計算機與PLC集成控制系統在石化行業(yè)的應用

　　近年來(lái)，國際市場(chǎng)上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈。與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比，我國的石化產(chǎn)品無(wú)論在生產(chǎn)工藝上，還是產(chǎn)品質(zhì)量上，都存在著(zhù)相當大的差距。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴重滯后的局面，國內石化行業(yè)的許多廠(chǎng)家已開(kāi)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)。我們應有關(guān)廠(chǎng)家提出的技術(shù)要求，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復雜、添加劑配比要求嚴格、品種多樣、互換性差的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制了計算機與PLC集成控制系統。該系統控制可靠、操作簡(jiǎn)便、開(kāi)放性強、性能價(jià)格比高，在國內石化系統的數家企業(yè)推廣應用后，受到好評。

　　1　系統組成
　　
　　計算機與PLC集成控制系統由生產(chǎn)系統和非生產(chǎn)系統二部分組成(如圖1)。生產(chǎn)系統主要由微型機、適配器、PLC、執行機構及現場(chǎng)儀表等部分組成。非生產(chǎn)系統主要由工藝流程模擬顯示屏、電視監視設備、現場(chǎng)通話(huà)設備、質(zhì)量檢查系統、管理信息系統等部分組成。中央控制室負責處理來(lái)自生產(chǎn)系統和非生產(chǎn)系統的大量信息。通過(guò)計算機與PLC集成控制系統，將潤滑油廠(chǎng)的各生產(chǎn)車(chē)間、附屬部門(mén)以及總廠(chǎng)廠(chǎng)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。

　　　　
　　　　　　圖1 計算機集成控制系統的組成

　　2　系統功能

　　為滿(mǎn)足用戶(hù)提出的技術(shù)要求和現場(chǎng)的工況，此控制系統的設計具有以下功能：
　　
　　1.根據用戶(hù)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(guò)微型機和現場(chǎng)PLC控制系統實(shí)現整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。
　　2.通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的計算機軟件，實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監控。良好的人機界面、清晰的組態(tài)圖形，使得操作人員通過(guò)計算機屏幕，對于現場(chǎng)的各種工況變化一目了然。
　　3.在現場(chǎng)生產(chǎn)中，為提高整個(gè)控制系統的精確性，在攪拌器、電動(dòng)機、電動(dòng)閥、電磁閥等設備上均設計了局部反饋功能，這些相互獨立系統的局部反饋功能構成了對總系統反饋控制的有力支持。
　　4.當系統出現壓力報警或油面報警時(shí)，一方面通過(guò)PLC程序實(shí)現自動(dòng)停車(chē)，另一方面借助于語(yǔ)音卡，在控制間的操作人員可以立即聽(tīng)到報警信號，及時(shí)采取相應措施。
　　5.考慮到生產(chǎn)現場(chǎng)某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處，技術(shù)人員不宜靠近，在現場(chǎng)設置了電視監視設備，讓技術(shù)人員實(shí)現遠程監控。為便于管理，還安裝了現場(chǎng)通話(huà)設備。
　　6.在中央控制室設置了1個(gè)大屏幕模擬顯示屏，在屏幕上不僅可以顯示總廠(chǎng)所有管道線(xiàn)路，而且能夠動(dòng)態(tài)顯示油的液位、流向，讓高層管理人員從宏觀(guān)上掌握全廠(chǎng)的生產(chǎn)狀況。
　　7.通過(guò)微機聯(lián)網(wǎng)，質(zhì)量檢查部門(mén)可以直接得到工業(yè)現場(chǎng)的信息，各管理部門(mén)之間也可以實(shí)現數據通信與數據共享。

　　3　硬件與軟件設計

　　3.1　硬件設計
　　
　　在本系統中，工業(yè)現場(chǎng)控制是核心，而工業(yè)現場(chǎng)控制主要由PLC系統完成，所以如何合理有效地使用PLC技術(shù)就成了設計的關(guān)鍵。PLC的特點(diǎn)是控制可靠，編程簡(jiǎn)單，但程序內存不大，不能進(jìn)行復雜的編程；而石化產(chǎn)品的特點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復雜，產(chǎn)品型號繁多，往往1條生產(chǎn)線(xiàn)就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品。這就形成了一對矛盾。如果設計時(shí)采用常規的PLC控制系統，那么1條生產(chǎn)線(xiàn)就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉換模塊。投資巨大，而且按照現代控制理論，在1個(gè)控制系統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控制的可靠性，在PLC控制系統的硬件配置上進(jìn)行了多項創(chuàng )新。
　　
　　以潤滑油生產(chǎn)線(xiàn)為例，在潤滑油生產(chǎn)車(chē)間，有攪拌溫度、添加劑溫度、輸油泵壓力、油罐的液面等共計32路模擬信號需要檢測。如果按常規設計，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資，設計了多路開(kāi)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(kāi)關(guān)切換示意圖。

圖2　FX-4AD模塊的多路開(kāi)關(guān)切換示意圖

　　圖2中，FX-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(kāi)關(guān)切換電路的設計實(shí)質(zhì)上是通過(guò)1個(gè)多路開(kāi)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項功能，其中多路開(kāi)關(guān)的4個(gè)轉換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn)，由PLC編程控制。這個(gè)多路開(kāi)關(guān)切換電路簡(jiǎn)單實(shí)用，而且節省了大量投資，實(shí)踐證明，該電路在控制精度上完全滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。

