摘要：本文介紹了ABB AC500 型PLC在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。PLC除了用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來(lái)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備的連鎖自動(dòng)控制。此外，工控組態(tài)軟件iFIX作為一種標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面(HMI)被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
關(guān)鍵詞： PLC 石灰窯 過(guò)程監(jiān)控 iFIX組態(tài)軟件
Abstract: In this paper, we discuss the application of ABB AC500 PLC in the process
monitoring and control for limekiln production. The PLC is mainly utilized for collecting process data as well as realizing auto-controlling of field mechanism. In addition, iFIX configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process.
Keywords: PLC; Limekiln; Process Monitoring and Control; iFIX configuration software
引言
活性石灰是鋼鐵行業(yè)必不可少的材料，近幾年我國(guó)的鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速，因此鋼鐵行業(yè)對(duì)活性石灰的需求相當(dāng)?shù)拇螅移焚|(zhì)的好壞直接影響著鋼鐵的質(zhì)量，因此，采用先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)于提高煉鐵煉鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量，有十分重要的意義。
當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心裝置，它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，并配有各類(lèi)通訊接口與模塊處理，可方便各級(jí)連接。
1。石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)概述
石灰窯生產(chǎn)的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在豎窯的加料口加入石灰石和焦碳，經(jīng)過(guò)煅燒成生石灰，輸出到成品料倉(cāng)。控制系統(tǒng)主要包括石灰石和焦碳運(yùn)輸系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、稱(chēng)量系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、布料煅燒系統(tǒng)、冷卻空氣循環(huán)系統(tǒng)、助燃空氣循環(huán)系統(tǒng)、廢氣除塵循環(huán)系統(tǒng)、成品出窯、運(yùn)輸系統(tǒng)。并要求在主控室能打印報(bào)表，顯示窯體相關(guān)溫度，各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流等。
新建石灰窯工藝設(shè)計(jì)先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，所有設(shè)備具備機(jī)旁手動(dòng)、主控室手動(dòng)、主控室自動(dòng)三種控制模式，并具備設(shè)備故障診斷報(bào)警功能。
根據(jù)用戶(hù)和工藝設(shè)計(jì)的要求，石灰窯生產(chǎn)的過(guò)程監(jiān)控部分采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式：生產(chǎn)管理級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面(Human-Machine Interface)，為生產(chǎn)管理級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機(jī)由ABB AC500系列PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制等，面向生產(chǎn)過(guò)程。
（1）生產(chǎn)管理級(jí)
面向生產(chǎn)操作人員，在HMI的監(jiān)控畫(huà)面上顯示各種設(shè)備的工況參數(shù)，并通過(guò)HMI來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。根據(jù)生產(chǎn)情況可選擇機(jī)旁手動(dòng)、主控室手動(dòng)、主控室自動(dòng)工作模式。當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)異常時(shí)，在HMI上顯示報(bào)警信息。對(duì)生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、產(chǎn)生各種生產(chǎn)報(bào)表。
?。?）現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)
