2.5 變頻器備用方式研究

腈綸車間共有六條生產(chǎn)線，為保證變頻器發(fā)生故障時(shí)能繼續(xù)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了一條備用線。備用線采用“一備多”的方法，即備用線每個工位的變頻器為1#～6#線相應(yīng)工位的變頻器備用，例如備用線的F1為1#～6#線F1備用，依次類推。

備用線PLC與1#～6#生產(chǎn)線PLC之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通信，備用線PLC做主站，備用變頻器和1#～6#生產(chǎn)線PLC做從站。當(dāng)某一變頻器發(fā)生故障時(shí)，先判斷該工位備用變頻器是否被占用，如果未被占用，則選擇該工位變頻器以備用方式運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)將切換到備用變頻器的控制下繼續(xù)運(yùn)行。這種備用方式既保證了系統(tǒng)的可靠性，又使投資比較經(jīng)濟(jì)。

3 小結(jié)

本系統(tǒng)結(jié)合DCS和PLC兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成了效率更高的混合控制系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)線邏輯控制性能和全廠的自動化管理水平。隨著DCS和PLC各自的發(fā)展，兩者的區(qū)別正逐漸減小。DCS提高了自己的邏輯控制能力，其性能逐漸接近PLC的水平;而PLC也逐漸與上位監(jiān)控系統(tǒng)集成，提高了對系統(tǒng)的管理水平，如西門子公司的新一代過程控制系統(tǒng)PCS7就是在其S7系列PLC基礎(chǔ)上提出的[7]。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，工廠的信息化管理水平將大大提高。

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