遠程分布式干混設備控制系統(tǒng)

李克斌

（山東圓友重工科技有限公司，山東 濰坊 261100）

1 遠程分布式控制系統(tǒng)和分布式控制方案

長期以來，干混設備因為砂漿生產(chǎn)工藝和流程的千差萬別，設備控制往往以簡單的人工操作為主。生產(chǎn)設備種類較多，對應各設備控制箱操作方式也不相同，操作難度較大，設備故障和操作故障頻繁發(fā)生。這種控制方式極大地影響了生產(chǎn)效率，制約了干混砂漿生產(chǎn)自動化的發(fā)展。干混設備對周圍環(huán)境存在粉塵污染和噪聲污染，而且中控室需要相對較好的辦公環(huán)境，遠離設備現(xiàn)場。根據(jù)設備以上特點，本公司設計了遠程分布式控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 遠程分布式控制系統(tǒng)構(gòu)架

現(xiàn)場通過CAN總線將設備信息和狀態(tài)反饋給現(xiàn)場總控，現(xiàn)場總控根據(jù)預先分配的處理權(quán)限將現(xiàn)場設備反饋的信息和狀態(tài)進行分類和預處理，并及時處理現(xiàn)場問題，保證響應時效，快速處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的緊急事件。現(xiàn)場設備在處理緊急事件的同時將接收到來自現(xiàn)場的信息和反饋，包括緊急處理的事件和需要更高權(quán)限處理的事件，通過以太網(wǎng)傳輸給中控室。中控室是數(shù)據(jù)處理中心，同時也是整套設備運行情況處理的最高權(quán)限者，中控室收到來自現(xiàn)場總控的數(shù)據(jù)和信息，經(jīng)過中控室電腦分析處理，有些復雜情況需要人工干預后，將處理結(jié)果和方式通過以太網(wǎng)發(fā)送給現(xiàn)場總控。現(xiàn)場總控在得到處理命令后，立即通過CAN總線分發(fā)給相關現(xiàn)場設備，現(xiàn)場設備根據(jù)命令做出響應。這種遠程分布式控制方式既能實時監(jiān)控整套設備的狀態(tài)，又能及時有效地處理生產(chǎn)中的問題，提高工作效率，降低操作難度，減少故障率，設置在遠端的中控室還能夠提供較好的人機交互環(huán)境。

在現(xiàn)場設備和現(xiàn)場中控之間采用CAN總線是因為CAN總線連接簡單、抗干擾能力和數(shù)據(jù)糾錯能力強、傳輸速度快，相較于RS485來說是分布式控制，任何一個現(xiàn)場設備故障都不會影響其他設備和整個系統(tǒng)的安全。

在現(xiàn)場總控和中控室采用以太網(wǎng)連接是因為以太網(wǎng)傳輸速度快、傳輸距離遠、遠距離架設成本低、后期維護簡單。同時，以太網(wǎng)接口在后期數(shù)據(jù)共享方面的二次開發(fā)更容易。

干混設備主要包括攪拌設備和備料設備兩大類。備料設備主要包括各種石料破碎、天然砂烘干、砂石料篩分、原材料儲存等。攪拌設備主要包括原材料計量、卸料、攪拌、成品料打包、儲存和生產(chǎn)過程除塵等。總生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 總生產(chǎn)流程

根據(jù)總的生產(chǎn)流程，我們設計了分布式控制方案，如圖3所示。

圖3 分布式控制方案

整個系統(tǒng)共有現(xiàn)場制砂系統(tǒng)、現(xiàn)場烘干系統(tǒng)和現(xiàn)場攪拌系統(tǒng)三個現(xiàn)場控制點。下面以這三個現(xiàn)場控制點為核心，分開說明各個控制點的控制特點。

1.1 制砂現(xiàn)場

常見的砂原料主要有兩種來源，一種是石材經(jīng)過破碎設備、篩分設備處理得到的機制砂；一種是河砂、湖砂和海砂等經(jīng)過篩分、洗滌后的天然砂。機制砂原材料一般是原石，自然離不開破碎系統(tǒng)。砂石破碎系統(tǒng)主要包括各種原石輸送、原石破碎、碎料篩分、成品砂輸送、成品砂儲存、成品包裝運輸?shù)取Ｆ扑橄到y(tǒng)實際生產(chǎn)流程如圖4所示。

圖4 破碎系統(tǒng)生產(chǎn)流程

從制砂生產(chǎn)流程圖可以看到，制砂現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要采集的信號見表1。

表1 制砂現(xiàn)場控制系統(tǒng)采集的信號

制砂現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備見表2。

表2 制砂現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備

匯總現(xiàn)場制砂系統(tǒng)的所有輸入和輸出系統(tǒng)后，根據(jù)系統(tǒng)要求，必須選用帶CAN總線的可編程控制器，綜合考慮性能、成本、易用性等各個方面，我們選用博碩公司可編程控制器BCS7-CPU11配套16輸入16輸出模塊BCS7-EM113。

現(xiàn)場制砂控制系統(tǒng)總共需要43點輸入、29點輸出。考慮到后期系統(tǒng)的擴展，采用了1個主模塊BCS7-CPU11和2個IO擴展模塊BCS7-EM113。最后制砂系統(tǒng)總的控制點數(shù)為輸入48點、輸出40點，滿足制砂現(xiàn)場的需要。制砂系統(tǒng)現(xiàn)場主控可編程控制程序處理流程如圖5所示。

