摘? 要: 結合復合肥生產的特點,介紹了一套基于PLC和牛頓7000產品構成的集散型控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),給出控制系統(tǒng)的硬件配置、軟件設計,討論了利用集散型控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產優(yōu)化管理。?
關鍵詞: 集散控制系統(tǒng),可編程序控制器,組態(tài)王,復合肥?
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目前國內化肥企業(yè)為了改變自身產品結構、適應市場需求,都在根據(jù)自身的實際情況,由單一肥的生產轉向復合肥的生產。但復合肥生產中需要控制的工藝參數(shù)較多,若采用傳統(tǒng)的人工操作,不但耗費人力,而且由于人為因素較多而造成產品質量不穩(wěn)定,因此采用自動控制十分必要。為此,我們設計了一套控制系統(tǒng)完成整個生產的優(yōu)化控制和管理。?
1 復合肥生產工藝簡介?
復合肥生產工藝中需將幾種原料按比例混合后進入造粒機,尿素溶解后形成尿液經尿液泵、調節(jié)閥、流量計也進入造粒機,同時進入造粒機的還有熱水、蒸汽、泥漿。造粒后粒狀物輸送到烘干機,某些不符合顆粒要求的粒狀物再返回到配料區(qū)與原料混合后重新進入造粒機。其工藝流程簡圖如圖1所示。
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生產中工藝參數(shù)較多,有各種原料的配比、各原料的養(yǎng)分、原料量、返料量,尿素溶解工藝中水和尿素的比例,生產現(xiàn)場還有許多溫度、液位、壓力、流量需顯示和控制,生產線上" title="生產線上">生產線上相關設備的開啟存在連鎖,一些回路之間還有比值關系。因此適合用集散型控制系統(tǒng)來完成整個生產線的監(jiān)控。?
2 系統(tǒng)構成?
本集散型控制系統(tǒng)對復合肥車間的造粒機、烘干機和所有皮帶秤、提升機、皮帶機、除塵發(fā)送罐、返料破碎機等設備進行自動控制。造粒機的檢測控制參數(shù)為水量、蒸汽量、尿液量、泥漿量;烘干機的檢測控制參數(shù)為熱風爐爐頭溫度、三個熱風機的進出風溫度;尿素溶解工藝中檢測控制參數(shù)為溶解槽液位、溫度;皮帶秤的檢測參數(shù)為通過秤的物料重力和速度信號,控制參數(shù)為電機轉速。系統(tǒng)中開關量為設備的開啟信號,根據(jù)生產線的生產順序,對于生產線上各種設備的開啟和工況進行連鎖控制,即后道工序要以前道工序的正常運行為前提。整個系統(tǒng)共有模擬量輸入41個、模擬量輸出17個、數(shù)字量" title="數(shù)字量">數(shù)字量輸入56個、數(shù)字量輸出45個。系統(tǒng)采用如圖2所示的PC+PLC的雙層結構模式。需經常在現(xiàn)場操作的,即包裝工段和配料區(qū)的部分皮帶秤,采用威達工控的牛頓7000系列產品開發(fā)的控制儀進行控制,其它皮帶秤由PLC直接控制。?
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系統(tǒng)的上位機" title="上位機">上位機為兩臺PC機。其中一臺在現(xiàn)場站,它在車間控制室,用于監(jiān)控生產工藝數(shù)據(jù),并能對生產線進行操作及設定各參數(shù),是主要監(jiān)控設備。由于使用條件比較惡劣,故要求可靠性較高,選用臺灣研華IPC-610工控機,PCA-615/586型CPU卡、128M內存、20G硬盤。另一臺PC機在遠程站,它在車間辦公室,主要用于監(jiān)控工藝數(shù)據(jù)和生產情況,通常不對生產線進行操作,因此利用了辦公室原有的PC機。?
系統(tǒng)的下位機為PLC。根據(jù)車間生產設備分布情況,下位機選用兩臺SIEMENS的S7-315PLC,分別放置于兩個控制室內。PLC的每個控制單元的輸入、輸出模塊通道都略有盈余,便于功能擴展和維護,其具體配置如下:?
