基于PLC及組態(tài)軟件的氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

廖曉軍

摘 要：隨著氣力輸送系統(tǒng)的應(yīng)用日漸廣泛，與之配套的控制系統(tǒng)的設(shè)計合理性越顯重要，根據(jù)對200多個項目方案的研究、總結(jié)，歸納出了工藝系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求，以及硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計與具體選型的原則與方法，從而據(jù)此設(shè)計出較合適的氣力輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：可編程序控制器（PLC）；組態(tài)軟件；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）

1 引言

氣力輸送裝置是在管道內(nèi)利用氣體作為承載介質(zhì)，將物料從一處（或幾處）輸送到另一處（或幾處）的設(shè)備，因其具有輸送效率較高、占地少、成本較低、無污染及易于對整個系統(tǒng)實現(xiàn)集中自動控制等特點，廣泛應(yīng)用于港口裝卸、石化、建材、機械生產(chǎn)中的原料輸送、電力、冶金的工藝物料輸送和廢棄物回收等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景極為廣闊。

上世紀(jì)80年代以來隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的數(shù)據(jù)采集處理能力、運算能力、人機接口及網(wǎng)絡(luò)通信能力得到大幅度增強，PLC與DCS逐漸融合與互連（亦得益于DCS的開放性發(fā)展），PLC不斷滲透并蠶食DCS的某些應(yīng)用領(lǐng)域。由于PLC具有通用性強、可靠性高、易于使用、性價比高等特點，使它在工業(yè)控制機系統(tǒng)市場中繼續(xù)保持上升的勢頭。

工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。由于組態(tài)軟件具有開發(fā)時間短，效率高，可靠性高以及開放性、可擴展性、一致性、易維護性等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。

由于氣力輸送系統(tǒng)具有系統(tǒng)規(guī)模（組成）多變性、輔助設(shè)備多樣性、分散性等特點以及PLC和工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件具有的優(yōu)異特性，氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)大多采用上位機（PC）+PLC的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）模式。本文介紹了正壓氣力輸送系統(tǒng)的基本工藝及其對監(jiān)控系統(tǒng)的要求和監(jiān)控系統(tǒng)的選型設(shè)計。

2 工藝簡介

一套典型的正壓氣力輸送系統(tǒng)由四部分工藝部分及控制裝置組成，分別是提供輸送氣體的動力裝置（氣源）、將物料與輸送氣體混合并喂入管道的裝置、輸送管道和彎頭、氣固分離裝置和控制裝置。其中提供輸送氣體的動力裝置有空壓機、羅茨風(fēng)機等；將物料與輸送氣體混合并喂入管道的裝置有倉泵、螺旋泵、給料機等等；氣固分離裝置則是裝于料倉上的布袋除塵器之類的設(shè)備。此外，還有氣化風(fēng)系統(tǒng)、卸料設(shè)備等輔助系統(tǒng)和設(shè)備。

3 氣力輸送系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)備主要有閥門、空壓機、干燥機、風(fēng)機、加熱器、料倉設(shè)備等。

在電力系統(tǒng)有時亦將除塵器、除渣、石灰石等周遍設(shè)備和系統(tǒng)納入氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)組成灰網(wǎng)。

系統(tǒng)的檢測儀表主要有：壓力、物位、溫度、到位等開關(guān)；壓力、溫度、電壓、電流、連續(xù)料位計等變送器；稱重、溫度等傳感器。

3.1 控制系統(tǒng)信號類型及對象

3.1.1 開關(guān)量輸入（DI）：壓力、物位、溫度、到位、聯(lián)鎖等開關(guān)。

3.1.2 開關(guān)量輸出（DO）：電磁閥、電動執(zhí)行器、變頻器、接觸器、故障輸出等。

3.1.3 模擬量輸入（AI）：壓力、溫度、料位、重量、電機轉(zhuǎn)速、閥門開度、電壓、電流等。

3.1.4 模擬量輸出（AO）：電機轉(zhuǎn)速、閥門開度等。

3.1.5 溫度傳感器輸入（RTD）：溫度。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)基本要求

3.2.1 對整個工藝系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、管理、調(diào)節(jié)控制和自動順序控制以及報警。

3.2.2 按照P&ID設(shè)計監(jiān)控畫面，被監(jiān)控的信號能打印記錄。

3.2.3 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮具備軟、硬件結(jié)構(gòu)模塊化組態(tài)及修改的能力，并具有可擴展其功能的可能性。

3.2.4 料倉距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站控制料倉處的設(shè)備。

3.2.5 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)組成及與其它系統(tǒng)連接的需要考慮網(wǎng)絡(luò)的類型與數(shù)量。

3.2.6 具有自動、軟手操、就地三種方式。

4 硬件設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)典型的組成如附圖1。具體到每個項目應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、控制功能的要求、擴展性及網(wǎng)絡(luò)互連的要求等來選取或增加系統(tǒng)的組成。

