基于PLC的大型化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)計*

藍(lán) 煜，李汝勇，姜 琦，熊樹生

(浙江大學(xué)，浙江 杭州 310012)

0 引言

化工技術(shù)在人類發(fā)展的進程上有著不可替代的地位，人們的生活已經(jīng)離不開各種化工產(chǎn)品，如塑料、汽油、肥料等。近年來，我國化工行業(yè)發(fā)展迅速，但也存在著許多問題，其中最主要的問題之一是我國化工企業(yè)總體上以小規(guī)模、技術(shù)水平低、產(chǎn)品檔次不高為主要特征[1]。由于這類企業(yè)在生產(chǎn)過程中自動化程度低，人工成本較高，在生產(chǎn)過程中控制精度不高，輕則導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高，重則出現(xiàn)安全事故。因此，對中小化工企業(yè)來說，針對生產(chǎn)工藝及流程，設(shè)計開發(fā)成本低、穩(wěn)定性強、維護簡單和易于操作的控制系統(tǒng)不僅能直接提升企業(yè)效益，還能促進化工行業(yè)自動化程度的提升，具有較高的技術(shù)價值。

曾明輝[2]等針對某化工生產(chǎn)過程中連續(xù)氧化工藝部分的自動化程度低、生產(chǎn)環(huán)境惡劣和低控制精度等問題，基于西門子S7系列PLC(Programmable LogicController，PLC)設(shè)計了一套控制系統(tǒng)，結(jié)合上位機軟件設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了控制過程在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程操作等功能，提升了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。鄒志云[3]等基于西門子S7系列PLC，運用延時反饋自整定控制原理，針對某小型精細(xì)化工生產(chǎn)過程設(shè)計的控制系統(tǒng)，改進了Ziegler-Nichols(Z-N)PID參數(shù)整定算法，提高了控制相應(yīng)速度。從以上應(yīng)用不難看出，在化工生產(chǎn)過程中，利用具有低成本、性能滿足控制需求、穩(wěn)定性高和維護簡單等特點的PLC作為控制器，借助組態(tài)軟件開發(fā)人機交互界面，選用抗干擾能力更強的工控機作為上位機，是目前小型化工企業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)開發(fā)的主要方案之一。

針對某企業(yè)的混合燃料生產(chǎn)過程，首先通過開發(fā)在線監(jiān)控功能，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)運行數(shù)據(jù)實時更新，其次對各個環(huán)節(jié)的啟?？刂圃O(shè)計了手動和自動兩種工作模式，不僅提升生產(chǎn)過程的自動化程度，也利于操作人員對設(shè)備的維護和檢修；最后針對控制系統(tǒng)匹配了人機交互界面并實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、控制器和上位機之間的穩(wěn)定通訊。

1 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)計

該產(chǎn)品的進料、原料混合、產(chǎn)品檢測、儲存成品5個環(huán)節(jié)均在罐區(qū)中完成，罐區(qū)內(nèi)分為原料A、原料B、原料C、原料D區(qū)，混合區(qū)E，成品區(qū)F，每個區(qū)域由兩個相通的罐體組成。進料準(zhǔn)備及成品運輸在裝/卸車鶴位進行。在系統(tǒng)設(shè)計中，使用了不同的傳感器實現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控。對于各個罐體的液位監(jiān)控及實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，每個罐體內(nèi)都配備了雷達(dá)液位計和磁翻板液位計；溫度監(jiān)控方面，根據(jù)生產(chǎn)需求，僅在原料罐和成品罐中安裝了熱電阻；壓力監(jiān)控方面，每個罐體內(nèi)均安裝了壓力變送器；由于該生產(chǎn)過程對于各原料的配比較為嚴(yán)格，需要對各條管線加裝渦街流量計。其中需要系統(tǒng)參與控制的點位中包括24個氣動切斷閥、9個泵的啟停開關(guān)，監(jiān)測點位包括12個罐內(nèi)的24個液位測點，原料儲存罐和成品罐的10個溫度測點，具體的點位配置見表1。

表1 生產(chǎn)過程控制與檢測點位配置表

在正式生產(chǎn)前，在裝車鶴位里將原料輸送至對應(yīng)的原料罐，此時原料卸車泵開啟，到達(dá)預(yù)設(shè)開啟時長后關(guān)閉，或當(dāng)兩個相同原料罐中的液位均達(dá)到高限位時，聯(lián)鎖值置0，卸車泵關(guān)閉，并發(fā)出警報；正式生產(chǎn)階段的第一步，先選取自動/手動模式，以自動模式為例，在生產(chǎn)過程中，需要對原料A、B、C或D進行混合，其中C和D不可同時加入，故設(shè)計了產(chǎn)品1和產(chǎn)品2生產(chǎn)模式供操作者選擇；選取生產(chǎn)模式后，相關(guān)的進料切斷閥打開后，打料泵啟動，在到達(dá)預(yù)設(shè)時間后，混合罐進料切斷閥關(guān)閉，打料泵關(guān)閉；對產(chǎn)品進行取樣檢測，檢測通過后，將混合罐內(nèi)的產(chǎn)品輸送至成品罐中，混合罐出料切斷閥和成品打料泵開啟，待到混合罐內(nèi)產(chǎn)品輸送完畢后，出料切斷閥和成品打料閥關(guān)閉；產(chǎn)品的裝車環(huán)節(jié)在裝卸車貨位中進行，成品罐出料切斷閥和成品裝車泵開啟直至輸出產(chǎn)品的總流量到達(dá)預(yù)設(shè)值后關(guān)閉。

