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除了用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對現(xiàn)場的機械設(shè)備的連鎖自動控制。此外，工控組態(tài)軟件iFIX作為一種標準的人機界面(HMI)被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程。
關(guān)鍵詞： PLC 石灰窯 過程監(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，近幾年我國的鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速，因此鋼鐵行業(yè)對活性石灰的需求相當?shù)拇?，石灰品質(zhì)的好壞直接影響著鋼鐵的質(zhì)量，因此，采用先進的自動控制系統(tǒng)，對于提高煉鐵煉鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量，有十分重要的意義。
當前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機，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，它不僅能實現(xiàn)復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。
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)過煅燒成生石灰，輸出到成品料倉?？刂葡到y(tǒng)主要包括石灰石和焦碳運輸系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、稱量系統(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、運輸系統(tǒng)。并要求在主控室能打印報表，顯示窯體相關(guān)溫度，各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)，電動機的運行電流等。
新建石灰窯工藝設(shè)計先進，自動化程度高，所有設(shè)備具備機旁手動、主控室手動、主控室自動三種控制模式，并具備設(shè)備故障診斷報警功能。
根據(jù)用戶和工藝設(shè)計的要求，石灰窯生產(chǎn)的過程監(jiān)控部分采用典型的兩級監(jiān)控方式：生產(chǎn)管理級和現(xiàn)場控制級。上位機以標準的工業(yè)控制計算機（IPC）作為主要的人機界面(Human-Machine Interface)，為生產(chǎn)管理級，完成對下位機的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機由ABB AC500系列PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。
?。?）生產(chǎn)管理級
面向生產(chǎn)操作人員，在HMI的監(jiān)控畫面上顯示各種設(shè)備的工況參數(shù)，并通過HMI來對生產(chǎn)過程進行控制調(diào)節(jié)。根據(jù)生產(chǎn)情況可選擇機旁手動、主控室手動、主控室自動工作模式。當生產(chǎn)中出現(xiàn)異常時，在HMI上顯示報警信息。對生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)進行存儲、管理、產(chǎn)生各種生產(chǎn)報表。
?。?）現(xiàn)場控制級
面向生產(chǎn)過程，由可編程控制器以及現(xiàn)場智能I/O處理器、各種模板構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級。完成生產(chǎn)現(xiàn)場大量壓力、溫度、流量的采集和處理，對生產(chǎn)過程進行控制。自動控制系統(tǒng)通過對由振動給料篩、料斗提升機、電子秤量斗、單斗提升機，拖板出料機、卸料閘板、振動給料機構(gòu)成的豎窯篩選、加料、卸料系統(tǒng)的自動控制，實現(xiàn)原料的篩選、加料、卸料的自動化。在出料過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同時處于開啟狀態(tài)。通過助燃空氣壓力、冷卻空氣壓力的PID調(diào)節(jié)，達到恒壓控制的要求。
根據(jù)以上的控制要求，下面我們將詳述為滿足石灰窯過程監(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
為了滿足上面提到的石灰窯過程監(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。
?。?）研華的工業(yè)控制計算機（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
?。?）CPU模塊：ABB公司的AC500系列可編程控制器CPU有PM571、PM581、PM591三個不同的等級，本系統(tǒng)采用PM581，在CPU上帶有：LCD的顯示、一組操作按鍵、一個SD卡的擴展口和兩個集成的串行通訊口， 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。
?。?）本地擴展模塊：ABB 16通道AI523模擬量輸入模塊2個， 8輸入/8輸出通道AX522模擬量輸入/輸出模塊1個， DX531開關(guān)量輸入/輸出模塊（可設(shè)置）4個。
?。?）分布式擴展：ABB DC551遠程擴展模塊1個，帶CS31接口，并有8點24V DC開關(guān)量輸入，16點24V DC可設(shè)置的輸入/輸出，DX531開關(guān)量輸入/輸出模塊2個，DC523開關(guān)量輸出模塊1個。
?。?）電源模塊：ABB CP-S電源，輸入AC85-264V/輸出DC24V，10A、5A各1個，單獨安裝。
本系統(tǒng)的遠程擴展采用CS31總線模塊DC551-CS31，插在CS31總線底板上，通過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個接線端子實現(xiàn)的?？梢詫崿F(xiàn)不改變接線的情況下更換CS31總線模塊。 其連接是通過端子1.0到1.7連接CS31總線。
3.組態(tài)軟件
在本系統(tǒng)中采用Intellution-iFIX組態(tài)軟件，Intellution公司是專門從事監(jiān)控軟件工作的,現(xiàn)屬GE公司, iFIX具有以下特點：
?。?）圖形功能很強，支持多種圖形格式，其追加的圖形庫，內(nèi)容豐富，解決了原來圖形過大的問題?？赏瑫r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，嵌入圖形中不會因放大縮小而失真。
?。?）iFIX提供多種數(shù)據(jù)類型，有很多現(xiàn)成的功能塊；歷史記錄塊、趨勢塊、計算塊、PID塊、計時塊，這對于設(shè)備運行時間計算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等工作可以不必在畫面中去做，同時iFIX還提供十多種信號發(fā)生器，在調(diào)試中幫助很大，實現(xiàn)非常方便。
（3）網(wǎng)絡(luò)功能強，iFIX只要物理上保持聯(lián)結(jié)就可以自動尋找網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，不必人工設(shè)定，是第一個完全基于Client/Server HMI軟件，具有C/S架構(gòu)軟件的所有功能，可以監(jiān)視遠程節(jié)點的所有數(shù)據(jù)點而不用增加任何的Tag可以在線增加、修改、刪除遠程節(jié)點中的數(shù)據(jù)庫點，真正實現(xiàn)遠程組態(tài)。
（4）通信功能好，iFIX是基于組件對象技術(shù)(COM、DCOM)，幾乎針對工業(yè)應(yīng)用的所有硬件都有接口，是專業(yè)從事監(jiān)控軟件的公司，更適用于現(xiàn)場，應(yīng)用上穩(wěn)定性好。