4.2 上位機的設(shè)計選型

4.2.1 任務(wù)

上位機系統(tǒng)需要完成的任務(wù)主要有：a） IO數(shù)據(jù)采集、控制，b）監(jiān)控畫面的顯示，包括顯示工藝流程及測量參數(shù)、控制方式、順序運行狀態(tài)、控制對象狀態(tài)，能進行參數(shù)的成組顯示、趨勢顯示和棒狀圖顯示及報警信息的顯示等，c）報警、登錄、歷史數(shù)據(jù)記錄及WEB等服務(wù)，d） 程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面修改等功能，e）報表打印，f）與其它系統(tǒng)互連等。

4.2.2 配置

◆處理器（CPU）：若是商用機其主頻按當(dāng)前主流配置，而工控機則主頻低一檔配置。要求較高的系統(tǒng)（或服務(wù)器配置）則每臺上位機可能需要配置雙處理器，甚至更多處理器。

◆內(nèi)存：其容量應(yīng)按系統(tǒng)的規(guī)模、所配軟件及其它要求確定（如配置了SIEMENS WINCC或PCS7軟件對內(nèi)存容量要求1G）。

◆顯存：一般選用共享式即可。如果系統(tǒng)較大且畫面較復(fù)雜（如顯示三維畫面）則最好配置較大容量的獨立顯存并配置獨立顯卡。

◆硬盤：一般選用單個常規(guī)硬盤即可。要求較高的系統(tǒng)（或服務(wù)器配置）則可能還需配置雙硬盤（甚至更多）的磁盤陣列。另外有些服務(wù)器（或pc）為獲得高傳輸率和高可靠性還要求采用SCSI硬盤。

◆網(wǎng)卡：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置要求配置以太網(wǎng)卡或PROFIBUS-DP、ControlNet、MODBUS（485）等現(xiàn)場總線適配卡，如果是雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)還應(yīng)配置雙網(wǎng)卡或雙口網(wǎng)絡(luò)適配卡。

◆主板：根據(jù)上述配置選擇支持所要求的性能和功能的主板，此外還應(yīng)考慮將來可能需要擴展插板（PCI或ISA卡）的插槽數(shù)，一般不考慮升級配置的問題。

◆光驅(qū)、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)及其它（包括UPS、打印機等周遍設(shè)備）：根據(jù)實際要求選配。

4.3 PLC（下位機）的設(shè)計選型

每個PLC廠家都有一個或幾個系列的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)型式、運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能、容量（IO和存儲器）、指令系統(tǒng)、處理速度、價格等各有自己的特點，適用場合各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對提高PLC系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)起重要的作用。

PLC機型的選擇

4.3.1 PLC容量

PLC容量包括兩個方面：一是I/O的點數(shù)，二是用戶存儲器的容量。

（1）I/O點數(shù)的估算：根據(jù)被控對象的IO信號分類匯總后的總點數(shù)，加上10～20%的備用量。需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸人輸出點數(shù)進行圓整。

（2）用戶存儲器容量的估算：用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素（如IO點數(shù)、控制要求、運算處理量、程序結(jié)構(gòu)等）有關(guān)。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，在實際項目中可根據(jù)經(jīng)驗為每個產(chǎn)品調(diào)整估算公式。

此外，對于中大型PLC還應(yīng)考慮裝載存儲器容量，裝載存儲器保存用戶程序、標(biāo)簽數(shù)據(jù)（符號表）、組態(tài)信息等數(shù)據(jù)，一般容量按用戶程序容量的兩倍考慮。

4.3.2 開關(guān)量輸入輸出模塊

開關(guān)量輸入模塊是用來檢測壓力開關(guān)、物位開關(guān)、溫度開關(guān)、到位開關(guān)等信號，其工作電壓應(yīng)根據(jù)信號的遠(yuǎn)近來選擇不同電壓規(guī)格的模塊，氣力輸送控制系統(tǒng)以直流24V的模塊最為普遍。考慮抗沖擊能力和更換維護方便一般采用晶體管外接中間繼電器的輸出方式。

4.3.3 模擬量輸入輸出模塊

模擬量輸入輸出模塊有接口量程、信號形式、通道數(shù)、分辨率的差別，還有是否隔離、是否帶診斷功能等不同規(guī)格，應(yīng)根據(jù)所接設(shè)備信號規(guī)格和其它要求加以選擇。

4.3.4 通信模塊

一般PLC的處理器（CPU）模塊已集成數(shù)量不等、類型不同的通訊口，但許多時候不能滿足網(wǎng)絡(luò)連接的需要，這時就要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的要求擴展一定數(shù)量和類型的通訊適配模塊，如，以太網(wǎng)模塊及PROFIBUS、ControlNet、DeviceNet等通訊適配模塊。