面向生產(chǎn)過(guò)程，由可編程控制器以及現(xiàn)場(chǎng)智能I/O處理器、各種模板構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)。完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量壓力、溫度、流量的采集和處理，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)由振動(dòng)給料篩、料斗提升機(jī)、電子秤量斗、單斗提升機(jī)，拖板出料機(jī)、卸料閘板、振動(dòng)給料機(jī)構(gòu)成的豎窯篩選、加料、卸料系統(tǒng)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)原料的篩選、加料、卸料的自動(dòng)化。在出料過(guò)程中為保證石灰豎窯的密閉型，必須確保上下卸料閘板只有一個(gè)同時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)。通過(guò)助燃空氣壓力、冷卻空氣壓力的PID調(diào)節(jié)，達(dá)到恒壓控制的要求。
根據(jù)以上的控制要求，下面我們將詳述為滿(mǎn)足石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件和軟件組態(tài)。
2。系統(tǒng)硬件配置
為了滿(mǎn)足上面提到的石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，我們采用ABB公司的AC500系列可編程控制器，AC500采用模塊化設(shè)計(jì)。
?。?）研華的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），操作系統(tǒng)為Windows 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ處理器，2.66GHz主頻，256M內(nèi)存，80G硬盤(pán)
（2）CPU模塊：ABB公司的AC500系列可編程控制器CPU有PM571、PM581、PM591三個(gè)不同的等級(jí)，本系統(tǒng)采用PM581，在CPU上帶有：LCD的顯示、一組操作按鍵、一個(gè)SD卡的擴(kuò)展口和兩個(gè)集成的串行通訊口， CPU底板集成以太網(wǎng)接口，并保留CS31通訊接口，具有與AC31系列PLC兼容性好的特點(diǎn)。
（3）本地?cái)U(kuò)展模塊：ABB 16通道AI523模擬量輸入模塊2個(gè)， 8輸入/8輸出通道AX522模擬量輸入/輸出模塊1個(gè)， DX531開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊（可設(shè)置）4個(gè)。
?。?）分布式擴(kuò)展：ABB DC551遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊1個(gè)，帶CS31接口，并有8點(diǎn)24V DC開(kāi)關(guān)量輸入，16點(diǎn)24V DC可設(shè)置的輸入/輸出，DX531開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊2個(gè)，DC523開(kāi)關(guān)量輸出模塊1個(gè)。
（5）電源模塊：ABB CP-S電源，輸入AC85-264V/輸出DC24V，10A、5A各1個(gè)，單獨(dú)安裝。
根據(jù)要求本系統(tǒng)的PLC硬件配置如圖1所示：
圖1 PLC的硬件配置圖
本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程擴(kuò)展采用CS31總線模塊DC551-CS31，插在CS31總線底板上，通過(guò)RS485串口可以將模塊連接到所有的CS31總線上。I/O通道的電氣連接用CS31底板的40個(gè)接線端子實(shí)現(xiàn)的?？梢詫?shí)現(xiàn)不改變接線的情況下更換CS31總線模塊。 其連接是通過(guò)端子1.0到1.7連接CS31總線。在CS31總線終端的CS31總線模塊（需要激活終端電阻）接線如圖2所示：
圖2 在CS31總線終端的CS31總線模塊接線
在CS31總線中間的CS31總線模塊（不需要激活終端電阻）接線如圖3所示：
圖3 在CS31總線中間的CS31總線模塊接線
3．組態(tài)軟件
在本系統(tǒng)中采用Intellution-iFIX組態(tài)軟件，Intellution公司是專(zhuān)門(mén)從事監(jiān)控軟件工作的,現(xiàn)屬GE公司, iFIX具有以下特點(diǎn)：
?。?）圖形功能很強(qiáng)，支持多種圖形格式，其追加的圖形庫(kù)，內(nèi)容豐富，解決了原來(lái)圖形過(guò)大的問(wèn)題?？赏瑫r(shí)使用256種顏色，其中有64種顏色可用彩虹色調(diào)色，組成各種調(diào)色方案，嵌入圖形中不會(huì)因放大縮小而失真。
?。?）iFIX提供多種數(shù)據(jù)類(lèi)型，有很多現(xiàn)成的功能塊；歷史記錄塊、趨勢(shì)塊、計(jì)算塊、PID塊、計(jì)時(shí)塊，這對(duì)于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等工作可以不必在畫(huà)面中去做，同時(shí)iFIX還提供十多種信號(hào)發(fā)生器，在調(diào)試中幫助很大，實(shí)現(xiàn)非常方便。
（3）網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)，iFIX只要物理上保持聯(lián)結(jié)就可以自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，不必人工設(shè)定，是第一個(gè)完全基于Client/Server HMI軟件，具有C/S架構(gòu)軟件的所有功能，可以監(jiān)視遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)而不用增加任何的Tag可以在線增加、修改、刪除遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)。
