計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在峨山化肥廠干冰生產(chǎn)線中的應(yīng)用_圖文

1、330計(jì)算 機(jī) 測(cè)量 與 控 制 . 2006. 14(3 Computer Measurement &Control工業(yè)控制中華測(cè)控網(wǎng) 收稿日期 :2005-09-09; 修回日期 :2005-10-19。作者簡(jiǎn)介 :王海瑞 (1969- , 男 , 副教授 , 博士研究生 , 主要從事計(jì)算 機(jī)專業(yè)教學(xué)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究工作。文章編號(hào) :1671-4598(2006 03-0330-03 中圖分類號(hào) :T P278 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在峨山化肥廠干冰生產(chǎn)線中的應(yīng)用王海瑞 , 張 勇(昆明理工大學(xué) 信息及自動(dòng)化學(xué)院 , 云南 昆明 650093摘要 :干冰生產(chǎn)過程自動(dòng)監(jiān)控是基于

2、 PLC 的集散式控制系統(tǒng) ; 系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)和 PLC 組成 , 對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行全程控制和管理 ; 上 位計(jì)算機(jī)通過監(jiān)控畫面對(duì) PLC 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 , 接受參數(shù)后 PLC 執(zhí)行閉環(huán)控制 ; 使用 Citect 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)各種監(jiān)控畫面 ; 計(jì)算機(jī)與 PLC 間 采用 SYS M AC W AY 協(xié)議進(jìn)行通信 ; 該系統(tǒng)配置靈活 , 控制可靠 , 編程簡(jiǎn)單且成本低 ; 通 過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用 , 控制效果良好 , 達(dá) 到了預(yù)期 的控制目的。關(guān)鍵詞 :PLC; 集散控制 ; 通信協(xié)議 ; 干冰生產(chǎn)Application of Multilayer Control System in EShan

3、Fertilizer PlantWang H airui, Zhang Yo ng(Infor mation and A utomation Schoo l, K unming U niver sity o f Science and T echno lo gy , Kunming 650093, ChinaAbstract:The d ry ice production process automatic monitoring is b as ed on the PLC distributed control system. The s ystem is compos ed b y a h

4、ost com puter and PLC, w hich carries on the global m onitorin g and control proces s. Host computer s ets the PLC s parameters th rough m onitoring picture , w hile r eceives the parameter, PLC ex ecute th e closed-loop control. C ontr ol sy stem uses the Citect configuration s oft w are to design

5、each kind of monitoring pictu re. Th e system u ses S YS M AC W AY p rotocol to car ry on the comm unication betw een compu ter and PLC. T his sy stem sh ow s flexible configu ration, r eliable monitoring , prog ramm ing sim ple and als o the low cost. T he control system has good control effect and

6、 achieves the expected goal in real application.Key words :PLC; DCS ; communication protocol; dry ice production0 引言峨山化肥廠由云南紅塔集團(tuán)于 20世紀(jì) 80年代引 進(jìn)了日本 恒和公司的化肥生產(chǎn)線 , 而干冰生產(chǎn)線由成都西南化 工設(shè)計(jì)院 設(shè)計(jì)并安裝調(diào)試投入生 產(chǎn)運(yùn)行 直到 2003年 下半 年 , 系統(tǒng) 由一 臺(tái) 386計(jì) 算機(jī) 和一 臺(tái) O M RO N C200H S P LC 構(gòu) 成 , PL C 上沒 有 RS -232或 RS -422通 信 端 口 , 計(jì) 算 機(jī) 只

7、 能 通 過 CO N T ROL L IN K 通信單元實(shí)現(xiàn)和 PL C 的通信和編程 , 由于系統(tǒng)長(zhǎng) 期得不到保養(yǎng)和大部分硬件設(shè)備老化 , 在沒有軟件備 份的情況 下 , 用于保持存儲(chǔ) PL C 程序的鋰 電池腐 爛而導(dǎo) 致全部 PL C 程 序在停電過程中丟失 , 結(jié)果 使整 個(gè)自動(dòng) 控制 系統(tǒng)在 2003年下 半年全部癱瘓 , 不能正常工作 , 生產(chǎn)只能依靠現(xiàn)場(chǎng)常 規(guī)儀表來 進(jìn)行控制顯示 , 工人 勞動(dòng) 強(qiáng)度 大 , 手 動(dòng)操 作 工藝 指標(biāo) 很 難控 制。 2004年峨山 化肥 廠 決 定對(duì) 原 干冰 生 產(chǎn) 線進(jìn) 行 升級(jí) 改 造。 在保證生產(chǎn)工藝質(zhì)量的前提下 , 恢復(fù)原控制系統(tǒng)的