4.3.5 冗余配置

在需要高可靠性的時候，PLC系統(tǒng)的重要部件如CPU、電源、通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)、機架等可選擇1：1冗余配置。氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)大多采用雙電源、雙CPU、雙網(wǎng)絡(luò)的熱備冗余系統(tǒng)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)采用多層結(jié)構(gòu)，最上層是由以太網(wǎng)（TCP/IP）構(gòu)成的監(jiān)控層，并與其它系統(tǒng)（如DCS、MIS等）連接。第二層是控制層（如PROFIBUS /MODBUS/CONTROLNET）。第三層是設(shè)備層（如FF/DEVICENET也可以直接是控制電纜連接）。根據(jù)具體的情況可選取三層結(jié)構(gòu)中的某層或某幾層。

由于氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備較分散，所以一般采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大量采用現(xiàn)場總線進行分布式控制。現(xiàn)場總線距離較遠(yuǎn)時還應(yīng)配置中繼器。無論以太網(wǎng)還是現(xiàn)場總線超過一定距離時需要采用光纖連接，配置光纖適配器。在要求高可靠性時，應(yīng)采用雙網(wǎng)冗余配置。在氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)采用PROFIBUS和CONTROLNET較普遍。

5 軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包含二部分：PLC軟件和上位機軟件。

5.1 PLC軟件

在PLC應(yīng)用程序中，包含系統(tǒng)所監(jiān)控的所有設(shè)備的控制程序，而其中倉泵的控制是氣力輸送系統(tǒng)控制的核心，每臺倉泵都是一個獨立體，既可單機運行，也能多臺組成系統(tǒng)運行。每輸送一泵物料即為一個工作循環(huán)，每個循環(huán)分四個階段：1、進料階段；2、加壓流化階段；3、輸送階段；4、吹掃階段。其工作流程圖見附圖3。

5.2 上位機軟件

上位機根據(jù)系統(tǒng)需要完成的各種任務(wù)配置各類軟件，主要有下列幾類

5.2.1 操作系統(tǒng)及輔助軟件

這部分軟件配置和普通PC沒有什么差別，主要有操作系統(tǒng)（含服務(wù)器版）、文字及數(shù)據(jù)處理軟件、殺毒軟件等。對于數(shù)據(jù)量大、要求較高的系統(tǒng)還需配置SQL Server或ORACLE等數(shù)據(jù)庫軟件，對實時性要求高時還應(yīng)配置InSQL Server或iHirstorian等實時數(shù)據(jù)庫。

5.2.2 編程軟件

編程軟件（環(huán)境）主要功能為：建立和管理項目、對硬件和通訊作組態(tài)和參數(shù)賦值、管理符號、創(chuàng)建程序、下載/上載程序到控制器/PC、測試系統(tǒng)、診斷設(shè)備故障等。

廠家提供的編程軟件中一般包括一種或幾種編程語言，如Modicon公司的Modsoft編程軟件只使用梯形圖（984 梯形）一種編程語言，而另一個Concept編程軟件可以使用5種編程語言。同一編程軟件下的編程語言大多數(shù)可以互換，一般選擇自己比較熟悉的編程語言。

各PLC廠家的編程軟件的風(fēng)格、界面、應(yīng)用平臺、靈活性、適應(yīng)性都有差異，許多廠家編程軟件（環(huán)境）都有標(biāo)準(zhǔn)版、專業(yè)版等版本或外帶不同功能的選件包來達(dá)到不同功能需要，在具體項目中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的組成和功能選用不同版本或外帶不同功能的選件包。

5.2.3 監(jiān)控組態(tài)軟件

SCADA有很多任務(wù)組成，每個任務(wù)完成特定的功能。

監(jiān)控組態(tài)軟件的廠家眾多，大多都可采用分布式C/S結(jié)構(gòu)和冗余配置，支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA等標(biāo)準(zhǔn)，并具有圖形開發(fā)、過程報警、歷史存儲、腳本語言（VBA、類BASIC、類C）、IO驅(qū)動、軟PLC等功能。在氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)中常用的幾種組態(tài)軟件有：InTouch；iFix；WinCC；RSView32；組態(tài)王。

6 結(jié)束語

一套氣力輸送系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、選型，應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的組成、設(shè)備布置、操作要求等方面的情況，從系統(tǒng)規(guī)模、控制功能的要求、網(wǎng)絡(luò)互連及可靠性、擴展性、性價比等方面確定監(jiān)控系統(tǒng)的配置。

參考文獻

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[6]作者不祥.[轉(zhuǎn)帖]SCADA（監(jiān)控組態(tài)軟件）簡介，bbs.zidonghua.com.cn。

[7]RSView32簡介.AB公司。

[8]InTouch9.0數(shù)據(jù)手冊. Wonderware公司。