（4）通信功能好，iFIX是基于組件對(duì)象技術(shù)(COM、DCOM)，幾乎針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的所有硬件都有接口，是專(zhuān)業(yè)從事監(jiān)控軟件的公司，更適用于現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用上穩(wěn)定性好。
?。?）管理方面，iFIX只要直接組態(tài)(設(shè)置)就可以不重新啟動(dòng)軟件即可生效，其他軟件有較為復(fù)雜的操作、設(shè)定，而且還要系統(tǒng)重新啟動(dòng)方起作用；iFIX采用的是控件組態(tài)方式，相對(duì)靈活一些，還提供了一個(gè)歷史報(bào)警的記錄閱讀程序，這里同時(shí)包含著登錄操作的記錄；由于iFIX有內(nèi)嵌的VBAiFIX還帶有SQL語(yǔ)言，全面支持ADO，RDO，所以對(duì)于常用的辦公軟件如Office 以及一般的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件如SQL Server、Access、Oracle、FoxPro等都能很好的訪問(wèn)和操作。
?。?）加鎖方法，iFIX采用硬件狗，避免由于操作系統(tǒng)(軟件)自身的穩(wěn)定性不好，使用軟狗給人的一種恐慌。
在上位機(jī)上用iFIX軟件設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
?。?）工藝流程圖：如圖4所示，在該畫(huà)面中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬顯示整個(gè)石灰窯的現(xiàn)場(chǎng)上料和出料過(guò)程，并且在窯體上實(shí)時(shí)顯示了各燃燒帶的溫度，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握窯內(nèi)的燃燒情況。能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。
圖4 石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)的工藝主畫(huà)面
?。?）系統(tǒng)操作功能：它有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，在故障和設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制。
?。?）報(bào)警記錄：對(duì)于如煤氣流量、壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)報(bào)警對(duì)話(huà)框，在該對(duì)話(huà)框中操作者可以檢查報(bào)警超出的范圍以及錯(cuò)誤的出處，并對(duì)此采取相應(yīng)的措施。
?。?） 實(shí)時(shí)曲線：在線監(jiān)視所有重要參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，以便提前采取維持正常參數(shù)的措施和手段。
（5）歷史趨勢(shì)：在此畫(huà)面中除了實(shí)時(shí)顯示變量的變化趨勢(shì)，操作員還可以檢查過(guò)去的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)對(duì)過(guò)去歷史趨勢(shì)的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做進(jìn)一步的預(yù)測(cè)。歷史曲線：檢查過(guò)去的數(shù)據(jù)記錄，以便發(fā)生故障時(shí)，分析出故障原因。
?。?） 報(bào)表打?。喊床煌臅r(shí)間段實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)與計(jì)量，以便于生產(chǎn)管理。
iFIX有多種驅(qū)動(dòng)方式，本系統(tǒng)采用MBE驅(qū)動(dòng)，很方便的進(jìn)行連接、通訊。
4．PLC編程
系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個(gè)子程序模塊組成的，它是以ABB Codesys v2.3編程軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，Codesys v2.3這套編程軟件符合IEC61131-3的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可支持IL、LD、FBD、SFC、ST五種不同的編程語(yǔ)言?？赏瓿葾C500系統(tǒng)的全部設(shè)置，包括所有的總線接口，而且還有全面的自診斷功能、報(bào)警處理、可視化調(diào)試工具和開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口。另外還可在沒(méi)有連接PLC硬件的情況下進(jìn)行仿真，對(duì)用戶(hù)程式進(jìn)行調(diào)試，包括相關(guān)的手動(dòng)功能。調(diào)試后的程式再下載到CPU 控制系統(tǒng)中使用。
圖5 石灰窯自動(dòng)配料、上料部分主流程圖
本文中采用的是梯形圖方式編程。本系統(tǒng)的控制分主控室集中和機(jī)旁?xún)煞N工作方式，在主控室的操作界面中，又分為手動(dòng)和自動(dòng)方式。整個(gè)控制程序是用ABB Codesys v2.3實(shí)現(xiàn)的，大致分為如下幾部分：小車(chē)上料、配料、稱(chēng)重、布料、出灰、風(fēng)量控制、電機(jī)電流、溫度、壓力、流量等模擬量的顯示報(bào)警，其中配料稱(chēng)重和上料控制是本系統(tǒng)的控制難點(diǎn)，在編程中需要考慮的因素較多，并利用一些技巧，如稱(chēng)重時(shí)的偏差及偏差的修正，石灰石給料機(jī)的工備切換，石灰石給料、焦炭給料的連鎖，給料量的設(shè)定、累計(jì)，上料與配料的連鎖，各種故障及誤操作的處理等，圖5為配料、上料部分在自動(dòng)工作方式下的主流程圖。
