基于PLC的旋窯監控系統的開發

1 引言
基于現場總線的PLC控制系統以其結構緊湊、功能簡單、可靠性高和價格低廉等優點，獲得了廣泛應用。近年來，隨著計算機信息網絡技術的飛速發展，以PLC為核心的工業控制系統也向大規模、網絡化發展。它已成為與DCS并駕齊驅的主流工業控制系統。
山鋁水泥廠是山東鋁業公司的下屬分公司，有著50余年的歷史。而今由于生產工藝相對落后，導致生產成本偏高。因此，公司于2003年建立了新型干法燒制水泥的生產線，原有的幾條老線面臨著改造。本文介紹的3#旋窯改造后應同時具備生產氧化鋁熟料、水泥熟料的兩條工藝流程。

2 系統要求
3#旋窯監控系統要將整條生產線的近70多處壓力、溫度、流量、料位等模擬量，再加上所有電機、變頻器、執行機構、軟啟動器的開關量和模擬量等測控點在生產調度中全集中監控,并將監控結果傳送到中央控制室的計算機中;同時要求中央控制室內安裝工業大屏幕一塊，負責讀取顯示3#旋窯的一些重要工藝參數。
要求所有電氣設備實現中控/本地兩地控制;要求各控制站間采取分布式I/O方式進行設計，減少系統的線纜敷設，減少系統故障的發生，易于檢修和維護。

3 系統設計
3.1 方案論證
我們著重研究了目前工業控制比較流行的PLC控制系統、集散控制系統DCS、現場總線控制系統FCS三大控制系統。
由于屬于老設備改造，一些原有的現場儀器儀表不具備現場總線接口，即使具備也難以達成統一的通訊協議標準，如全部更新，投資太多，所以論證初期就放棄了現場總線控制系統FCS。
PLC與DCS的基本結構是一樣的。PLC發展到今天，已經全面移植到計算機系統控制上了，傳統的編程器早就被淘汰，大型PLC與DCS的界線已經逐步淡化。經過比較二者的優缺點，從實現的可能性、性價比、維護的方便程度(本廠有PLC維護人員)等多方面考察，最后決定選擇SIEMENS(西門子)的S7-300及S7-200系列產品組成PLC控制系統。
3.2 系統結構
3#旋窯監控系統包括:煤磨系統、篦冷機系統、回轉窯系統、電收塵系統及電收塵降溫系統(電收塵降溫系統為工程后續添加部分)。
根據采取分布式I/O方式進行設計的思想，并充分考察了現場環境，最后決定現場站采用兩臺SIEMENS的S7-300 CPU314-2DP作為主站，分別命名為窯前控制站和窯尾控制站。窯前控制站和窯尾控制站，分別配置SIEMENS標準以太網模塊CP343-1, 利用工業以太網，采用標準TCP/IP協議與控制管理層操作員站及工程師站進行通訊，通訊速率可達100M。同時，采用PROFIBUS DP通訊標準與現場I/O站ET200M進行通訊，波特率可達12M。系統還配置了兩臺SIEMENS的S7-200 CPU226作為從站。其中一臺CPU226通過以太網模塊CP243-1連接到網絡中，負責從管理計算機讀取現場重要工藝參數并傳送到工業大屏幕，以方便操作人員直觀讀取重要工藝參數(刷新速率小于1秒);另一臺CPU226為工程后續添加部分, 作為電收塵降溫系統從站，通過通訊模塊EM277，采用PROFIBUS DP通訊標準與窯尾控制站通訊。
系統網絡結構如圖1所示:

圖1 系統網絡結構

3.3 標準化編程
大型的自動化控制系統很難一個人完成，因此需要很多人的分工與合作。標準化編程就是要使軟件工程師編寫的程序整齊劃一，通用性和可讀性強，除了作者本人,閱讀者也能輕而易舉地理解作者的編程思想和工藝要求。這樣不但可以使編程人員不再糾纏編程的枝節問題，縮短編制程序的時間，集中精力解決更加困難的工藝上的問題;而且有利于維護人員對程序的理解，為生產保駕護航提供了更加寶貴的經驗。
(1) 根據設計圖紙編制各系統的點號表。
(2) 根據點號表編制STEP7符號表(SYMBOL);再根據點號表找出各控制設備的輸入/輸出點號，據此定義下列STEP7使用的中間線圈點號:模擬手/自動轉換選擇開關;啟動按鈕、停止按鈕(對單線圈的泵或電磁閥);開啟按鈕、關閉按鈕、停止按鈕(對雙線圈的電動閥);手動輸出值、給定值、比例系數、積分時間(對PID調節閥)。
(3) 根據各控制設備的輸入/輸出點號和中間線圈點號編制各控制設備的手動程序;最后根據設計說明書編制各控制設備之間的邏輯連鎖程序，即自動程序。
部分STEP7程序如圖2所示:

