基于iFIX的多種液體混合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

吳會(huì)敏 黃宗建

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009)

在化工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，多種液體的混合是必不可少的工序。但這些行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中多用到易燃、易爆或有毒性的物質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，不適宜人工現(xiàn)場(chǎng)操作[1]，而且，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求系統(tǒng)具有混合精確、實(shí)時(shí)測(cè)量及控制可靠等特點(diǎn)，這是人工操作和半自動(dòng)化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。采用可編程自動(dòng)化控制器PAC(Programmable Automation Controller)實(shí)現(xiàn)多種液體自動(dòng)混合控制，不但可以對(duì)液體混合過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)精確控制，而且能降低成本。同時(shí)利用工控組態(tài)軟件iFIX作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，模擬顯示并實(shí)時(shí)監(jiān)控液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的全部工作過(guò)程，不僅能有效完成控制任務(wù)，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的要求也不高。基于iFIX的多種液體混合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多種液體混合自動(dòng)化控制的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、報(bào)警、歷史記錄及人機(jī)交互等功能。

1 系統(tǒng)組成及原理①

本系統(tǒng)由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制柜、攪拌電機(jī)、位置檢測(cè)裝置、流量測(cè)量裝置、電磁閥控制開(kāi)關(guān)和PC機(jī)組成。上位PC機(jī)安裝在控制室，用以接收液體混合生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)和控制現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，液體混合控制柜安裝在生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)，在控制柜上可以手動(dòng)操作也可以自動(dòng)操作，電機(jī)、流量傳感器及位置傳感器等安裝在生產(chǎn)線上，受現(xiàn)場(chǎng)控制柜控制[2]。液體混合控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 液體混合控制系統(tǒng)框圖

某多種液體混合系統(tǒng)原理如圖2所示。有3個(gè)進(jìn)料罐(A號(hào)罐、B號(hào)罐、C號(hào)罐)分別對(duì)應(yīng)3個(gè)出料電磁閥YA、YB、YC，有一個(gè)攪拌罐對(duì)應(yīng)一個(gè)出料閥YD，一個(gè)成品罐對(duì)應(yīng)一個(gè)出料閥YE；一個(gè)攪拌電機(jī)M；4個(gè)流量傳感器F1、F2、F3、F4；兩個(gè)液位傳感器L1、L2；一個(gè)總開(kāi)關(guān)S1，一個(gè)控制電機(jī)的開(kāi)關(guān)S2，一個(gè)緊停按鈕。出料電磁閥控制液體罐的液體注入量或流出量，液位傳感器用于測(cè)量液體罐里液體的容量，并實(shí)時(shí)顯示數(shù)值。流量傳感器用于測(cè)量流經(jīng)管道中液體的流量，并在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示出液體流量的數(shù)值，流量傳感器輸出4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，從而能控制電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作[3]。

圖2 多種液體混合系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的工作過(guò)程為：初始狀態(tài)下所有容器均是空的，各個(gè)閥門(mén)YA、YB、YC、YD、YE均為OFF，流量傳感器F1、F2、F3、F4，液位傳感器L1、L2均為OFF，開(kāi)關(guān)S1、S2均為OFF；按下啟動(dòng)按鈕S1后，電磁閥YA、YB、YC依次打開(kāi)，液罐A、B、C的液體按流量分別注入攪拌罐D(zhuǎn)中，當(dāng)液面高度到達(dá)L1時(shí)，停止注入；隨后電動(dòng)機(jī)M開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，等到4min之后，電磁閥YD=ON，這時(shí)開(kāi)始往成品罐中注入攪拌好的混合液體，等到6min之后，YD=OFF。如果需要運(yùn)輸，則電磁閥YE=ON開(kāi)始裝車(chē)；按下停止按鈕S2，無(wú)論出于什么狀態(tài)均停止工作；紅色按鈕(STOP)開(kāi)關(guān)為緊急按鈕，當(dāng)出現(xiàn)工業(yè)故障時(shí)用來(lái)緊急停止系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件配置

在本系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和維修的方便性，選用美國(guó)GE公司的PACSystems RX3i控制器作為多種液體混合生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)控制器。PACSystemsTMRX3i系統(tǒng)擁有單一的控制引擎和一個(gè)通用的編程環(huán)境，能方便地應(yīng)用在多種硬件平臺(tái)上，并且提供真正的集中控制選擇[4]。本系統(tǒng)中，GE智能平臺(tái)主要是為多種液體混合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和液體混合生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間提供通信的平臺(tái)。用到的GE智能平臺(tái)設(shè)備有：電源模塊(IC695PSD040)、CPU模塊(IC695CPU315)、以太網(wǎng)通信模塊(IC695ETM001)、數(shù)字量輸入模塊(IC694ACC300)、數(shù)字量輸出模塊(IC694MDL754)、模擬量輸入模塊(IC695ALG600)、模擬量輸出模塊(IC695ALG704)。在Proficy ME軟件中進(jìn)行配置后，硬件配置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件配置