PLC的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是進(jìn)行邏輯控制，可以把這種控制有效的應(yīng)用在處理模擬量數(shù)據(jù)中，如模擬量數(shù)據(jù)的采集與變送。對(duì)于象溫度、壓力、流量等這樣的模擬量輸入輸出參數(shù)必須實(shí)時(shí)在線采集和測(cè)量，檢測(cè)部分由一次儀表構(gòu)成，即測(cè)量溫度的熱電偶或熱電阻，測(cè)量流量的孔板，測(cè)量壓力的電動(dòng)差壓變送器或壓力變送器等。信號(hào)處理部分包括變送器、轉(zhuǎn)換器、變換器等，作用是將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、線性化、轉(zhuǎn)換等處理后，變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出給PLC，通過(guò)PLC程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為界面可顯示的、并與實(shí)際值相符的各類(lèi)值。在本文中經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換的信號(hào)為4－20mA的標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸出。
5. 通訊方式
ABB PM581 CPU上除了集成的兩個(gè)Modbus通訊接口和可選集成的以太網(wǎng)或ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口外，還可最多擴(kuò)展4個(gè)通訊接口：ProfibusDP-V1 、DeviceNet、CANopen和以太網(wǎng)等總線接口。兩個(gè)串行接口，用于編程、ASCII通訊、Modbus通訊，或CS31通訊（只能用于主站）。
CS31現(xiàn)場(chǎng)總線從1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。通過(guò)這個(gè)總線，把前后多套系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)系在了一起。CS31總線便于設(shè)置和通訊簡(jiǎn)單，總線的連接只需通過(guò)三個(gè)接線端子來(lái)實(shí)現(xiàn)，省去其它總線所需的額外連接成本。AC500控制系統(tǒng)的COM1口集成了CS31主站功能。CS31總線是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的RS485串行通訊。每個(gè)通訊系統(tǒng)由一個(gè)主站和最大31個(gè)從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達(dá)到2000米?？偩€帶有自診斷功能。通訊介質(zhì)為: 屏蔽雙絞線。
可通過(guò)以太網(wǎng)和ARCNET 網(wǎng)進(jìn)行編程，還可通過(guò)DDE和OPC方式和外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。。工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是一個(gè)用于工廠管理和單元層的通訊系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)為對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格用于傳輸大量數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)，可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備來(lái)連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，進(jìn)行編程、界面操作和現(xiàn)實(shí)。
6. 結(jié)論
本文討論了基于ABB AC500型PLC的石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)是由濰坊中興電氣自動(dòng)化公司設(shè)計(jì)制作，已在濰鋼生產(chǎn)線上得到實(shí)際使用,為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在該系統(tǒng)中PLC控制充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)較大的益處。 這種方法對(duì)其它生產(chǎn)線或設(shè)備的控制有一定的參考作用。
本控制系統(tǒng)功能全面，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，避免了由于操作人員操作失誤而造成的事故，改善了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)條件，對(duì)提高活性石灰生產(chǎn)的管理水平，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了很好的促進(jìn)作用。
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作者簡(jiǎn)介：安宏偉，濰坊學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，副教授
王 杰，濰坊中興電氣自動(dòng)化公司，工程師
鮑華亮 濰坊中興電氣自動(dòng)化公司，工程師
（轉(zhuǎn)載）
