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計算機與PLC集成控制系統在石化行業的應用
計算機與PLC集成控制系統在石化行業的應用
近年來，國際市場上石化產品的競爭日趨激烈。與國外同類產品相比，我國的石化產品無論在生產工藝上，還是產品質量上，都存在著相當大的差距。為改變我國石化產品發展嚴重滯后的局面，國內石化行業的許多廠家已開始向產品的多樣化、添加劑材料和配方的高科技化邁進。我們應有關廠家提出的技術要求，針對石化產品生產工藝復雜、添加劑配比要求嚴格、品種多樣、互換性差的特點，開發研制了計算機與PLC集成控制系統。該系統控制可靠、操作簡便、開放性強、性能價格比高，在國內石化系統的數家企業推廣應用后，受到好評。
一、系統組成
計算機與PLC集成控制系統由生產系統和非生產系統二部分組成(如圖1)。生產系統主要由微型機、適配器、PLC、執行機構及現場儀表等部分組成。非生產系統主要由工藝流程模擬顯示屏、電視監視設備、現場通話設備、質量檢查系統、管理信息系統等部分組成。中央控制室負責處理來自生產系統和非生產系統的大量信息。通過計算機與PLC集成控制系統，將潤滑油廠的各生產車間、附屬部門以及總廠廠部聯成了密不可分的整體，從而最大限度地利用了信息資源。
圖1 計算機集成控制系統的組成
二、系統功能
為滿足用戶提出的技術要求和現場的工況，此控制系統的設計具有以下功能：
1、根據用戶提出的技術要求，按照添加劑配方的比例精確地配制生產各種型號的石化產品，并且通過微型機和現場PLC控制系統實現整個生產過程的自動化。
2、通過自行開發的計算機軟件，實現生產現場的動態監控。良好的人機界面、清晰的組態圖形，使得操作人員通過計算機屏幕，對于現場的各種工況變化一目了然。
3、在現場生產中，為提高整個控制系統的精確性，在攪拌器、電動機、電動閥、電磁閥等設備上均設計了局部反饋功能，這些相互獨立系統的局部反饋功能構成了對總系統反饋控制的有力支持。
4、當系統出現壓力報警或油面報警時，一方面通過PLC程序實現自動停車，另一方面借助于語音卡，在控制間的操作人員可以立即聽到報警信號，及時采取相應措施。
5、考慮到生產現場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處，技術人員不宜靠近，在現場設置了電視監視設備，讓技術人員實現遠程監控。為便于管理，還安裝了現場通話設備。
6、在中央控制室設置了1個大屏幕模擬顯示屏，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態顯示油的液位、流向，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產狀況。
7、通過微機聯網，質量檢查部門可以直接得到工業現場的信息，各管理部門之間也可以實現數據通信與數據共享。
三、硬件與軟件設計
1、硬件設計
在本系統中，工業現場控制是核心，而工業現場控制主要由PLC系統完成，所以如何合理有效地使用PLC技術就成了設計的關鍵。PLC的特點是控制可靠，編程簡單，但程序內存不大，不能進行復雜的編程；而石化產品的特點是生產工藝復雜，產品型號繁多，往往1條生產線就能夠生產幾十種型號的產品。這就形成了一對矛盾。如果設計時采用常規的PLC控制系統，那么1條生產線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉換模塊。投資巨大，而且按照現代控制理論，在1個控制系統中配置的控制模塊越多，控制越不可靠。為了減少投資和增強控制的可靠性，在PLC控制系統的硬件配置上進行了多項創新。
以潤滑油生產線為例，在潤滑油生產車間，有攪拌溫度、添加劑溫度、輸油泵壓力、油罐的液面等共計32路模擬信號需要檢測。如果按常規設計，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資，設計了多路開關切換電路，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能。圖2為FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖。
圖2 FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖
圖2中，FX-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊，Y0、Y1、Y2、Y3為PLC的任意輸出觸點。FX-4AD模塊的多路開關切換電路的設計實質上是通過1個多路開關控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測、添加劑溫度檢測、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項功能，其中多路開關的4個轉換觸點接PLC的輸出觸點，由PLC編程控制。這個多路開關切換電路簡單實用，而且節省了大量投資，實踐證明，該電路在控制精度上*用戶的需要。
2、軟件設計
在計算機與PLC集成控制系統的軟件設計中，也采用了許多新的設計思想。
仍以潤滑油生產車間為例，按照用戶提出的72種潤滑油的生產工藝和技術要求，如果用常規方法編程，需要12臺PLC基本模塊。為節約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點)，用逐項查表的方法編寫了1個72種潤滑油的通用程序，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實現的功能。