8、 功能 , 再將 控制系統(tǒng)與整個(gè)廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成 , 對(duì)整個(gè)生產(chǎn) 過程進(jìn)行 全程控制和監(jiān)管 ; 對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、控 制 , 提高生 產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量 , 操作人員的操作環(huán)境也有較大 的改善?；?于此種情況 , 我們?cè)?2004年 對(duì)峨 山化肥 廠的 干冰 生產(chǎn)線 進(jìn)行 了升級(jí)改造。1 干冰生產(chǎn)工藝制造干冰的原料來源非常豐富 , 發(fā)電廠、鋼鐵 廠、水泥廠 等工廠大量排放的 煙氣 中 , 含 有 12%30%的 高濃 度二 氧化碳 , 這些排放煙氣 經(jīng)吸收 法、吸 附法、深 冷法和 膜法 等物 理、 化學(xué)方法分離、濃縮后 , 可獲得純二氧化 碳?xì)怏w。特別 是化工 廠、氮肥廠等更具有二

9、氧化碳的原料優(yōu)勢(shì) 。峨 山化肥廠 具備制 造干冰的原料優(yōu)勢(shì) , 其制備工藝 是將氣體二氧化碳在壓 縮工序 將氣體壓縮后送到脫硫 工序?qū)怏w進(jìn)行脫硫處理 , 脫硫 過程中 需要對(duì)氣體進(jìn)行加熱和 冷卻處理 , 脫硫完成后原料氣體 進(jìn)入凈 化工序?qū)υ?料氣 體進(jìn) 行凈 化 , 原料 氣 體在 凈化 器 的升 溫凈 化 后 , 進(jìn)入冷卻塔冷卻后變成液體二氧化碳 進(jìn)入提純工 序 , 液體 二氧化碳在提純工序經(jīng)過兩級(jí)提 純器長(zhǎng)時(shí)間的加熱、 吸附、冷 卻共 240min 后形成干冰產(chǎn)品 , 進(jìn)入最后儲(chǔ)罐保存。在干冰生產(chǎn)過程中 , 需要對(duì)壓縮機(jī)出 口壓力進(jìn)行 調(diào)節(jié) , 凈 化氣再生氣 流量 調(diào)節(jié)、一 二級(jí) 提

10、純 器 液位 和壓 力 進(jìn)行 閉環(huán) 調(diào) 節(jié)。調(diào)節(jié)的好壞將影響干冰的產(chǎn) 量和質(zhì)量。2 控制系統(tǒng)的組成根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 , 峨山化 肥廠干 冰生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用如 圖 1所示 的控制結(jié)構(gòu) 方式 , 從 圖中可以看出 , 控制系統(tǒng)由 4層體系構(gòu)成 1, 最下面一 層是現(xiàn) 場(chǎng)執(zhí)行層 , 由輸入 /輸出設(shè)備、 溫度 檢測(cè) 設(shè)備、閥 門等 系統(tǒng) 組 合而成 , 主要負(fù)責(zé)命令的執(zhí)行和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài) 的檢測(cè) ; 第二 層是過 程控制層 , 由 PL C 或智 能控 制器 構(gòu)成 , 主要 完成 對(duì)現(xiàn) 場(chǎng)執(zhí) 行 機(jī)構(gòu)的控制和檢測(cè)設(shè)備 數(shù)據(jù)的采集 , 并負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 傳送到 上位監(jiān)控層進(jìn)行集

11、中監(jiān) 控 , 同時(shí) 將來自上位監(jiān)控層的命 令發(fā)送 到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) , 并完成閉環(huán)控制的計(jì)算 ; 第 三層為上 位監(jiān)控 層 , 主要由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 , 該層完成對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 的集中 監(jiān)控 , 監(jiān)視現(xiàn) 場(chǎng)設(shè) 備的 狀態(tài) , 對(duì)現(xiàn) 場(chǎng) 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 完 成遠(yuǎn) 距離 操 作 , 該計(jì)算機(jī)處于生產(chǎn)管理層的計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)上 , 可以將 現(xiàn)場(chǎng)數(shù) 據(jù)送入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中 , 供其他計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)使用和訪 問。最后第 3期 王海瑞 , 等 :計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在峨山化肥廠干冰生產(chǎn)線中的應(yīng)用 331中華測(cè)控網(wǎng) net. cn一層為生產(chǎn)管理層 , 該層負(fù)責(zé)將整個(gè)生產(chǎn)廠的數(shù)據(jù)全 部集中管 理和調(diào)度 2。由于本文只討論干冰生

