摘 要：本文介紹了計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)的基本組成、功能、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與通信技術(shù)以及該系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用。 Abstract：This article introduced the computer and the PLC integration control system basic composition, the function, the system software and hardware design and the communication as well as this system in the petrified profession application. 關(guān)鍵詞: 化工生產(chǎn)線 PLC 集成控制 keywords：Chemical production line Computer and PLC Integrated Control 引言 　　近年來，國際市場上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈。與國外同類產(chǎn)品相比，我國的石化產(chǎn)品無論在生產(chǎn)工藝上，還是產(chǎn)品質(zhì)量上，都存在著相當(dāng)大的差距。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴(yán)重滯后的局面，國內(nèi)石化行業(yè)的許多廠家已開始向產(chǎn)品的多樣化、添加劑材料和配方的高科技化邁進(jìn)。我們應(yīng)盛馬化工廠家提出的技術(shù)要求，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜、添加劑配比要求嚴(yán)格、品種多樣、互換性差的特點(diǎn)，開發(fā)研制了計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制可靠、操作簡便、開放性強(qiáng)、性能價格比高，在盛馬化工廠推廣應(yīng)用后，受到取得了很好的效果,為企業(yè)創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益。 1 系統(tǒng)組成 　　計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)二部分組成（如圖1）。生產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型機(jī)、適配器、PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場儀表等部分組成。非生產(chǎn)系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏、電視監(jiān)視設(shè)備、現(xiàn)場通話設(shè)備、質(zhì)量檢查系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等部分組成。中央控制室負(fù)責(zé)處理來自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息。通過計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)，將潤滑油廠的各生產(chǎn)車間、附屬部門以及總廠廠部聯(lián)成了密不可分的整體，從而最大限度地利用了信息資源。 [align=center] 圖1計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)的組成[/align] 2 系統(tǒng)功能 　　為滿足用戶提出的技術(shù)要求和現(xiàn)場的工況，此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下功能： 　　1.根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求，按照添加劑配方的比例精確地配制生產(chǎn)各種型號的石化產(chǎn)品，并且通過微型機(jī)和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化。 　　2.通過自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控。良好的人機(jī)界面、清晰的組態(tài)圖形，使得操作人員通過計(jì)算機(jī)屏幕，對于現(xiàn)場的各種工況變化一目了然。 　　3.在現(xiàn)場生產(chǎn)中，為提高整個控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器、電動機(jī)、電動閥、電磁閥等設(shè)備上均設(shè)計(jì)了局部反饋功能，這些相互獨(dú)立系統(tǒng)的局部反饋功能構(gòu)成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持。 　　4.當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報(bào)警或油面報(bào)警時，一方面通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動停車，另一方面借助于語音卡，在控制間的操作人員可以立即聽到報(bào)警信號，及時采取相應(yīng)措施。 　　5.考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處，技術(shù)人員不宜靠近，在現(xiàn)場設(shè)置了電視監(jiān)視設(shè)備，讓技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。為便于管理，還安裝了現(xiàn)場通話設(shè)備。 　　6.在中央控制室設(shè)置了1個大屏幕模擬顯示屏，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態(tài)顯示油的液位、流向，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產(chǎn)狀況。 　　7.通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，質(zhì)量檢查部門可以直接得到工業(yè)現(xiàn)場的信息，各管理部門之間也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享。 3 硬件與軟件設(shè)計(jì) 　　3.1硬件設(shè)計(jì) 　　在本系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場控制是核心，而工業(yè)現(xiàn)場控制主要由PLC系統(tǒng)完成，所以如何合理有效地使用PLC技術(shù)就成了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。PLC的特點(diǎn)是控制可靠，編程簡單，但程序內(nèi)存不大，不能進(jìn)行復(fù)雜的編程;而石化產(chǎn)品的特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)品型號繁多，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品。這就形成了一對矛盾。如果設(shè)計(jì)時采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng)，那么1條生產(chǎn)線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。投資巨大，而且按照現(xiàn)代控制理論，在1個控制系統(tǒng)中配置的控制模塊越多，控制越不可靠。為了減少投資和增強(qiáng)控制的可靠性，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新。 　　以潤滑油生產(chǎn)線為例，在潤滑油生產(chǎn)車間，有攪拌溫度、添加劑溫度、輸油泵壓力、油罐的液面等共計(jì)32路模擬信號需要檢測。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資，設(shè)計(jì)了多路開關(guān)切換電路，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能。圖2為FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖。 [align=center] 圖2 FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖[/align] 　　圖2中，F(xiàn)X-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊，Y0、Y1、Y2、Y3為PLC的任意輸出觸點(diǎn)。FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換電路的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是通過1個多路開關(guān)控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測、添加劑溫度檢測、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項(xiàng)功能，其中多路開關(guān)的4個轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn)，由PLC編程控制。