圖5 制砂系統(tǒng)現(xiàn)場主控可編程控制程序處理流程

制砂現(xiàn)場設備在這個控制流程下，可以及時處理現(xiàn)場出現(xiàn)的緊急情況，能同時保持和控制中心的聯(lián)系，在現(xiàn)場控制和遠程控制中心的監(jiān)控下，現(xiàn)場設備能夠高效、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)運行，保證和整個系統(tǒng)響應的時效性、穩(wěn)定性和安全性。在后面介紹的烘干現(xiàn)場控制系統(tǒng)、攪拌現(xiàn)場控制系統(tǒng)都采用了相同的控制流程。實際配置如圖6所示。

圖6 制砂現(xiàn)場配置圖

1.2 烘干現(xiàn)場

天然砂一般都不需要破碎系統(tǒng)，往往需要烘干含水量高的砂。烘干系統(tǒng)主要包括烘干筒、引風機、鼓風機和進口溫度、堂內(nèi)溫度、煙道溫度、出口壓力等。各個設備生產(chǎn)流程如圖7所示。

圖7 烘干設備生產(chǎn)流程

從烘干生產(chǎn)流程可以看到，烘干現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要采集的信號見表3。

表3 烘干現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要采集的信號

烘干現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備見表4。

表4 烘干現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備

現(xiàn)場烘干控制系統(tǒng)總共需要31點輸入、21點輸出和5路模擬量輸入。考慮到后期系統(tǒng)的擴展，采用了1個主模塊BCS7-CPU11、2個IO擴展模塊BCS7-EM113和1個8路模擬量輸入模塊BCS7-EM131-FK-D。最后烘干系統(tǒng)總的控制點數(shù)為輸入48點、輸出40點和8路模擬量輸入。滿足烘干現(xiàn)場的需要。

烘干系統(tǒng)的現(xiàn)場主控可編程控制程序采用和制砂控制相似的處理流程，可以參考制砂現(xiàn)場控制流程圖。實際配置如圖8所示。

圖8 烘干現(xiàn)場配置圖

1.3 攪拌現(xiàn)場

攪拌現(xiàn)場的設備一般包括物料重量的稱量設備、物料轉(zhuǎn)運設備、現(xiàn)場除塵設備、混合物料攪拌設備、成品料轉(zhuǎn)運和存儲設備。各個設備生產(chǎn)流程如圖9所示。

圖9 攪拌設備生產(chǎn)流程

從攪拌生產(chǎn)流程可以看到，攪拌現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要采集的信號見表5。

表5 攪拌現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要采集的信號

攪拌現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備見表6。

表6 攪拌現(xiàn)場控制系統(tǒng)需要控制的設備

現(xiàn)場攪拌控制系統(tǒng)總共需要65點輸入、75點輸出和4路稱重模擬量輸入。考慮到后期系統(tǒng)的擴展，采用了1個主模塊BCS7-CPU11、5個IO擴展模塊BCS7-EM113和1個5路稱重模擬量輸入模塊BCS7-PR320-5I。最后，攪拌系統(tǒng)總的控制點數(shù)為輸入96點、輸出88點和5路稱重模擬量輸入，滿足攪拌現(xiàn)場的需要。

攪拌系統(tǒng)的現(xiàn)場主控可編程控制程序采用和制砂控制相似的處理流程，可以參考制砂現(xiàn)場控制流程圖。在攪拌系統(tǒng)的控制中增加了稱重控制環(huán)節(jié)，沒采用稱重控制模塊，只需要將目標重量數(shù)據(jù)傳輸給對應稱量模塊即可。稱重過程中物料的增減、后期的卸料等過程，由稱重控制模塊自動完成。實際配置如圖10所示。

圖10 攪拌現(xiàn)場配置圖

現(xiàn)場的各控制箱獨立完成對應生產(chǎn)控制，同時，需要將現(xiàn)場的設備運行狀態(tài)、故障信息和現(xiàn)場處理狀況同步反饋給現(xiàn)場總控，并時刻準備接收現(xiàn)場控制總控的各種控制命令，接收命令后快速做出響應，以此保證現(xiàn)場控制和現(xiàn)場總控的信息同步，保證整個現(xiàn)場控制的時效性。

現(xiàn)場總控箱的作用是和現(xiàn)場控制箱通過CAN總線連接構(gòu)成局域控制網(wǎng)絡，及時響應現(xiàn)場總控室的操控命令和信息反饋。現(xiàn)場總控由1個主模塊BCS7-CPU11和1個IO擴展模塊BCS7-EM113組成。主模塊和現(xiàn)場設備完成信息的傳遞，同時，通過以太網(wǎng)向中控室的控制電腦傳遞數(shù)據(jù)。配置的IO控制模塊可以完成現(xiàn)場總控室的信號處理。實際現(xiàn)場中控室的配置如圖11所示，包括現(xiàn)場管理電腦、現(xiàn)場監(jiān)控、現(xiàn)場操作按鈕和現(xiàn)場打印機等。

圖11 現(xiàn)場中控室配置圖

2 結(jié)語

這種遠程分布式控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于我公司近兩年的干混設備生產(chǎn)控制中。經(jīng)過兩年多的使用和現(xiàn)場反饋，這種控制系統(tǒng)操作簡單、安全可靠、故障率低、遠程控制高效直觀，能夠達到設計要求。