對上述生產(chǎn)過程進行分析后，最終確定的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)見圖1。

1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

在控制系統(tǒng)設(shè)計之初，為了使控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝的全部動作，在確認(rèn)控制方案后，需要對PLC進行選型，PLC選型應(yīng)遵循實用、可靠、易于擴展、業(yè)內(nèi)領(lǐng)域運用成熟的原則，首先對所需的輸入輸出(I/O)點位的數(shù)量進行估算，選用的PLC的I/O點位數(shù)量應(yīng)為實際使用點位數(shù)量的110%～120%[4]；其次是存儲器容量的估算，程序容量可參考式(1)進行估算；最后是針對PLC的功能進行選擇，如對控制系統(tǒng)的通信、運算速度等功能上是否有特定需求。根據(jù)以上原則，設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)見圖2，控制系統(tǒng)選用臺達(dá)DVP60ES200R/T作為主站，DVP32ES200R/T作為從站，通過采用RS-485通訊串口通信的方式實現(xiàn)主站與從站的通訊；臺達(dá)DVP32XP系列I/O點位數(shù)量擴展模塊兩臺，臺達(dá)DVP04AD系列4路模擬量模塊11臺，臺達(dá)DVP04PT溫度測量模塊3臺；選擇臺達(dá)DOP-100系列人機界面作為上位機，主站通過RS-485通訊串口與上位機實現(xiàn)通訊功能；主站與電腦通過COM1端口(RS-232C)連接后，基于ISPSoft組態(tài)軟件及通訊管理軟件COMMGR，可以對控制程序進行編寫、修改及上載和下載。

N=(15n1+100n2)×125%

(1)

式中，n1為數(shù)字量I/O點位的數(shù)量，n2為模擬I/O點位的數(shù)量。

1.3 控制程序設(shè)計

當(dāng)PLC啟動時，在第一個掃描周期里會進行一次初始化，這一步將會對特定的寄存器賦值，初始化完成后PLC進入循環(huán)階段，循環(huán)階段包括內(nèi)部檢查、輸入點位采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出點位刷新。根據(jù)這一特點，對PLC控制程序進行設(shè)計?？刂瞥绦蚍譃槁?lián)機功能初始化模塊、主站初始化、從站初始化、模擬量讀取、連鎖模塊、主程序模塊6個部分。下面對各個模塊進行說明。

1)聯(lián)機功能初始化模塊

單臺DVP系列PLC只支持最大8個模擬量擴展模塊，單臺DVP最大模擬量點位數(shù)量少于實際需求點位數(shù)量，故需要配置從站配合進行輸入信號采樣，并將采集的信號傳遞給主站進行下一步處理，所以第一步需要實現(xiàn)主從站的通訊功能，利用MOV指令將預(yù)設(shè)值傳送到特殊寄存器之中。特殊繼電器M1002僅在第一次運行時保持ON，以后的循環(huán)掃描周期均為OFF，利用這一特殊繼電器可完成各項初始設(shè)置并且使其一直保持設(shè)定值。在初始設(shè)定中對COM2的通訊協(xié)議、PLC通訊地址等參數(shù)進行設(shè)定后，使用PLC LINK構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。在DVP系列的從站功能中，讀取與寫入數(shù)據(jù)長度均為16，故將從站讀取裝置設(shè)置為D100～D115，寫入裝置設(shè)置為D150～D165，主站讀取寫入裝置均為默認(rèn)值。

2)主站初始化

這一步的目的是對模擬量點位擴展模塊進行初始化設(shè)定。以DVP04AD擴展模塊初始為例，首先需要對該模塊的輸入模式進行設(shè)定，本項目中所有傳感器輸出信號均為4～20 mA的電流信號，所以控制寄存器CR#02～CR#05里的值均設(shè)置為16#0006；控制寄存器CR#08～CR#011決定了采樣次數(shù)，并將多次采樣的值求和后取平均值輸出，為了獲取參數(shù)的瞬時值，還需將控制寄存器CR#08～CR#011里的值均設(shè)置為1。此外需要注意的是，在對擴展模塊進行操作時，需要使用TO指令。