PLC1的配置為:PS307電源模塊一只,CPU315一只, 8通道模擬量輸入模塊SM331兩只,4通道模擬量輸出模塊SM332一只,32通道數(shù)字量輸入模塊SM321一只,32通道數(shù)字量輸出模塊SM322一只。?
PLC2的配置為:PS307電源模塊一只,CPU315一只,IM365接口模塊一對(用于兩個機架間通信), 8通道模擬量輸入模塊SM331四只,4通道模擬量輸出模塊SM332四只,32通道數(shù)字量輸入模塊SM321一只,32通道數(shù)字量輸出模塊SM322一只。?
上位機和下位機之間采用了SIEMENS的MPI網絡連接。兩臺上位機都是通過MPI接口卡(CP5611)和MPI總線相連。由于遠程站離現(xiàn)場較遠,故采用RS485中繼器,用來放大總線上的數(shù)據(jù)信號。這樣連接的好處有:?
(1)正常使用時,把遠程站的操作權限設定為最低,使其只能監(jiān)控生產線,而不能修改參數(shù)、操作生產線,所有的操作都在現(xiàn)場站完成。一旦現(xiàn)場站有故障,可以隨時切換到遠程站上進行操作,只需用操作權限高的身份登錄,遠程站就代替了現(xiàn)場站進行各種操作;?
(2)由于兩臺上位機都通過MPI卡和MPI網絡相連,所以數(shù)據(jù)傳輸速度快,并且穩(wěn)定可靠;?
(3)相對于組態(tài)軟件已提供的雙機冗余功能,這種方法的優(yōu)勢在于切換時間、可靠性等方面,更適合于本系統(tǒng)。?
所有的控制工作都由PLC完成,上位機只負責提供人機交互界面,進行數(shù)據(jù)顯示、存儲、統(tǒng)計和報表打印,PLC能脫離上位機正常工作,同時配有電池,可以保存系統(tǒng)的設定參數(shù)和現(xiàn)場狀態(tài)參數(shù)。在系統(tǒng)運行過程中,PLC一直與上位機實時通信,從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)相一致;操作人員在上位機上發(fā)出的操作命令和設定的參數(shù)也都可以實時地送到PLC上執(zhí)行。生產線上所有的設備都有現(xiàn)場手動開關,可隨時脫離控制系統(tǒng)轉換到手動操作模式,而不影響整條生產線的工作,便于設備維護,增進了系統(tǒng)可靠性。?
3 系統(tǒng)控制軟件的設計?
3.1 7188程序設計?
如前所述,部分皮帶秤采用威達工控的牛頓7000系列產品開發(fā)的控制儀進行控制。7000系列產品適合工業(yè)現(xiàn)場離散數(shù)據(jù)采集和控制,其最大特點是使用靈活方便,可根據(jù)不同的需求選擇相應的模塊,從而組建成各種應用系統(tǒng)。本系統(tǒng)中用了7000系列產品中的四種模塊。用ICP-7188作為主控模塊;用ICP-7016采集秤體的重力信號和輸入的設定流量;用ICP-7080采集速度信號(來自皮帶秤電機上的脈沖信號);7021輸出秤的瞬時流量信號(4～20mA)。各模塊間和變頻器之間通信采用串行通信。人機界面由六位數(shù)碼管和輕觸按扭構成,可以設定各種參數(shù)。7188程序由C語言編制,采用模塊化程序設計" title="程序設計">程序設計。程序共分以下幾個主要模塊:?
(1)I/O采集模塊? 完成重力信號(mV信號)的采集,速度信號(脈沖頻率)的采集,7021的控制,對變頻器的控制(包括頻率設置、啟?？刂?;?
(2)秤核心控制及存儲模塊? 完成初始化操作,狀態(tài)轉換分析,自動控制、測皮控制、標定控制及數(shù)據(jù)存儲操作;?
(3)鍵盤分析模塊? 分析鍵盤的輸入,決定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化及顯示; ?
