基于組態(tài)軟件和PLC的潤(rùn)滑油生產(chǎn)控制系統(tǒng)

張 勇，吳愛(ài)國(guó)，張 潔

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

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基于組態(tài)軟件和PLC的潤(rùn)滑油生產(chǎn)控制系統(tǒng)

張 勇，吳愛(ài)國(guó)，張 潔

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

以某企業(yè)的潤(rùn)滑油生產(chǎn)控制系統(tǒng)項(xiàng)目為背景，在滿足企業(yè)生產(chǎn)需求的前提下，設(shè)計(jì)了一套使用組態(tài)王軟件與PLC(可編程邏輯控制器)來(lái)對(duì)潤(rùn)滑油生產(chǎn)過(guò)程的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑油各生產(chǎn)線全自動(dòng)化生產(chǎn)。該系統(tǒng)采用PLC作為主要控制器，通過(guò)傳感器完成對(duì)溫度、流量和液位等數(shù)據(jù)的采集和處理。觸摸屏完成對(duì)各條生產(chǎn)線的獨(dú)立控制和數(shù)據(jù)顯示。工控機(jī)裝有專(zhuān)用Profibus 通信卡CP5611 以及人機(jī)界面友好、功能強(qiáng)大的組態(tài)王可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)將PLC和工控機(jī)連接形成主從站的集散控制系統(tǒng)。

可編程邏輯控制器；組態(tài)王；Profibus；觸摸屏；潤(rùn)滑油

0 引言

潤(rùn)滑油的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)每種反應(yīng)原料的用量配比和反應(yīng)的溫度都有極高的要求，任何方面的誤差都可能造成反應(yīng)釜中的原料的浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。由于該企業(yè)的生產(chǎn)線仍舊使用人工調(diào)節(jié)，生產(chǎn)效率低下，自動(dòng)化程度低，受人為因素影響大，人力投入與產(chǎn)出產(chǎn)能不成正比例，而且由于原料的特殊性，造成工作環(huán)境惡劣，不利于身體健康。因此為了提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度、節(jié)約勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率，應(yīng)該廠的要求采用PLC和組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)了抗干擾能力、實(shí)用性強(qiáng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 潤(rùn)滑油生產(chǎn)工藝流程

由于該系統(tǒng)控制的是三種不同的潤(rùn)滑油生產(chǎn)線，包括環(huán)保潤(rùn)滑油、高效潤(rùn)滑油和普通潤(rùn)滑油。但是它們的控制邏輯是相互獨(dú)立的，控制原理十分相似，生產(chǎn)工藝流程大體相同，只不過(guò)是所用的原料、原料比例和反應(yīng)溫度不同。下面以環(huán)保潤(rùn)滑劑為例介紹一下生產(chǎn)過(guò)程。環(huán)保潤(rùn)滑油生產(chǎn)過(guò)程是采用二級(jí)乳化方式，即由原料甘油和生物柴油經(jīng)過(guò)流量計(jì)按一定的比例進(jìn)入反應(yīng)釜反應(yīng)生產(chǎn)出初級(jí)品，然后進(jìn)入乳化機(jī)進(jìn)行一級(jí)乳化，完成后進(jìn)入緩沖罐，之后進(jìn)行二級(jí)乳化，完成兩次乳化后進(jìn)入小成品罐，最后進(jìn)入成品罐。整套設(shè)備由兩個(gè)原料罐、兩個(gè)乳化機(jī)、兩個(gè)成品儲(chǔ)藏罐和一個(gè)緩沖罐及泵、流量計(jì)、開(kāi)關(guān)閥等輔助設(shè)備組成。整個(gè)工藝以兩種原料的混合反應(yīng)、乳化為核心，蒸汽對(duì)原料罐進(jìn)行保溫，循環(huán)水對(duì)工作的乳化機(jī)進(jìn)行降溫，整個(gè)生產(chǎn)線工作過(guò)程中，各個(gè)部分相互配合工作，從而保證了穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 潤(rùn)滑油生產(chǎn)系統(tǒng)的總體介紹

對(duì)于潤(rùn)滑油生產(chǎn)線，選擇Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線作為整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),以工控機(jī)、觸摸屏為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)主控制器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)模擬量與PLC相連，PLC通過(guò)RS485傳輸技術(shù)與工控機(jī)相連，使各條獨(dú)立的生產(chǎn)線組成工業(yè)集散控制系統(tǒng)。采用STEP7編程組態(tài)軟件和組態(tài)王過(guò)