3)模擬量讀取

圖4是用戶手冊中給出的4～20 mA輸出模式下的A/D轉(zhuǎn)化特性曲線，Gain是當(dāng)數(shù)字輸出為16000時的電流輸入值；Offset時當(dāng)數(shù)字輸出為0時的電流輸入值，根據(jù)Z這一特性曲線對程序進行設(shè)計。以雷達(dá)液位計為例，其測量范圍為0～9000 mm，式(2)是實際的液位X與輸出的數(shù)字信號Y之間的關(guān)系，對應(yīng)的程序見圖5，寄存器D9900里存儲著第一個A/D擴展模塊里第一個通道采集電信號后轉(zhuǎn)化的模擬信號，使用MOV將模擬量的值搬運到寄存器D0，使用DIV指令將D0內(nèi)的模擬量除以32后，再用MUL乘以8得到當(dāng)前的液位，并仍儲存在D0中。

Y=(X-0)/(32000-0)*(9000 mm-0 mm)

(2)

4)從站模塊

在主站設(shè)置好通訊相關(guān)參數(shù)后，僅需對從站的模擬量點位擴展模塊進行初始化設(shè)定，將模擬量模塊讀取的值送入D100～D115后，主站將自動讀取從站寄存器D100～D115內(nèi)的值。

5)聯(lián)鎖模塊

為了防止誤觸，該生產(chǎn)系統(tǒng)一共設(shè)置了12個聯(lián)鎖回路，圖6是原料A的進料聯(lián)鎖回路和聯(lián)鎖模塊梯形圖。為了實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，使用CMP指令，將液位限值Hlimit與當(dāng)前液位Hpresent進行比較，若Hlimit>Hpresent，則輸出1，反之輸出0 ；再用簡單的位邏輯指令即可實現(xiàn)原料A的進料聯(lián)鎖回路。

6)主程序

主程序的功能是實現(xiàn)生產(chǎn)模式的選擇及各個控制點位的開閉。在生產(chǎn)部分需要操作者先選擇手動/自動模式，在選擇產(chǎn)品A/B生產(chǎn)模式，才可進入生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定。模式的選擇使用MC和MCR指令實現(xiàn)，圖7是模式選擇的示意程序，如選擇自動模式，則X0導(dǎo)通，M10置位，M11復(fù)位，此時程序自動執(zhí)行MCN0—MCRN0之間的程序，反之執(zhí)行MCN3—MCRN3之間的程序；控制點位的開閉主要是在生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置階段控制生產(chǎn)過程中相關(guān)的泵及氣動切斷閥的開閉時間，此處使用特殊繼電器M1012每隔100 ms發(fā)出一次時鐘脈沖的特點，配合CNT計數(shù)指令，設(shè)置泵及氣動切斷閥的關(guān)閉時間后，泵與氣動切斷閥開啟，當(dāng)計數(shù)器置1后使泵及氣動切斷閥狀態(tài)復(fù)位(即置0)。

2 上位機程序設(shè)計

使用軟件DOPSoft開發(fā)上位機軟件，實現(xiàn)上位機與PLC之間的通訊，從而實現(xiàn)人機交互，包括實現(xiàn)工藝流程顯示、系統(tǒng)啟?？刂?、手自動切換、測量參數(shù)顯示、運行參數(shù)設(shè)置、查看報警信息等。對上位機程序設(shè)計時，需要完成交互界面圖形設(shè)計、對I/O設(shè)備進行定義、建立動畫連接等工作后，運行和調(diào)試程序。根據(jù)第1章中設(shè)計的PLC程序，使用DOPSoft中完成變量名、變量類型、讀取內(nèi)存地址設(shè)置，生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制器和傳感器通過PLC與上位機程序中的變量相匹配。最終得到的人機界面包括歡迎界面1幅、I/O監(jiān)控(切斷閥)3幅、I/O監(jiān)控(機泵)1幅、控制主界面1幅，其中圖8、圖9分別是I/O監(jiān)控表(機泵界面)和控制主界面。

3 結(jié)束語

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需求，基于臺達(dá)DVP系列PLC開發(fā)了一套實用性強、可靠性高、自動化程度高的化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)了以下功能：

1)結(jié)合生產(chǎn)工藝和控制目標(biāo)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程中的液位、流量、溫度、壓力及機泵狀態(tài)等參數(shù)的有效監(jiān)測和控制。

2)針對系統(tǒng)中模擬輸入點位數(shù)量多的問題，提出了主從站相互協(xié)同工作的架構(gòu)，并設(shè)計了通訊程序，實現(xiàn)主從站之間的穩(wěn)定通訊。

3)通過編寫相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，避免了生產(chǎn)過程中由誤觸導(dǎo)致的安全事故，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了保障。

4)匹配了相應(yīng)人機界面，操作者只需要完成工作模式選擇及生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置，提升了操作流程的智能化，并且使操作者以更加直觀的形式進行系統(tǒng)狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控。