我們選用了三菱公司生產的FX系列的可編程序控制器，文件寄存器共計2 000點(D1000～D2999)。為節約程序內存，充分利用PLC本身提供的指令資源，我們選用了字傳送方式，用1個16bit的字來控制PLC觸點的16個輸出觸點，而不必像過去那樣，1條指令只能控制1個輸出觸點。例如在圖3中，首先X0導通，十進制數K6送入數據寄存器D0，接著X1導通，數據寄存器D0的數值K6轉化為二進制數“0000 0000 0000 0110"送入K4Y0，控制輸出Y0～Y17共計16個觸點的動作，其開關動作和數據寄存器D0的數值K6一一對應。如圖4所示，“1"控制輸出觸點導通，“0"控制輸出觸點關斷。在此例中，Y1、Y2觸點導通，其余輸出觸點關斷。
圖3 字傳送方式控制輸出觸點示意圖
圖4 數據寄存器DO的值與16個觸點的對應關系
通過字傳送方式，我們用1條指令就可控制16個電動閥及輸油泵的動作，大大節省了程序空間。在這種設計思想下，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫，然后輸入文件寄存器，并在此基礎上，編制了72種潤滑油的通用程序。在通用程序運行時，根據某一潤滑油的型號，通過查表的方式，在文件寄存器中調出對應的數據段(這些數據段也就是該種潤滑油的工藝流程)，然后該數據自動輸入PLC的控制程序，使得PLC按照規定的工藝流程控制整個執行機構工作。如圖5所示之例，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態字存于文件寄存器D1050～D1060 10個字節中。程序運行時，首先根據潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調出D1050～D1060 10個字節的數據，然后輸入到通用程序的相應寄存器，參與工業控制。
圖5 文件寄存器示意圖
四、計算機與PLC的通信技術
在計算機與PLC集成控制系統中，一個關鍵的技術問題是計算機與PLC的通信。若在整個系統設計中全部采用進口器件，軟件也選用相應的進口產品，那么，整個工程造價驚人。針對這種情況，我們自行開發了計算機與PLC的串行通信技術。該技術設計思想*，軟硬件簡單實用，可靠性高，性能價格比好，兼容性強，可適用于市場上多種型號的計算機與PLC。
從硬件上講，現在中國市場上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口；而微型機多采用RS232接口。這樣在計算機與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉換模塊，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個轉換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能，而選用高性能進口模塊，必定提高工程造價。
針對這種情況，為降低工程造價，我們在硬件上用1根普通的通信電纜代替進口的通信模塊，在電纜的接口處采用*的電路設計技術和單片機技術，以完成信號的隔離和放大功能。實踐證明，通信的可靠性*可以和國外的進口模塊媲美，而且造價極低。
從軟件上講，計算機和PLC的通信技術屬于保密技術，長期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠家生產的PLC，就必須選用它開發的工控軟件，提高工程造價。針對這種情況，我們開發了自己的工控軟件。下面以三菱公司生產的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設計。FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示。
表1 FX系列可編程序控制器的命令格式
| 命令 | 命令號 | 日標設備 | 功能 |
| 設備讀 | 命令‘0’ | X/Y/M/S/T/C/D | 讀位設備或字設備狀態 |
| 設備寫 | 命令‘1’ | X/Y/M/S/T/C/D | 寫位設備或字設備 |
| 強制開 | 命令‘7’ | X/Y/M/S/T/C | 打開位設備 |
| 強制關 | 命令‘8’ | X/Y/M/S/T/C | 關閉位設備 |
每一個字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6。
圖6 字符傳輸格式
例如，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。
圖7 字符“F"的傳輸格式
一般文本數據的傳輸格式如圖8。
圖8 文件數據傳輸格式
圖8中，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H；ETX為文本的結束，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。
在STX之后，被傳送數據的ASCII之和，也被作為2個字符碼發送。
例如，實現從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個字節數據，執行傳輸格式如圖9。
求和：
30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H＝74H
圖9 傳輸格式之例
通過改變命令號和地址號，就可以實現計算機與PLC之間的讀、寫、強制開關等基本功能，用戶可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎上，根據實際情況靈活地用C語言開發自己的通信程序，這正體現了該軟件的開放性特點。
五、結束語
計算機集成控制系統采用了*的系統集成的設計思想，投入運行后，為企業帶來了可觀的經濟效益和社會效益。該系統在工業現場控制方面，尤其在PLC控制方面，獨樹一幟，以其控制功能和良好的性能價格比，贏得了用戶的廣泛贊譽。