　　3.2　軟件設計
　　
　　在計算機與PLC集成控制系統的軟件設計中，也采用了許多新的設計思想。
　　
　　仍以潤滑油生產(chǎn)車(chē)間為例，按照用戶(hù)提出的72種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求，如果用常規方法編程，需要12臺PLC基本模塊。為節約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點(diǎn))，用逐項查表的方法編寫(xiě)了1個(gè)72種潤滑油的通用程序，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴展模塊的方式完成了過(guò)去需要12臺PLC才能實(shí)現的功能。
　　
　　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2 000點(diǎn)(D1000～D2999)。為節約程序內存，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(gè)16bit的字來(lái)控制PLC觸點(diǎn)的16個(gè)輸出觸點(diǎn)，而不必像過(guò)去那樣，1條指令只能控制1個(gè)輸出觸點(diǎn)。例如在圖3中，首先X0導通，十進(jìn)制數K6送入數據寄存器D0，接著(zhù)X1導通，數據寄存器D0的數值K6轉化為二進(jìn)制數“0000　0000　0000　0110”送入K4Y0，控制輸出Y0～Y17共計16個(gè)觸點(diǎn)的動(dòng)作，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作和數據寄存器D0的數值K6一一對應。如圖4所示，“1”控制輸出觸點(diǎn)導通，“0”控制輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。在此例中，Y1、Y2觸點(diǎn)導通，其余輸出觸點(diǎn)關(guān)斷。

圖3 字傳送方式控制輸出觸點(diǎn)示意圖

圖4 數據寄存器DO的值與16個(gè)觸點(diǎn)的對應關(guān)系

　　通過(guò)字傳送方式，我們用1條指令就可控制16個(gè)電動(dòng)閥及輸油泵的動(dòng)作，大大節省了程序空間。在這種設計思想下，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫(xiě)，然后輸入文件寄存器，并在此基礎上，編制了72種潤滑油的通用程序。在通用程序運行時(shí)，根據某一潤滑油的型號，通過(guò)查表的方式，在文件寄存器中調出對應的數據段(這些數據段也就是該種潤滑油的工藝流程)，然后該數據自動(dòng)輸入PLC的控制程序，使得PLC按照規定的工藝流程控制整個(gè)執行機構工作。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(gè)字節中。程序運行時(shí)，首先根據潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調出D1050～D1060 10個(gè)字節的數據，然后輸入到通用程序的相應寄存器，參與工業(yè)控制。

圖5 文件寄存器示意圖

　　4　計算機與PLC的通信技術(shù)
　　
　　在計算機與PLC集成控制系統中，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是計算機與PLC的通信。若在整個(gè)系統設計中全部采用進(jìn)口器件，軟件也選用相應的進(jìn)口產(chǎn)品，那么，整個(gè)工程造價(jià)驚人。針對這種情況，我們自行開(kāi)發(fā)了計算機與PLC的串行通信技術(shù)。該技術(shù)設計思想先進(jìn)，軟硬件簡(jiǎn)單實(shí)用，可靠性高，性能價(jià)格比好，兼容性強，可適用于市場(chǎng)上多種型號的計算機與PLC。
　　
　　從硬件上講，現在中國市場(chǎng)上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口；而微型機多采用RS232接口。這樣在計算機與PLC通信時(shí)就不可避免地要選用RS422-RS232轉換模塊，同時(shí)考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個(gè)轉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(jià)。
　　
　　針對這種情況，為降低工程造價(jià)，我們在硬件上用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)的電路設計技術(shù)和單片機技術(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(jià)極低。
　　
　　從軟件上講，計算機和PLC的通信技術(shù)屬于保密技術(shù)，長(cháng)期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠(chǎng)家生產(chǎn)的PLC，就必須選用它開(kāi)發(fā)的工控軟件，提高工程造價(jià)。針對這種情況，我們開(kāi)發(fā)了自己的工控軟件。下面以三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設計。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
命令 命令號 日標設備 功　　　能
設備讀 命令‘0’ X/Y/M/S/T/C/D 讀位設備或字設備狀態(tài)
設備寫(xiě) 命令‘1’ X/Y/M/S/T/C/D 寫(xiě)位設備或字設備
強制開(kāi) 命令‘7’ X/Y/M/S/T/C 打開(kāi)位設備
強制關(guān) 命令‘8’ X/Y/M/S/T/C 關(guān)閉位設備

每一個(gè)字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6。

圖6 字符傳輸格式

　　例如，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。

圖7 字符“F”的傳輸格式

　　一般文本數據的傳輸格式如圖8。

圖8 文件數據傳輸格式

　　圖8中，STX為文本的開(kāi)始，其ASCII碼定為02H；ETX為文本的結束，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。
　　在STX之后，被傳送數據的ASCII之和，也被作為2個(gè)字符碼發(fā)送。
　　例如，實(shí)現從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個(gè)字節數據，執行傳輸格式如圖9。
　　求和：
　　30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H
　?。?4H

圖9 傳輸格式之例

　　通過(guò)改變命令號和地址號，就可以實(shí)現計算機與PLC之間的讀、寫(xiě)、強制開(kāi)關(guān)等基本功能，用戶(hù)可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎上，根據實(shí)際情況靈活地用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)自己的通信程序，這正體現了該軟件的開(kāi)放性特點(diǎn)。

　　5　結束語(yǔ)
　　
　　計算機集成控制系統采用了先進(jìn)的系統集成的設計思想，投入運行后，為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。該系統在工業(yè)現場(chǎng)控制方面，尤其在PLC控制方面，獨樹(shù)一幟，以其卓越的控制功能和良好的性能價(jià)格比，贏(yíng)得了用戶(hù)的廣泛贊譽(yù)。

　　參考文獻

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2　李瑜詳.微機數據通信技術(shù).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1992