程監(jiān)控軟件進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。共有3條潤(rùn)滑油生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線配有一臺(tái)觸摸屏與PLC通過(guò)RS485相連，這樣可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置，便于工人的操作，實(shí)現(xiàn)每條生產(chǎn)線可以獨(dú)立、安全工作，另外還有一個(gè)中央控制室，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部生產(chǎn)線信息的集中管理。整體結(jié)構(gòu)分為3層，即現(xiàn)場(chǎng)儀表層、PLC控制器層、監(jiān)控站層[1]。潤(rùn)滑油系統(tǒng)工作層的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由Profibus 存取協(xié)議Profibus 網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成3 種系統(tǒng):純主—從系統(tǒng)、純主—主系統(tǒng)和混合系統(tǒng)[2]?？紤]到每條生產(chǎn)線要求獨(dú)立工作及已安裝的設(shè)備的特性，采用純主—從系統(tǒng)。將中控室與各個(gè)潤(rùn)滑油生產(chǎn)線的PLC由Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組成主從系統(tǒng)?？偩€上最多站點(diǎn)(主-從設(shè)備)數(shù)為126，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際距離選擇9.6kbps的傳輸速率，采用RS485雙絞線作為傳輸介質(zhì)。

圖3 工控機(jī)與PLC 組成Profibus 網(wǎng)絡(luò)

每條潤(rùn)滑油生產(chǎn)線都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)采用S7-200作為DP從站，在一塊機(jī)架底板上安裝中央處理器CPU226、I/O擴(kuò)展模塊EM223、模擬量輸入模塊EM235和模擬量輸出模塊EM232，但是它不具有Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，必須應(yīng)用EM277模板?，F(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備有溫度傳感器和液位計(jì)，對(duì)反應(yīng)釜的溫度和各種料罐液位進(jìn)行檢測(cè)，還有計(jì)量計(jì)對(duì)反應(yīng)原料進(jìn)料量進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的輸出都是模擬量，與PLC的通信全部采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。PLC通過(guò)EM235模塊采集數(shù)據(jù)，通過(guò)EM232輸出數(shù)據(jù)。還有相關(guān)泵和閥門(mén)通過(guò)PLC的I/O輸出端子連接的繼電器控制接通和斷開(kāi)來(lái)輸出高、低電壓，按照程序編輯的順序及預(yù)先設(shè)定的時(shí)間延時(shí)來(lái)進(jìn)行泵和閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。PLC控制器作為系統(tǒng)的控制核心，主要實(shí)現(xiàn)采集各種傳感器傳過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)并把它們輸入到寄存器中，然后將個(gè)這些信號(hào)進(jìn)行換算和處理，最后輸出信號(hào)控制被控對(duì)象，同時(shí)把相應(yīng)的實(shí)時(shí)信息上傳至上位機(jī)，并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的控制指令，從而完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和自動(dòng)化管理。

中央控制室使用的是研華IPC610 工控機(jī),通過(guò)支持DP的通訊卡CP5611 ，使工控機(jī)與Profibus-DP 總線相連,作為DP主站,通過(guò)Profibus -DP 連接[3]。中央控制室的工控機(jī)可以獲得總線上各個(gè)PLC 的數(shù)據(jù)并且可以對(duì)各條潤(rùn)滑油生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控。中央控制室主要實(shí)現(xiàn)顯示各條生產(chǎn)線的工藝流程和工作狀態(tài)，提供人機(jī)操作界面，超限報(bào)警，并把PLC上傳的數(shù)據(jù)信息制作成歷史數(shù)據(jù)并繪制曲線存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中便于以后查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)各條生產(chǎn)線的集中管理。

觸摸屏系統(tǒng)選用的是MT8000i與PLC進(jìn)行通信，它可以通過(guò)EB8000編譯器軟件進(jìn)行通信畫(huà)面的編輯，可以根據(jù)要求修改顯示畫(huà)面，使用方便。觸摸屏與PLC通過(guò)COM1口使用RS-485進(jìn)行通信。要使觸摸屏與PLC通信成功必須進(jìn)行通訊格式的設(shè)定：必須使兩者所設(shè)定的“通信格式”、“站號(hào)”、“傳輸速度”、“資料格式”等全部相同，然后再按

