基于電氣自動(dòng)化的PLC編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

［摘 要］通過對(duì)PLC 編程控制系統(tǒng)的優(yōu)越性和石油化工企業(yè)油罐廠區(qū)管理的重要性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的PLC 編程控制系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要由PLC 設(shè)備、傳感器、PID 控制器以及其他的轉(zhuǎn)換和傳輸設(shè)備組成，軟件設(shè)計(jì)主要依托RSLogic5000 編程軟件，分析自動(dòng)化控制流程，最后借助CAK6163型號(hào)的電動(dòng)通用式車床模擬系統(tǒng)工作環(huán)境，分析系統(tǒng)工作延時(shí)和工作效率，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，文章研究的控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度更好，反應(yīng)時(shí)間和處理效率也更強(qiáng)。

［關(guān)鍵詞］電氣自動(dòng)化；PLC 編程；控制系統(tǒng)；石油化工

［中圖分類號(hào)］TP273 ；TM1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0018–03

1 PLD編程控制系統(tǒng)的工作原理與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足對(duì)整個(gè)石油化工油庫廠區(qū)設(shè)備和油罐的管理，所設(shè)計(jì)的PLC編程控制系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能，包括PLC 控制設(shè)備、傳感器、控制器等硬件設(shè)備，同時(shí)在系統(tǒng)中配備人機(jī)交互觸摸屏，并設(shè)置相應(yīng)的配置參數(shù)，系統(tǒng)通過對(duì)傳感器上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析并控制油罐區(qū)閥門等設(shè)備的工作，自動(dòng)化調(diào)整各個(gè)設(shè)備功能模塊，達(dá)到人機(jī)交互目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC設(shè)備設(shè)計(jì)

PLC 設(shè)備主要采用XDM-60T10-C 運(yùn)動(dòng)控制型設(shè)備，包含輸入輸出接口、存儲(chǔ)中心、中央處理單元以及電源等，具有占用空間面積小、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)，可滿足不同場(chǎng)景下的控制管理需要，尤其在自動(dòng)化控制管理中，可根據(jù)需要調(diào)整設(shè)備規(guī)格，具有兼容性強(qiáng)、接口多、連接快速、數(shù)據(jù)處理效率高等優(yōu)勢(shì)[1]。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

采用光電傳感器，進(jìn)一步提高對(duì)管理區(qū)域各類電氣設(shè)備、油罐、閥門設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)的科學(xué)性。為了滿足不同規(guī)格設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，將光電傳感器的GaAs紅外發(fā)電二極管的波長(zhǎng)設(shè)置為940 mm，輸入電壓調(diào)整為24 V，額定電流調(diào)整為35 mA。

2.3 PID控制器選擇

選擇的PID 控制器型號(hào)為OM49-680，控制技術(shù)為模糊控制，能在1/8 和1/4 兩種控制面板尺寸下工作和實(shí)現(xiàn)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、控制效率高等優(yōu)勢(shì)，能有效控制各類設(shè)備，滿足系統(tǒng)管理和使用要求[2]。同時(shí)， 系統(tǒng)控制芯片主要采用OM49-680 控制器，采用自適應(yīng)調(diào)整法有效提高整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。系統(tǒng)還支持設(shè)置8 個(gè)輸出事件，有效將多個(gè)控制模塊聯(lián)系在一起， 實(shí)現(xiàn)對(duì)控制范圍內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)管理。

2.4 其他硬件布局

考慮到石油化工企業(yè)儲(chǔ)油罐自動(dòng)化監(jiān)控和管理需要，本次設(shè)計(jì)為每個(gè)儲(chǔ)油罐配備了各類傳感和流量計(jì)量設(shè)備，包括模擬量輸入通道3 個(gè)、模擬量輸出通道1 個(gè)、電機(jī)1 個(gè)、電動(dòng)閥2 個(gè)、流量計(jì)2 個(gè)、壓力表1 個(gè)、指示燈10 個(gè)、手動(dòng)按鈕2 個(gè)。數(shù)字量輸入模塊選型為1769-IA16，數(shù)字量輸出模塊選型為1769-IO16，不同油罐分配的I/O 地址不同，整個(gè)控制系統(tǒng)通過上位機(jī)的給定值和給定反饋結(jié)果開關(guān)、調(diào)節(jié)電動(dòng)閥。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)化控制檢測(cè)對(duì)象