?。?）管理方面，iFIX只要直接組態(tài)(設(shè)置)就可以不重新啟動軟件即可生效，其他軟件有較為復雜的操作、設(shè)定，而且還要系統(tǒng)重新啟動方起作用；iFIX采用的是控件組態(tài)方式，相對靈活一些，還提供了一個歷史報警的記錄閱讀程序，這里同時包含著登錄操作的記錄；由于iFIX有內(nèi)嵌的VBAiFIX還帶有SQL語言，全面支持ADO，RDO，所以對于常用的辦公軟件如Office 以及一般的數(shù)據(jù)庫軟件如SQL Server、Access、Oracle、FoxPro等都能很好的訪問和操作。
?。?）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。
在上位機上用iFIX軟件設(shè)計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
?。?）工藝流程圖：如圖4所示，在該畫面中通過編程實現(xiàn)動態(tài)模擬顯示整個石灰窯的現(xiàn)場上料和出料過程，并且在窯體上實時顯示了各燃燒帶的溫度，以便于操作者能及時準確的掌握窯內(nèi)的燃燒情況。能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。
（2）系統(tǒng)操作功能：它有自動和手動兩種工作方式，在故障和設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，正常運行時采用自動方式，以實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制。
?。?）報警記錄：對于如煤氣流量、壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進行實時報警，當處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時會自動彈出一個報警對話框，在該對話框中操作者可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。
?。?） 實時曲線：在線監(jiān)視所有重要參數(shù)的實時變化，以便提前采取維持正常參數(shù)的措施和手段。
?。?）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進一步的預測。歷史曲線：檢查過去的數(shù)據(jù)記錄，以便發(fā)生故障時，分析出故障原因。
?。?） 報表打?。喊床煌臅r間段實現(xiàn)統(tǒng)計與計量，以便于生產(chǎn)管理。
iFIX有多種驅(qū)動方式，本系統(tǒng)采用MBE驅(qū)動，很方便的進行連接、通訊。
編程
系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個子程序模塊組成的，它是以ABB Codesys v2.3編程軟件為開發(fā)環(huán)境，Codesys v2.3這套編程軟件符合IEC61131-3的國際標準，可支持IL、LD、FBD、SFC、ST五種不同的編程語言?？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、報警處理、可視化調(diào)試工具和開放的數(shù)據(jù)接口。另外還可在沒有連接PLC硬件的情況下進行仿真，對用戶程式進行調(diào)試，包括相關(guān)的手動功能。調(diào)試后的程式再下載到CPU 控制系統(tǒng)中使用。
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旁兩種工作方式，在主控室的操作界面中，又分為手動和自動方式。整個控制程序是用ABB Codesys v2.3實現(xiàn)的，大致分為如下幾部分：小車上料、配料、稱重、布料、出灰、風量控制、電機電流、溫度、壓力、流量等模擬量的顯示報警，其中配料稱重和上料控制是本系統(tǒng)的控制難點，在編程中需要考慮的因素較多，并利用一些技巧，如稱重時的偏差及偏差的修正，石灰石給料機的工備切換，石灰石給料、焦炭給料的連鎖，給料量的設(shè)定、累計，上料與配料的連鎖，各種故障及誤操作的處理等。
PLC的一個顯著特點就是進行邏輯控制，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)必須實時在線采集和測量，檢測部分由一次儀表構(gòu)成，即測量溫度的熱電偶或熱電阻，測量流量的孔板，測量壓力的電動差壓變送器或壓力變送器等。信號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進行放大、線性化、轉(zhuǎn)換等處理后，變換成標準信號輸出給PLC，通過PLC程序的運行，轉(zhuǎn)換為界面可顯示的、并與實際值相符的各類值。在本文中經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換的信號為4－20mA的標準的電流信號輸出。
5. 通訊方式
ABB PM581 CPU上除了集成的兩個Modbus通訊接口和可選集成的以太網(wǎng)或ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口外，還可最多擴展4個通訊接口：ProfibusDP-V1 、DeviceNet、CANopen和以太網(wǎng)等總線接口。兩個串行接口，用于編程、ASCII通訊、Modbus通訊，或CS31通訊（只能用于主站）。
CS31現(xiàn)場總線從1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。通過這個總線，把前后多套系統(tǒng)有機的聯(lián)系在了一起。CS31總線便于設(shè)置和通訊簡單，總線的連接只需通過三個接線端子來實現(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總線是一種點對多點的RS485串行通訊。每個通訊系統(tǒng)由一個主站和最大31個從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達到2000米?？偩€帶有自診斷功能。通訊介質(zhì)為: 屏蔽雙絞線。
可通過以太網(wǎng)和ARCNET 網(wǎng)進行編程，還可通過DDE和OPC方式和外部進行數(shù)據(jù)交換。。工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是一個用于工廠管理和單元層的通訊系統(tǒng)，被設(shè)計為對時間要求不嚴格用于傳輸大量數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備來連接遠程網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與上位機連接，進行編程、界面操作和現(xiàn)實。
6. 結(jié)論
本文討論了基于ABB AC500型PLC的石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本控制系統(tǒng)是由濰坊中興電氣自動化公司設(shè)計制作，已在濰鋼生產(chǎn)線上得到實際使用,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。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)場調(diào)試的優(yōu)點，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。 這種方法對其它生產(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，操作簡單實用，提高了勞動生產(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)場操作人員的勞動條件，對提高活性石灰生產(chǎn)的管理水平，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行起到了很好的促進作用。
（轉(zhuǎn)載）