12、產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) , 故 本文只詳 細(xì)介紹控制系統(tǒng)的前 3層 :現(xiàn)場(chǎng)控制層、過程控制層 和上位監(jiān) 控層 , 如圖 1所示。(1 上位監(jiān)控層 :選擇研 華工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位 計(jì)算機(jī)硬 件系統(tǒng) , M icro soft Window s XP 作為操作系統(tǒng) , 以 CIT 公司的 組態(tài)軟件 Citect 作為上位計(jì)算機(jī)的監(jiān)控 系統(tǒng) , 通過上 位計(jì)算機(jī) 的監(jiān)控畫面可 以對(duì) 現(xiàn)場(chǎng) P LC 進(jìn)行 參數(shù) 設(shè) 定 (如 :P ID 參數(shù)、 , 閥門的開關(guān)等 , 監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu) (如閥 門 的工作 狀態(tài) , 而現(xiàn)場(chǎng)控制器 PL C 具 體執(zhí) 行控 制 工作。要 求計(jì) 算 機(jī)具 有 10/100M

13、自適應(yīng)以態(tài)網(wǎng) 接口 , 能自 由地接 入生產(chǎn) 管理層 網(wǎng)絡(luò) , 具 有 RS-232或 RS-422/485通信 接口 , 具 備和 過程 控制 層通 信的能力。(2 過 程控制 層 :選 擇日 本 O M RO N 公 司的 C200H G 系 列 PL C 作為過程 控制層 的控 制機(jī) 構(gòu) , 構(gòu)成 的過程 控制 層 , 結(jié) 合干冰生產(chǎn)的工藝要求 , 對(duì)壓縮、脫硫、凈化和提純 等工序進(jìn) 行了重點(diǎn)控制。集中采集現(xiàn)場(chǎng)控制層的數(shù)據(jù) , 實(shí)現(xiàn)與 上位計(jì)算 機(jī)的數(shù)據(jù)交換 , 完成控制命令和過程狀態(tài)的上下傳 遞 , 并完成 閉環(huán)調(diào)節(jié)算法 , 接受參數(shù)后進(jìn)行閉環(huán)控制。圖 1 干冰生產(chǎn)線控制層次圖圖 2

14、生產(chǎn)工藝監(jiān)控畫面(3 現(xiàn)場(chǎng)控制層 :主要由各式各樣的傳感 器和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)組 成 , 主要用于檢測(cè)原料氣流量、提純塔的 壓力和液位、 冷卻塔 的入出口溫度等值的檢 測(cè)和各種閥門的開度控制等。這 些傳感 器將檢測(cè)到 的信 號(hào)通 過模 擬 量輸 入模 塊 和 OM RO M C200H G P LC 接在一起完 成摸 /數(shù)轉(zhuǎn)換 , P LC 根據(jù)干 冰生產(chǎn) 工藝完 成各 控制參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)后 , 由模擬 量輸出模塊將控制信號(hào) 送到執(zhí) 行機(jī)構(gòu)。3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3 1 上位監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)由于 Citect 系統(tǒng)具有 可視 化編程 的功 能 , 用戶 使用 簡(jiǎn) 單 , 組態(tài)方便靈活 , 能夠快 速和 各

15、種流 行的 PL C 進(jìn)行 組網(wǎng) , 支 持 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)操作 , 具有良好的數(shù)據(jù)庫(kù)接口 , 可 以和許多 應(yīng)用程 序協(xié)同工作 , 還可 以使 用 其它 開發(fā) 工 具 (如 V B 、 V C 、 DEL PH I 等 等 進(jìn) 行 開 發(fā)。充 分 利 用 W indow s 系 統(tǒng) 提 供 的 D LL (Dynamic L ink Libr ary , 極大 地豐 富了 控制 系統(tǒng) 的顯 示畫 面 和編程環(huán)境 , 從而方便靈活地實(shí)現(xiàn)多任務(wù) 操作。它不但 提供給 用戶豐富方便的常 用編輯工具和作圖 工具 , 提供 大量的工業(yè)設(shè) 備圖符、儀 表圖符 , 趨勢(shì)圖、歷史曲 線、組 數(shù)據(jù)分 析圖等 ;