區(qū)域內(nèi)每一個(gè)油罐都布置油罐液位和溫度檢測(cè)傳感器，文章主要采用的溫度傳感器為熱電偶溫度感應(yīng)器，油罐內(nèi)溫度需要低于45℃，當(dāng)PLC 編程控制系統(tǒng)檢測(cè)到油罐內(nèi)溫度超過預(yù)計(jì)溫度時(shí)，將通過自動(dòng)噴淋裝置、電機(jī)和水池等進(jìn)行降溫，并采用平均值濾波方式進(jìn)行抗干擾處理，提高決策正確性。PLC 編程控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示[3]。整個(gè)系統(tǒng)的控制管理流程為：首先檢測(cè)油罐內(nèi)液位傳感器，隨后實(shí)時(shí)采集油罐中的信息，并將信息轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，最后輸入至A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)化為上位機(jī)可接收的數(shù)字信號(hào)。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序編程軟件采用RSLogic5000，能支持包含功能塊、梯形圖、順序功能圖標(biāo)、結(jié)構(gòu)化文本等功能化圖標(biāo)，指令豐富，界面清晰。以液位流程的梯形圖語言編程為例，工作流程如圖2 所示。

PLC 編程控制系統(tǒng)的控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種形式，當(dāng)TlVZKW/ktH/PmQaqHkFGXw==處于自動(dòng)模式時(shí)，所有設(shè)備都收到控制系統(tǒng)的指令，根據(jù)程序指令進(jìn)行閥門監(jiān)控、判斷、調(diào)節(jié)等工作，當(dāng)遇到較為復(fù)雜的問題或控制處理無法使用自動(dòng)化處理的工作時(shí)，可在人機(jī)交互界面選擇手動(dòng)控制管理模式，以滿足油罐儲(chǔ)存區(qū)域管理需要[4]。

4 模塊分析

4.1 控制油罐區(qū)域整體工作情況

為了提高對(duì)油罐區(qū)域的整體掌控力度，必須了解各個(gè)設(shè)備和裝置的運(yùn)行狀況是否準(zhǔn)確詳細(xì)體現(xiàn)在展示界面。利用PLC 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬、分析和評(píng)價(jià)，有利于提高對(duì)整個(gè)區(qū)域管理的精確度。利用布置在各個(gè)油罐的溫度傳感器、環(huán)境傳感器、壓力傳感器、空氣流動(dòng)傳感器等傳輸?shù)膮?shù)模擬并分析實(shí)際運(yùn)行狀況，進(jìn)一步提高控制準(zhǔn)確性。隨后利用數(shù)字量模擬轉(zhuǎn)化技術(shù)，將采集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，提高內(nèi)部控制信息的響應(yīng)和交流效率。最后，還應(yīng)該保證多個(gè)控制單元比例的一致性，借助數(shù)據(jù)提供新線路將PLC 編程控制系統(tǒng)上位機(jī)的通信任務(wù)進(jìn)行分散處理，避免局部故障引起整個(gè)模擬結(jié)果異常，具體分類流程如圖3 所示。

4.2 自動(dòng)化故障診斷模塊

將油罐區(qū)域故障問題進(jìn)行分層分類，隨后將PLC編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多個(gè)層次控制模塊，提高故障識(shí)別和自動(dòng)化處理故障的水平，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別并定位到系統(tǒng)故障后，系統(tǒng)可根據(jù)故障信息獲取更多的故障數(shù)據(jù)，為油罐設(shè)備故障診斷和異常問題處理提供有效參考。此外，為了提高故障處理和分析的自動(dòng)化水平，還需要在PLC 編程控制系統(tǒng)內(nèi)部編寫故障診斷程序，使用故障診斷程序通信和處理問題。

