計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)際市場(chǎng)上石化產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，我國(guó)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，都存在著相當(dāng)大的差距。為改變我國(guó)石化產(chǎn)品發(fā)展嚴(yán)重滯后的局面，國(guó)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)有關(guān)廠家提出的技術(shù)要求，針對(duì)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(jiǎn)便、開放性強(qiáng)、性能價(jià)格比高，在國(guó)內(nèi)石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用后，受到好評(píng)。

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(chǎng)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(chǎng)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(lái)自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息。通過(guò)計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)，將潤(rùn)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。

圖1 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)的組成

2、　系統(tǒng)功能
　　
為滿足用戶提出的技術(shù)要求和現(xiàn)場(chǎng)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(hào)的石化產(chǎn)品，并且通過(guò)微型機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。
2.通過(guò)自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)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(guò)計(jì)算機(jī)屏幕，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的各種工況變化一目了然。
3.在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，為提高整個(gè)控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)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(duì)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(shí)，一方面通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停車，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到報(bào)警信號(hào)，及時(shí)采取相應(yīng)措施。
5.考慮到生產(chǎn)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)通話設(shè)備。
6.在中央控制室設(shè)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所有管道線路，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上掌握全廠的生產(chǎn)狀況。
7.通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)控制是核心，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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(hào)繁多，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號(hào)的產(chǎn)品。這就形成了一對(duì)矛盾。如果設(shè)計(jì)時(shí)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(tái)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(gè)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(rùn)滑油生產(chǎn)線為例，在潤(rùn)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(hào)需要檢測(cè)。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。

圖2　FX-4AD模塊的多路開關(guān)切換示意圖

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(guò)1個(gè)多路開關(guān)控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測(cè)、添加劑溫度檢測(cè)、輸油泵壓力檢測(cè)及油罐液面檢測(cè)4項(xiàng)功能，其中多路開關(guān)的4個(gè)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)接PLC的輸出觸點(diǎn)，由PLC編程控制。這個(gè)多路開關(guān)切換電路簡(jiǎn)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(rùn)滑油生產(chǎn)車間為例，按照用戶提出的72種潤(rùn)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(tái)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(gè)72種潤(rùn)滑油的通用程序，用1臺(tái)PLC基本模塊帶2臺(tái)PLC擴(kuò)展模塊的方式完成了過(guò)去需要12臺(tái)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)2 000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(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(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(gè)觸點(diǎn)的動(dòng)作，其開關(guān)動(dòng)作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對(duì)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。

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(gè)觸點(diǎn)的對(duì)應(yīng)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(jié)省了程序空間。在這種設(shè)計(jì)思想下，我們把72種潤(rùn)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(rùn)滑油的通用程序。在通用程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)某一潤(rùn)滑油的型號(hào)，通過(guò)查表的方式，在文件寄存器中調(diào)出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段(這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤(rùn)滑油的工藝流程)，然后該數(shù)據(jù)自動(dòng)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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如圖5所示之例，潤(rùn)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(jié)中。程序運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)潤(rùn)滑油型號(hào)在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調(diào)出D1050～D1060 10個(gè)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。

圖5 文件寄存器示意圖

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(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是計(jì)算機(jī)與PLC的通信。若在整個(gè)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(gè)工程造價(jià)驚人。針對(duì)這種情況，我們自行開發(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(jiǎn)單實(shí)用，可靠性高，性能價(jià)格比好，兼容性強(qiáng)，可適用于市場(chǎng)上多種型號(hào)的計(jì)算機(jī)與PLC。
　　
從硬件上講，現(xiàn)在中國(guó)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(jī)多采用RS232接口。這樣在計(jì)算機(jī)與PLC通信時(shí)就不可避免地要選用RS422-RS232轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個(gè)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(jià)。
　　
針對(duì)這種情況，為降低工程造價(jià)，我們?cè)谟布嫌?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(hào)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(guó)外的進(jìn)口模塊媲美，而且造價(jià)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(zhǎng)期為國(guó)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(jià)。針對(duì)這種情況，我們開發(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(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
命令 命令號(hào) 日標(biāo)設(shè)備 功　　　能
設(shè)備讀 命令‘0’ X/Y/M/S/T/C/D 讀位設(shè)備或字設(shè)備狀態(tài)
設(shè)備寫 命令‘1’ X/Y/M/S/T/C/D 寫位設(shè)備或字設(shè)備
強(qiáng)制開 命令‘7’ X/Y/M/S/T/C 打開位設(shè)備
強(qiáng)制關(guān) 命令‘8’ X/Y/M/S/T/C 關(guān)閉位設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8。

圖8 文件數(shù)據(jù)傳輸格式

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(gè)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(gè)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

圖9 傳輸格式之例

通過(guò)改變命令號(hào)和地址號(hào)，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(yǔ)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(yǔ)
　　
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(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jià)格比，贏得了用戶的廣泛贊譽(yù)。