16、而 且提 供 了 十 分 友 好 Windows 風(fēng) 格 的 圖 形 化 用 戶 界 面 GU I (graphics user inter face , 如窗口、按 鈕、數(shù)值顯 示、數(shù)值 控制 顯示、文本字符串、動(dòng)畫顯 示等 , 為表示 和控制 現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備提供 了極大的方便 , 操作人員可 以通過鼠 標(biāo)完成對(duì)界 面的控制 , 為 集中監(jiān)控提供了極大的方便。系統(tǒng)監(jiān)控顯示畫面及功能如下 :(1 工藝流程畫 面 :顯 示 主要 的 工藝 流 程總 貌 和 工作 狀 態(tài) , 相關(guān)設(shè)備 , 溫度、壓力等參數(shù) , 若有 報(bào)警 , 該參數(shù) 字符就 由綠變紅 , 如圖 2所示。(2 設(shè)備操作畫面 :可以 在

17、此 畫面 中開 /關(guān)閥 門 , 根據(jù) 工 藝狀況需要改變?cè)O(shè) 定值 , 設(shè)定 值和采 樣值 由柱狀 圖動(dòng) 態(tài)顯 示 ; 進(jìn)行 PID 參數(shù)設(shè) 置 , 實(shí)現(xiàn)手動(dòng) /自動(dòng) 無擾動(dòng) 切換 , 為 了防 止誤 操作 , 系統(tǒng)設(shè)置有操作權(quán)限 , 需要輸入身 份確認(rèn)。操作 人員用鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行操作 , 即可完成 對(duì)干冰生產(chǎn)過程的監(jiān)控。(3 趨勢(shì) 畫面 :利 用實(shí)時(shí) 趨勢(shì) 曲線 可以 分析工藝過程 中某數(shù) 據(jù)的 發(fā)展趨 勢(shì) , 判 斷工 藝狀況。利用歷史 趨勢(shì) 曲線可 以查 詢某 個(gè)數(shù) 據(jù)的歷史記錄 , 便 于操 作人員 分析 數(shù)據(jù) 和事 件 , 也可以作為考 核某 班操作 人員 操作 水平 的依據(jù)。(4 報(bào)

18、警摘要 :顯示所有未確認(rèn)的報(bào) 警 , 顯示名 稱、報(bào)警值 、報(bào)警時(shí) 間 , 并發(fā) 出聲 音 報(bào)警。(5 報(bào)表打 印 :表格 采用 M icr osoft Ex cel 制作 , 操作人員可以根據(jù) 需要隨時(shí) 打印報(bào) 表。3 2 過程控制層的實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫工 序的原 料氣、提 純工 序的液 位 和壓力而言 , 其調(diào) 節(jié)原 理相 同 , 僅僅 是調(diào) 節(jié) 參數(shù)不同而已 , 本 文只 以一個(gè) 參數(shù) 為例 來說 明。對(duì)于本系統(tǒng)的 流量、溫 度和 壓力 等模 擬 量的輸入值是 420m A 的 電流 信號(hào) , 經(jīng) 過A /D 轉(zhuǎn)換后 在 PL C 中 對(duì)應(yīng) 為 04095機(jī) 器332 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 第 3期

19、中華測(cè)控網(wǎng) 碼 , 為提高精度 , 消除干擾 , 需要進(jìn)行數(shù)字濾波 , 常 用的數(shù)字 濾波有 3種 方式 :時(shí) 間濾波方式、平均值濾波方式和 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 采樣值的可信度濾波方式 3。本控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)采 樣值的可 信度濾波方式 , 濾波的公式為 :y = X n + X n-1( + =1(1其中 , 為 現(xiàn) 場(chǎng) 值 的 信 任 度 , 值 為 轉(zhuǎn) 換 后 的 信 任 度 , X n 、 X n -1為取樣值。本系統(tǒng)中 取 0 3, 取 0 7, 進(jìn)行工程單位標(biāo) 度轉(zhuǎn)換。而在干冰生產(chǎn)過程中需要對(duì)原料氣流量、壓縮機(jī) 四級(jí)出口 壓力、一級(jí) 提純的液位和壓力以及二級(jí)提純的液位和 壓力實(shí)施 閉環(huán)控制 ,

20、 本系統(tǒng)采用 PID 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制 4, 系統(tǒng) 的傳遞函數(shù) 5如下 :G c (s =K p +k s+k d s (2其包括一個(gè)比例項(xiàng)、一個(gè)積分項(xiàng)和一個(gè)微分項(xiàng) , 其時(shí)域輸 出方程為 :u(t =K p e(t +k ie(t d t +k d d t(3在本控制過程中 , 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量裝置的 延遲 , 系統(tǒng) 有可能是一個(gè)純滯后過程 , 如對(duì)于溫度的控制其延遲 時(shí)間可能 多達(dá)幾分鐘。這種滯后性質(zhì) 常引起 被控對(duì) 象產(chǎn) 生超調(diào) 或振 蕩 , 造成系統(tǒng)不容易達(dá)到穩(wěn)定過程。因此 , 在本系統(tǒng)的控 制過程中 并聯(lián)了一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié) , 用來補(bǔ)償被控制對(duì)象中的滯 后部分 , 這 樣可以使系