4.3 遠(yuǎn)程控制模塊

結(jié)合以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)等可讀取PLC 編程控制系統(tǒng)的變量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)督管理與控制。文章設(shè)置的遠(yuǎn)程監(jiān)督界面包括整個(gè)罐區(qū)的整體情況、單個(gè)儲(chǔ)油罐的狀況、報(bào)警統(tǒng)計(jì)圖、實(shí)時(shí)油液油壓趨勢(shì)、實(shí)時(shí)油罐溫度查詢以及歷史數(shù)據(jù)（包括歷史油液油壓趨勢(shì)和歷史溫度查詢數(shù)據(jù)等），利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)技術(shù)，還能單擊有關(guān)區(qū)域的運(yùn)行區(qū)域，進(jìn)入該區(qū)域的狀況檢測(cè)圖內(nèi)，詳細(xì)查看和管理油罐的管理過程和控制工藝。

4.4 系統(tǒng)報(bào)警和安全管理模塊

為了提高安全管理效率，分別在儲(chǔ)油罐區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)和中控制安裝報(bào)警響鈴和報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)后報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)將信息傳達(dá)至各負(fù)責(zé)工作人員，并制訂相應(yīng)的搶救措施。文章研究的系統(tǒng)報(bào)警依據(jù)主要為有關(guān)內(nèi)油污濃度、壓力、溫度、液位等信息，分為高液位報(bào)警、低液位報(bào)警、高溫報(bào)警和低溫報(bào)警等多個(gè)模塊，通過及時(shí)報(bào)警通知相關(guān)處理人員，可降低危險(xiǎn)事故帶來的損失。此外，為了進(jìn)一步提高軟件系統(tǒng)的安全性，可在軟件系統(tǒng)新增設(shè)備權(quán)限管理，包括用戶的注冊(cè)和修改、權(quán)限的刪除和操作等，采用相應(yīng)的組態(tài)軟件進(jìn)行分級(jí)管理和處理，實(shí)現(xiàn)操作功能的分級(jí)處理和記錄，提高設(shè)備操作信息的查詢和處理效率。

5 應(yīng)用測(cè)試

文章主要利用CAK6163 型號(hào)的電動(dòng)通用式車床作為測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備，主要檢測(cè)PLC 編程控制系統(tǒng)的延遲數(shù)據(jù)控制精確性以及文件傳輸和開啟效率。模擬并測(cè)試PLC 編程控制系統(tǒng)在機(jī)床中的運(yùn)行情況，經(jīng)過15 次測(cè)試后，分別對(duì)機(jī)床的啟停信息、文件傳輸延時(shí)信息等進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果見表1。

從表1 內(nèi)容分析可得，整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間為20.00 ms，暫停延時(shí)時(shí)間為13.00 ms，文件傳輸延時(shí)時(shí)間為30.00 ms，證明文章研究的基于電氣自動(dòng)化的PLC 編程控制系統(tǒng)能及時(shí)反應(yīng)并處理油罐管理中出現(xiàn)的各類問題，保證油罐區(qū)域的整體安全。

在開啟PLC 編程控制系統(tǒng)后，借助傳感器傳送的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，能直觀了解并自動(dòng)化調(diào)整相對(duì)應(yīng)系統(tǒng)或設(shè)備。以溫度傳感器為例，通過截取油罐內(nèi)穩(wěn)定的內(nèi)部溫度信息，繪制電氣設(shè)備的溫度變化，如圖4 所示。

和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，文章研究的PLC 編程控制系統(tǒng)能在極短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)相關(guān)問題，避免故障問題的擴(kuò)大，采取措施自動(dòng)控制油罐內(nèi)溫度，提高整個(gè)油罐區(qū)域的安全性與管理效率。

6 結(jié)束語

我國的工業(yè)生產(chǎn)和管理水平對(duì)我國整體經(jīng)濟(jì)水平有著極其重要的意義，實(shí)現(xiàn)石油化工企業(yè)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化，可充分發(fā)揮企業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)效益的持續(xù)發(fā)展。文章建立了基于電氣自動(dòng)化PLC 油罐廠區(qū)管理編程控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件與軟件布局，分析其在各個(gè)模塊中的具體應(yīng)用并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，為PLC 編程控制系統(tǒng)在石油化工企業(yè)的發(fā)展提供有效參考。

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