正確的連線方式連接通信電纜[4]。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和采集、參數(shù)的設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)手自動(dòng)的切換及向PLC發(fā)送控制命令等功能。在每條獨(dú)立的潤(rùn)滑油生產(chǎn)線配置一臺(tái)觸摸屏主要是用于根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工作情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，便于工人操作。這樣中央控制室出現(xiàn)故障，各條生產(chǎn)線仍然可以正常工作，使產(chǎn)量等到保證。而且中央控制室不能同時(shí)對(duì)3條生產(chǎn)線進(jìn)行操作，需要一定的等待時(shí)間，而觸摸屏可以同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行控制操作，節(jié)約了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，真正地實(shí)現(xiàn)分散控制，集中操作管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制軟件設(shè)計(jì)、組態(tài)王網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)計(jì)和觸摸屏人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)。

3.1 PLC軟件實(shí)現(xiàn)

PLC控制軟件采用STEP7軟件用梯形圖進(jìn)行編程，主要包括主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、計(jì)數(shù)程序、報(bào)警程序等。采用順序控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油的生產(chǎn)過(guò)程。主程序根據(jù)各種設(shè)定條件和設(shè)定的時(shí)間間隔順序控制各個(gè)泵、閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，使原料可以順利的進(jìn)入反應(yīng)釜，并在合適的環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)，最后放置到成品罐中儲(chǔ)存。模數(shù)轉(zhuǎn)換程序主要把系統(tǒng)中溫度和液位模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成PLC可以處理的數(shù)字信號(hào)，從而完成對(duì)溫度和液位的控制。計(jì)數(shù)程序主要完成對(duì)反應(yīng)釜中進(jìn)料量的控制，使之達(dá)到要求的反應(yīng)比例生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。報(bào)警程序主要完成系統(tǒng)的故障及溫度和液位超限的故障報(bào)警。手動(dòng)控制程序主要是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，沒(méi)辦法進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)工人將根據(jù)具體要求進(jìn)行手動(dòng)生產(chǎn)，使產(chǎn)能得到保證。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3.2 組態(tài)王上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際需求情況，將各條生產(chǎn)線進(jìn)行集中管理，采用分散控制，對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示進(jìn)行了集成，形成了起始界面，工藝流程和工作狀態(tài)顯示界面，還有歷史數(shù)據(jù)查詢界面3個(gè)操作界面模塊。

起始界面主要顯示各條生產(chǎn)線，操作人員可以選擇監(jiān)控任意一條生產(chǎn)線的工作狀況。

工藝流程和工作狀態(tài)顯示界面主要顯示每條生產(chǎn)線的工藝流程和儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。還包括實(shí)時(shí)溫度、進(jìn)料量等的顯示。

歷史數(shù)據(jù)查詢界面主要用于歷史數(shù)據(jù)曲線的顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)保存。在界面中顯示過(guò)的數(shù)據(jù)，都會(huì)自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并制作成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，用戶可以查詢前十天任意時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

PLC與組態(tài)王通過(guò)OPC方式進(jìn)行通訊。OPC(OLE for Process Control ,用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接嵌入技術(shù))是為了解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信而產(chǎn)生的一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[5]。在工控機(jī)上首先安裝SIMATIC NET 軟件,它可以用于組態(tài)整個(gè)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,在PC station 上添加OPC Server 和CP5611卡，將CP6511卡設(shè)置為DP主站，設(shè)置EM277模塊為DP從站時(shí)需要在硬件組態(tài)時(shí)添加EM277的GSD文件，選擇DP通訊協(xié)議,設(shè)置通訊參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)西門(mén)子提供的OPC Server程序來(lái)讀取PLC 上的數(shù)據(jù),然后把組態(tài)王作為OPC Client 與OPC Server 建立通信連接,這樣組態(tài)王就可以和Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。工控機(jī)與PLC之間采用主從方式進(jìn)行信息的傳遞。通訊成功后系統(tǒng)上位機(jī)的控制界面就能夠?qū)⑸a(chǎn)狀態(tài)顯示在人機(jī)交互的界面上。

3.3 觸摸屏的軟件實(shí)現(xiàn)