(4)顯示模塊? 顯示各類數(shù)據(jù)。?
累計量、設定量等需記憶的頻繁變化量,存儲在7188 NVRAM中(共31byte)。皮重、標定系數(shù)等需記憶但變化不頻繁的參數(shù),存儲在E2PROM中(共2Kbyte)。E2PROM中的數(shù)據(jù)只有改變后才存貯,NVRAM中的數(shù)據(jù)每秒存儲一次。?
3.2 PLC程序設計?
PLC完成整個車間的數(shù)據(jù)采集和控制,編程采用SIEMENS的STEP7開發(fā)實現(xiàn),STEP7不是面向對象的程序設計語言,我們在具體編程時借鑒面向對象的程序設計思想。例如在配料秤的控制上,將配料秤的控制集中到一個功能塊(FB)中,不同的秤配以不同的數(shù)據(jù)塊(DB)。這樣就實現(xiàn)了面向對象的程序設計中的數(shù)據(jù)和代碼的分開,簡化了設計程序的工作量。具體設計程序時,對于AI、DI可直接讀入某一DB中,由上位機讀取;對于回路控制,可利用STEP7中的PID控制功能塊(FB41)實現(xiàn)。在實際調試中,整定參數(shù)后,基本能滿足控制要求。PLC除了完成數(shù)據(jù)采集和控制外,把一些工藝數(shù)據(jù)計算(如產品養(yǎng)分分析、產量累計等)也放到PLC中進行。這樣即使上位機有故障或其與PLC通信有故障,關鍵數(shù)據(jù)也不受影響。?
3.3 上位機監(jiān)控程序設計?
上位機操作系統(tǒng)采用Microsoft的Windows98,其通用性好、功能強?？紤]到性能價格比,工控軟件選用國內產品——北京亞控的“組態(tài)王”?！敖M態(tài)王”是一國產的工業(yè)組態(tài)軟件,它以Windows98/Windows 2000/Windows NT4.0 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺,充分利用了Windows 圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點,具有強大的控制功能,內部采用了類C語言,基本滿足控制的要求。采集和顯示數(shù)據(jù)的功能也較完善,只要安裝好設備的驅動程序就能與各種PLC、智能儀表、板卡及變頻器等設備進行通信,還可以與其它計算機相連,組成一個企業(yè)的分布式生產管理網絡。與國外著名的組態(tài)軟件相比,價格低是“組態(tài)王”的最大優(yōu)勢。利用它設計了如下畫面:?
(1)各工段工藝流程顯示? 提供形象、直觀的工藝流程圖畫面,所有的開、關操作都可在這類畫面上實現(xiàn)。同時,流程圖中的所有現(xiàn)場設備及儀表都可查詢設備名稱、設備號、儀表號及測量信號名稱。另外,所有監(jiān)測點和控制點的參數(shù)及設備啟停狀況都反映在流程圖上;?
(2)配料參數(shù)畫面? 可在該畫面上輸入與配料相關的各種參數(shù);?
(3)造粒機參數(shù)畫面? 造粒機是復合肥生產工藝中重要的設備,與之相關的參數(shù)也較多,在此畫面中可設定和顯示各個相關參數(shù);?
(4)配粒秤參數(shù)設定畫面? 部分配料秤是由PLC直接控制的,其參數(shù)設定、標定、測皮等都在這個畫面中進行;?
(5)模擬量顯示與設定? 對一些模擬量工藝參數(shù),除了在流程圖上對應的測量點顯示測量值外,還在此畫面上用表格顯示各參數(shù)的信息,包括測量值、設定值、最大值、最小值、報警上下限等。用趨勢曲線監(jiān)視參數(shù)變化情況或歷史變化情況,使操作人員全面了解參數(shù)狀態(tài);?
(6)開關量匯總畫面? 該畫面集中顯示了各工段開關量輸入/輸出的狀態(tài),可以啟停設備,對一些參與連鎖的設備還可設定是否參與連鎖;?