圖2 STEP7程序示意
3.4 工業過程監控
兩臺上位機采用西門子專業組態軟件WinCC進行工業組態，且運行在Windows2000操作系統上實現流程圖顯示、操作面板顯示、控制回路顯示、歷史曲線顯示、歷史記錄顯示、報警信息顯示、實時操作記錄顯示、工藝數據、電量數據及報表打印。用戶操作界面為圖形界面，所有操作風格為“所見即所得”，操作方式為鼠標操作，同時也支持鍵盤快捷鍵操作。更新數據快，所有工藝數據更新時間小于一秒。可方便擴展Internet或Intranet遠程監控功能。系統數據庫為全局數據庫，兩個操作員站之間數據及畫面完全可以共享，互為冗余備份。過程監控操作畫面如圖3所示。

圖3 過程監控操作畫面
3.5 系統調試
在實驗室完成所有軟硬件組態后，利用信號發生器等工具實現部分功能調試，經過多次修改，最后去現場調試。調試中也遇到了一些問題，主要有CPU226如何讀取上位機中WinCC的組態數據及現場調試時部分數據有干擾。通過西門子公司的技術支持解決了第一個問題;在現場通過加信號隔離放大器和做標準接地等方法解決了干擾問題。

4 系統評估
4.1 硬件評估
SIMATIC H1網是德國西門子公司開發的一種基于TCP/IP協議的標準以太網，它的優點是連接簡單、便于擴展、速度快、兼容性好。3#旋窯監控系統采用光纜作為SIMATIC H1網的連接介質，有效地實現了工業以太網數據傳輸過程中的抗干擾功能，保證了系統運行的可靠性;SIMATIC Profibus DP網是西門子公司開發的一種基于現場總線技術的設備網，它的特點是可以在PLC與現場設備(如變頻器、工業鍵盤、智能儀表、分布式I/O站等)之間交換數據。3#旋窯監控系統采用屏蔽雙絞線作為Profibus DP網的連接介質。SIMATIC300站是西門子公司的優秀產品，無論在控制速度、控制精度還是抗干擾性、靈活性各方面講都處與PLC產品的領先地位。戴爾(DELL)工業微機在工業控制中應用的也很好。
4.2 軟件評估
Windows 2000是美國Microsoft微軟公司最出色的產品之一，也是世界上應用最為廣泛最可信賴的軟件平臺，因此3#旋窯監控系統選用Windows 2000操作系統。西門子公司的WinCC的組態軟件廣泛應用于世界各大工廠，它的數據庫、畫圖、顯示、歷史趨勢、配方緊密結合，不但可以畫出逼真的圖形，還能將現場數據快速顯示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按鈕來取代真正的按鈕完成對現場設備的操作;它能將數據庫的數據按時間存放在數據文件里供歷史趨勢文件調用顯示，這樣就能把幾小時、幾天、甚至幾個月前的數據用數據曲線的形式展示給工程師們，以便分析事故和改進工藝;它可以利用WinCC的報表功能，方便的實現報表打印和數據查詢功能。STEP7是西門子公司為S7-300系列PLC設計的編程軟件，它能完成龐大的邏輯控制和復雜的調節控制;它的組織塊、功能塊、數據塊相結合的編程思想可以隨心所欲地實現各種控制要求;它的時間中斷組織塊可以實現短到10ms長到5s的快速中斷請求;它的符號表(Symbol)可以輸入中文方便進行程序注釋。

5 結束語
本系統通過工業以太網可方便擴展Internet或Intranet遠程監控，實現工業自動化設備網與上層管理、監控網之間的無縫集成，既所謂的“E(EtherNet)網通”，有利于企業綜合自動化、信息化進程。沒有納入到企業局域網中實現管控一體化，也許是這套系統的美中不足吧。