這個多路開關(guān)切換電路簡單實(shí)用，而且節(jié)省了大量投資，實(shí)踐證明，該電路在控制精度上完全滿足用戶的需要。 　　3.2 軟件設(shè)計(jì) 　　在計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，也采用了許多新的設(shè)計(jì)思想。 　　仍以潤滑油生產(chǎn)車間為例，按照用戶提出的60種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求，如果用常規(guī)方法編程，需要12臺PLC基本模塊。為節(jié)約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器（2000點(diǎn)），用逐項(xiàng)查表的方法編寫了1個60種潤滑油的通用程序，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴(kuò)展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實(shí)現(xiàn)的功能。 　　我們選用了三菱公司生產(chǎn)的FX系列的可編程序控制器，文件寄存器共計(jì)2000點(diǎn)（D1000～D2999）。為節(jié)約程序內(nèi)存，充分利用PLC本身提供的指令資源，我們選用了字傳送方式，用1個16bit的字來控制PLC觸點(diǎn)的16個輸出觸點(diǎn)，而不必像過去那樣，1條指令只能控制1個輸出觸點(diǎn)。例如在圖3中，首先X0導(dǎo)通，十進(jìn)制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0，接著X1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)“0000　0000　0000　0110”送入K4Y0，控制輸出Y0～Y17共計(jì)16個觸點(diǎn)的動作，其開關(guān)動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應(yīng)。如圖4所示，“1”控制輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通，“0”控制輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。在此例中，Y1、Y2觸點(diǎn)導(dǎo)通，其余輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。 [align=center] 圖3 字傳送方式控制輸出觸點(diǎn)示意圖 圖4 數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個觸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系[/align] 　　通過字傳送方式，我們用1條指令就可控制16個電動閥及輸油泵的動作，大大節(jié)省了程序空間。在這種設(shè)計(jì)思想下，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫，然后輸入文件寄存器，并在此基礎(chǔ)上，編制了72種潤滑油的通用程序。在通用程序運(yùn)行時，根據(jù)某一潤滑油的型號，通過查表的方式，在文件寄存器中調(diào)出對應(yīng)的數(shù)據(jù)段（這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤滑油的工藝流程），然后該數(shù)據(jù)自動輸入PLC的控制程序，使得PLC按照規(guī)定的工藝流程控制整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如圖5所示之例，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態(tài)字存于文件寄存器D1050～D1060 10個字節(jié)中。程序運(yùn)行時，首先根據(jù)潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調(diào)出D1050～D1060 10個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后輸入到通用程序的相應(yīng)寄存器，參與工業(yè)控制。 [align=center] 圖5文件寄存器示意圖[/align] 4 計(jì)算機(jī)與PLC的通信技術(shù) 　　在計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)中，一個關(guān)鍵的技術(shù)問題是計(jì)算機(jī)與PLC的通信。若在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中全部采用進(jìn)口器件，軟件也選用相應(yīng)的進(jìn)口產(chǎn)品，那么，整個工程造價驚人。針對這種情況，自行開發(fā)了計(jì)算機(jī)與PLC的串行通信技術(shù)。該技術(shù)設(shè)計(jì)思想先進(jìn)，軟硬件簡單實(shí)用，可靠性高，性能價格比好，兼容性強(qiáng)，可適用于市場上多種型號的計(jì)算機(jī)與PLC。 　　從硬件上講，現(xiàn)在中國市場上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口;而微型機(jī)多采用RS232接口。這樣在計(jì)算機(jī)與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉(zhuǎn)換模塊，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個轉(zhuǎn)換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能，而選用高性能進(jìn)口模塊，必定提高工程造價。 　　針對這種情況，為降低工程造價，在硬件上用1根普通的通信電纜代替進(jìn)口的通信模塊，在電纜的接口處采用先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，以完成信號的隔離和放大功能。實(shí)踐證明，通信的可靠性完全可以和國外的進(jìn)口模塊媲美，而且造價極低。 　　從軟件上講，計(jì)算機(jī)和PLC的通信技術(shù)屬于保密技術(shù)，長期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠家生產(chǎn)的PLC，就必須選用它開發(fā)的工控軟件，提高工程造價。針對這種情況，開發(fā)了針對三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器自己的工控軟件。 　　下面為例，介紹軟件設(shè)計(jì)。 　　FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示。 　　表1　FX系列可編程序控制器的命令格式 　　每一個字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6。 [align=center] 圖6字符傳輸格式[/align] 　　例如，字符‘F’（ASCII碼是46H）的傳輸格式如圖7。 [align=center] 圖7字符“F”的傳輸格式[/align] 　　一般文本數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8。 [align=center] 圖8文件數(shù)據(jù)傳輸格式[/align] 　　圖8中，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H;ETX為文本的結(jié)束，其ASCII碼定為03H;CMD為命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。 　　在STX之后，被傳送數(shù)據(jù)的ASCII之和，也被作為2個字符碼發(fā)送。 　　例如，實(shí)現(xiàn)從地址10F6（10F6為寄存器D123的地址）處讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù)，執(zhí)行傳輸格式如圖9。 　　求和： 　　30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H=74H [align=center] 圖9傳輸格式之例[/align] 　　通過改變命令號和地址號，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的讀、寫、強(qiáng)制開關(guān)等基本功能，用戶可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況靈活地用C語言開發(fā)自己的通信程序，這正體現(xiàn)了該軟件的開放性特點(diǎn)。 5 結(jié)束語 　　計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，投入運(yùn)行后，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，尤其在PLC控制方面，獨(dú)樹一幟，以其卓越的控制功能和良好的性能價格比，贏得了用戶的廣泛贊譽(yù)。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 何冬梅.變頻器與PLC的RS485通信 [J].電氣應(yīng)用，2007，9：118-120. 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