(7)控制回路操作畫面? 顯示了各控制回路的設定值、實際值、輸出控制量、手/自動狀態(tài),并可在線整定PID參數(shù);?
(8)報警畫面? 該畫面在有報警時自動彈出,對設備故障和參數(shù)越限進行實時報警,還可以查詢報警歷史情況,便于管理人員了解生產情況;?
(9)報表畫面? 顯示了生產線上一些關鍵數(shù)據(jù)的實時或歷史數(shù)據(jù),并可打印輸出。?
通過這些畫面,可以對整個生產車間全面地監(jiān)控,滿足了廠家要求。?
3.4 尿液量與混料量的比值調節(jié)程序設計?
在復合肥生產線上,混合料皮帶秤要將幾種原料按配比混合后送到造粒機,同時還要根據(jù)進入造料機的原料量按一定比例調節(jié)送入尿液量。本文所介紹的系統(tǒng)是改造項目,某些設備的位置受原車間設備排列影響較大,如混合料皮帶秤到造粒機之間距離較遠,傳輸需一段時間,即混合料流量和進造粒機的物料流量有一段延時。同時受返料量變化等影響,混料量變化有時較大,引起尿液量設定量變化也較大,結果造成尿液控制回路有較大的誤差。鑒于以上原因,我們利用組態(tài)王命令語言(類C語言)較容易地解決了此問題,程序流程如圖3所示,每秒執(zhí)行一次。程序中定義兩個數(shù)組,長度為TaveMAX和TdelayMAX,分別用來計算流量平均值和延時,其數(shù)據(jù)結構為隊列,即數(shù)據(jù)先進先出。Tave是平均時間(單位:秒,最大為TaveMAX),Tdelay是延時時間(單位:秒,最大為TdelayMAX),兩者都可通過界面改變大小。
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4 生產優(yōu)化管理設計?
由于系統(tǒng)把生產線上的關鍵數(shù)據(jù)都采集到控制系統(tǒng)中,所以能完成分散儀表型控制設備難以勝任的一些高級功能,如某些回路的模糊控制,各控制回路間相關控制等。本系統(tǒng)結合復合肥生產的特點,實現(xiàn)了生產優(yōu)化。由于復合肥生產需要數(shù)種原料,各原料的成分和價格各不相同且不斷變化,如何選擇原料使成品生產成本最低是廠家十分關心的問題。這項工作通常由企業(yè)化驗室或工藝部門決定,造成與生產過程脫鉤、計算周期長和人為因素多,難以保證得到最優(yōu)結果。在本系統(tǒng)中, 系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了配方實時智能計算功能,保證了成品成本時刻處于最優(yōu)狀態(tài)。這主要通過以下兩個步驟實現(xiàn)。?
(1)由于返料是半成品,其成分和原料不同,故在生產中不斷計算中間產品混料后物料的成分,根據(jù)計算結果調節(jié)進造粒機的尿液量、泥漿量,使產品養(yǎng)分保持穩(wěn)定; ?
(2)根據(jù)各原料的成分、庫存及價格,不斷計算能否實現(xiàn)所需的復合肥,同時利用帶參量的線性方程實時跟蹤生產過程,定時改變配比方案或給出建議,實現(xiàn)成品成本最優(yōu)。?
生產過程中若原料的種類、成份、價格等因素發(fā)生變化,可在配料參數(shù)畫面中修改相應的原料表,系統(tǒng)就根據(jù)修改后的參數(shù)實時計算并控制,相應的分析數(shù)據(jù)可供生產管理人員參考。?
以PLC或智能儀表作現(xiàn)場控制器,以工控機配置組態(tài)軟件作為上位機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網共享,是目前工廠自動化的流行配置。本文所介紹的系統(tǒng)即為一典型應用,它投入實際運行近一年,效果較好。與此類似的系統(tǒng)也有幾套在江蘇、湖北、遼寧等幾個大中型化肥廠的復合肥車間投入使用。我國目前化肥廠復合肥改造項目較多,該系統(tǒng)具有極大的推廣價值和應用前景。?
參考文獻?
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