21、統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定過程。如圖 3所示。圖 3 帶補(bǔ)償環(huán)節(jié)的 PID 控制改進(jìn)后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下 :令 H (s =(1-e -ts G (s (4 G (s =G (s1+G c (s H (s(5過程控制層 的程 序通 過 O M RO N 的 CXP 編 程軟 件實(shí) 現(xiàn) , 其梯形圖程序由于本文篇幅有限不再給出。4 上位監(jiān)控層和過程控制層的通信方式Omr on C200H 系列可編程 控制器 提供 多種 和上 位機(jī) 連接 的方式 , 由于本系統(tǒng) 數(shù)據(jù) 量 不大 , 所 以采 用 RS-232通 信和 RS-422方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 , R S-232連接 計(jì)算機(jī)的 串行端口 和 PL C 的編

22、程口 , 上位計(jì)算機(jī) 作為 PL C 的編 程器使 用 , 通信 線路作為通訊的冗余備份線路使用 , RS-422作為主 數(shù)據(jù)通信 線路 , 連接計(jì)算機(jī)的串行 端口 和 P LC 的 CCL IN K 模 塊。通信 協(xié)議采用 Sysmac way 通信協(xié)議。盡管 CIT ECT 組態(tài)軟件 支持 直接利 用串 口對(duì) PL C 進(jìn) 行讀 取 , 但本系 統(tǒng) 不 采 用 此 種 方 式 通 信 , 而 是 采 用 通 過 OPC (O LE fo r P rocess Co ntr ol 服務(wù) 器對(duì) P L C 進(jìn)行數(shù) 據(jù)的 寫。 CI T ECT 系統(tǒng)從 O PC 服 務(wù)器 獲得 數(shù) 據(jù) , OP

23、 C 服務(wù) 器 通過 R S-422從 PL C 獲取數(shù)據(jù)。由于 OP C 是 一個(gè)工 業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)。它是 由一 些占領(lǐng)先 地 位的 自動(dòng) 化 硬件 廠 商、軟件 公 司和 M ICRO SOF T 合作而建立的、滿足開放性的和互操作性 的接口標(biāo)準(zhǔn)。 其技術(shù)基于 M icro so ft 的 COM 技術(shù)規(guī)范 , 并由 O PC 基金會(huì)這個(gè) 國(guó)際 組織管理。 O PC 為不同 的廠 商 的硬 件設(shè) 備、軟 件 和系 統(tǒng)定 義 了公共的接口 , 使得過 程控制 和工廠 自動(dòng) 化中的 不同 的系 統(tǒng)、 設(shè)備和軟件之間能夠互 相連接、通信、操 作。最重要的 是它可 以同時(shí)向多臺(tái)上位計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)提 供數(shù)據(jù)

24、 6, M icr osoft Excel 可 以通過 OP C 服務(wù) 器直接將數(shù)據(jù)形成報(bào)表和存入數(shù) 據(jù)庫(kù)服務(wù) 器 , 這樣可以讓處 于生 產(chǎn)管 理層 的計(jì) 算機(jī) 系 統(tǒng)對(duì) 現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù) 進(jìn)行 讀 取。5 結(jié)束語在次干冰生產(chǎn) 線的 改造中 , 利用 PL C 作 為過 程控 制中 心 設(shè)備 , 控制方 法靈 活 , 通過 一 年的 實(shí) 際運(yùn) 行驗(yàn) 證 控制 效果 可 靠 , 控制程序編制 簡(jiǎn) 單 , 上 位 計(jì)算 機(jī) 系統(tǒng) 工 作 可靠 , 界面 直 觀 , 體現(xiàn)了干冰生產(chǎn)過程的工藝 流程 , 投 入成本低 , 應(yīng) 用靈活 方便 , 控制系統(tǒng)可以方便地和其它控制系 統(tǒng)集成 , 可以 將現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)匯總到辦公網(wǎng) 絡(luò)中 , 本系 統(tǒng)是對(duì) 老系 統(tǒng)改造 的一 個(gè)范 例 , 不但優(yōu)化了干冰生產(chǎn)的工藝過程 、提高了 經(jīng)濟(jì)效益 , 而 且對(duì)傳 統(tǒng)的