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分界面設(shè)置和變量設(shè)置，界面設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)控制功能設(shè)置不同的操作、顯示畫(huà)面，包括輸入/輸出區(qū)域組態(tài)、指示燈組態(tài)、功能鍵組態(tài)、控制鍵組態(tài)及文本顯示等各種格式;變量設(shè)置要將觸摸屏設(shè)置的變量圖標(biāo)與PLC 的相應(yīng)I /O 接點(diǎn)及存儲(chǔ)單元系相互對(duì)應(yīng)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏能夠向PLC進(jìn)行參數(shù)的輸入，并且響應(yīng)PLC輸出過(guò)來(lái)的參數(shù)信息;最后觸摸屏通過(guò)COM1口同PLC的RS485接口通訊[6]。

觸摸屏的主界面如圖5所示。主要由開(kāi)機(jī)主界面、手動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警歷史界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面和來(lái)料計(jì)量界面組成，在主界面上有選擇界面按鍵并且每個(gè)界面帶有返回鍵。開(kāi)機(jī)主界面包括有手自動(dòng)切換按鍵，故障報(bào)警顯示，按鍵聲音和背景光開(kāi)關(guān)按鍵，生產(chǎn)運(yùn)行階段顯示，閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示，溫度顯示，當(dāng)前時(shí)間顯示等模塊;參數(shù)設(shè)置界面中具有6種信號(hào)數(shù)值設(shè)置端口，可以對(duì)數(shù)值間接設(shè)置修改PLC內(nèi)部寄存器的值從而控制潤(rùn)滑油生產(chǎn)的反應(yīng)條件。報(bào)警歷史界面可以詳細(xì)顯示生產(chǎn)線所產(chǎn)生的故障和歷史數(shù)據(jù)曲線圖。數(shù)據(jù)監(jiān)控界面主要對(duì)進(jìn)料量和成品的實(shí)時(shí)流量、流量趨勢(shì)圖以及流速值進(jìn)行監(jiān)控，并且可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相應(yīng)流量值，反應(yīng)結(jié)束之后點(diǎn)擊總量存儲(chǔ)按鈕，可以記錄此次反應(yīng)的總值。

圖5 觸摸屏監(jiān)控主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

潤(rùn)滑油生產(chǎn)監(jiān)控集散系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集、顯示各條生產(chǎn)線工作狀態(tài)和反應(yīng)參數(shù)，并根據(jù)采集到的相關(guān)信息對(duì)各條潤(rùn)滑油生產(chǎn)線進(jìn)行智能化、自動(dòng)化控制，并且可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。人性化的人機(jī)交互界面，現(xiàn)場(chǎng)工人可以清楚及時(shí)地了解各條生產(chǎn)線的工作狀態(tài)，根據(jù)報(bào)警信息能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警點(diǎn)并且能夠及時(shí)解除故障。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過(guò)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)連接，將不同的潤(rùn)滑油生產(chǎn)線系統(tǒng)集成到中央控制室進(jìn)行集中管理，分散控制，提高生產(chǎn)效率，降低了能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在某潤(rùn)滑油生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)投入使用，且工作良好穩(wěn)定，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期效果，提高了企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

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Design of Control System of Lubricating Oil Production Based on Configuration Software and PLC

ZHANG Yong,WU Ai-guo,ZHANG Jie

(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

As the background of an enterprise’s project, which is about lubricating oil production control system , meeting the demand of enterprise production on the premise, a set of real-time monitoring and controlling system by using the Kingview software and PLC (programmable logic controller) to control and monitor the lubricating oil production proces was designed, and the lubricating oil production line can work in automatic production. Adopting PLC as the main controller, the sensor was used to finish collecting and processing the data including the temperature, flow rate and liquid level and so on .Touch screen was used to complete the control of every production line and the display of data independently. Industrial Personal Computer installs the special Profibus communication card CP5611 and powerful functions of Kingview, and has the friendly man-machine interface, thus realizing remote communication and real-time monitoring to the whole system. Through Profibus-DP network, PLC and Industrial Personal Computer form a master-slave station distributing control system.

PLC; kingview; profibus; touch screen; iubricating oil

2014-12-05 收修改稿日期：2015-06-20

TP273

A

1002-1841(2015)09-0070-03

張勇(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮印?E-mail:zy1182965193@126.com