3 多種液體混合監(jiān)控系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)iFIX與下位機(jī)PAC Systems RX3i控制器的通信，有串口通信和以太網(wǎng)通信兩種方式。在本系統(tǒng)中，采用以太網(wǎng)通信方式。上位機(jī)網(wǎng)卡的IP地址與下位機(jī)PAC通信模塊的地址必須處于同一網(wǎng)段。例如，可將PC機(jī)IP地址設(shè)為192.168.1.10，PAC以太網(wǎng)通信模塊IP地址設(shè)為192.168.1.11等。

3.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置程序SCU是iFIX配置計(jì)算機(jī)的主要工具。通過(guò)SCU完成iFIX節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)配置、I/O驅(qū)動(dòng)程序配置、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、文件路徑配置、SCADA配置以及報(bào)警配置等。當(dāng)啟用SCADA支持時(shí)，本地節(jié)點(diǎn)將成為一個(gè)可以訪問(wèn)過(guò)程硬件的SCADA服務(wù)器。由于本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式，所以選擇GE9(ModbusEthernetv6.10e)驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，增加模擬驅(qū)動(dòng)器SIM，當(dāng)系統(tǒng)組態(tài)完畢后使用仿真數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)。SCADA系統(tǒng)配置如圖4所示。

圖4 SCADA系統(tǒng)配置

3.2 多種液體混合監(jiān)控系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，下位機(jī)PAC控制器不斷采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)CPU模塊處理之后，iFIX通過(guò)GE9驅(qū)動(dòng)器讀取數(shù)據(jù)，并保存在驅(qū)動(dòng)器映像表DIT中；掃描報(bào)警控制程序SAC依照配置的掃描時(shí)間，從DIT中讀取數(shù)據(jù)保存到過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)PDB；最后畫(huà)面顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表及報(bào)警記錄等應(yīng)用便可通過(guò)標(biāo)簽名或節(jié)點(diǎn)名訪問(wèn)PDB，實(shí)現(xiàn)iFIX與PAC Systems RX3i控制器二者之間的數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)。

4 多種液體混合組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本液體混合監(jiān)控系統(tǒng)程序采用iFIX5.1工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)多種液體混合過(guò)程中所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表參數(shù)等的顯示[5]。其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)包括構(gòu)建過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與編程及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試等方面內(nèi)容。

圖5 iFIX與PAC Systems RX3i控制器之間的數(shù)據(jù)通信

4.1 過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

根據(jù)液體混合監(jiān)控系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)分析，確立了液體罐的液位、液體流量傳感器、電磁控制閥以及緊急開(kāi)關(guān)等為系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)。系統(tǒng)采用GE9驅(qū)動(dòng)，建立的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖6所示。

圖6 液體混合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

4.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)界面主要包括多種液體混合主控制界面、運(yùn)行歷史曲線界面、運(yùn)行歷史報(bào)警界面及報(bào)表界面等。多種液體混合主監(jiān)控界面如圖7所示，主要由標(biāo)題區(qū)、功能選擇區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)和動(dòng)畫(huà)仿真區(qū)4個(gè)區(qū)域組成，是模擬仿真多種液體混合系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控界面。

4.3 多種液體混合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)試

多種液體混合監(jiān)控系統(tǒng)使用曲線圖來(lái)顯示參數(shù)的變化并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線監(jiān)測(cè)、歷史曲線查詢和系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)警歷史查詢。點(diǎn)擊主畫(huà)面實(shí)時(shí)曲線按鈕，畫(huà)面切換到“直方圖表”觀察各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)；點(diǎn)擊歷史曲線按鈕，畫(huà)面切換到“標(biāo)準(zhǔn)圖列表”觀察各個(gè)罐液位的運(yùn)行狀態(tài)；點(diǎn)擊歷史報(bào)警按鈕，畫(huà)面切換到“報(bào)警一覽功能”隨時(shí)觀察系統(tǒng)報(bào)警狀況。多種液體混合運(yùn)行實(shí)時(shí)曲線界面和歷史報(bào)警界面分別如圖8、9所示。

圖7 多種液體混合監(jiān)控主界面

圖8 實(shí)時(shí)曲線界面

5 結(jié)束語(yǔ)

該多種液體混合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合PAC Systems RX3i和iFIX組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能模擬顯示多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的全部工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種液體混合運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警查詢。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效完成控制任務(wù)，系統(tǒng)安全可靠、操作簡(jiǎn)單，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖9 歷史報(bào)警界面