一、前言 隨著工業(yè)自動化程度的日益提高，可編程序控制器（PLC）的使用越來越普遍，PLC使用簡單方便，故障率低，對現(xiàn)場環(huán)境要求不高，因而倍受青昧。在目前的很多自控系統(tǒng)中，常常選用PLC作為控制設備，用于數(shù)據(jù)采集和控制，而在系統(tǒng)上位機上利用組態(tài)軟件來完成工業(yè)流程及控制參數(shù)的顯示，實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和管理等功能，KDON300／5000空氣分離裝置中自控系統(tǒng)就是采用PLC控制方式。 二、系統(tǒng)概況 1.工藝流程 KDON-300／5000型空分設備的工作原理是利用空氣中各組分沸點不同，先使之液化再進行精餾，從而獲得純氧、純氮產(chǎn)品?？辗至鞒虨樵峡諝庠陔x心壓縮機中被壓縮至0.78MPa（G），經(jīng)冷氣機組將空氣冷卻，進入HXK-15000／8.0型純化器，去除H2O、CO2、C2H2等，凈化后的空氣進入分餾塔，通過主換熱器及液化器與返流的低溫廢氣、產(chǎn)品氮氣進行熱交換，然后進入精餾塔底部，經(jīng)過精餾分離為產(chǎn)品氮氣和富氧液空，塔底液空經(jīng)過冷后節(jié)流進入冷凝蒸發(fā)器，在0.38MPa（G）壓力下與氮氣相變換熱，氮氣液化作為分餾塔回流液，液空蒸發(fā)為廢氣。廢氣經(jīng)過冷器、液化器升溫至－151℃，再經(jīng)透平膨脹機，絕熱膨脹至0.03MPa（G）給裝置補償冷量。產(chǎn)品氮氣從精餾塔頂引出，經(jīng)液化器、主換熱器復熱至常溫，送至用戶。 2.自動控制 自動控制系統(tǒng)采用美國GE-Fanuc公司的90-30 PLC控制器和VersaMax I／O模塊組建成控制站，采用Cimplicity HMI人機界面軟件和高性能的上位機建成系統(tǒng)的操作站。該自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對空分裝置的空氣壓縮機系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、透平膨脹機系統(tǒng)、純化系統(tǒng)等工藝過程的監(jiān)視和控制. 該自動控制系統(tǒng)的控制站和操作站一個以太網(wǎng)，支持“TCP／IP”協(xié)議。PLC控制站由兩套90-30 PLC控制器和三個VersaMax I／O模塊組及兩個操作站組成?？刂普镜?0—30系統(tǒng)采用機架式結構，I／O模塊組采用具有緊湊和開放式結構的VersaMax I／O系統(tǒng)。控制站通過GBC模塊與I／O模塊組的Genius接口模塊以Genius總線方式連接，從而實現(xiàn)對I／O模塊點的采集和控制。系統(tǒng)的所有控制站、操作站將通過以太網(wǎng)連接，控制站中配置具有10Mbit／s雙絞線以太網(wǎng)接口的主處理器IC693CPU364模塊，操作站上位機配置10／100Mbit／s自適應以太網(wǎng)卡，來共同實現(xiàn)局域網(wǎng)連接。 三、網(wǎng)絡結構 整個控制系統(tǒng)分為兩層網(wǎng)絡 （1）最底層使用CE的Genius總線，實現(xiàn)90—30PLC控制器對I／O模塊組控制。 （2）上層90—30 PLC控制器通過10Mbit／s以太網(wǎng)與上位機聯(lián)接，操作站的通過以太網(wǎng)卡與相應的PLC通訊，實現(xiàn)對空分系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 （3）該控制系統(tǒng)以后能夠很方便的與其他計算機網(wǎng)絡聯(lián)接，上位機通過以太網(wǎng)能與工廠管理網(wǎng)聯(lián)接，上位機中冗余的Cimplicitv HMI通過Web服務器功能，實現(xiàn)與工廠遠程調(diào)度的通信。 四、控制站和操作機 1.控制站 PLC控制站由兩套90—30 PLC控制器和3個VersaMax：I／O模塊組組成，每個控制器和I／O模塊組通過一條自己的Genius網(wǎng)絡和I／O模塊組通信，當主控制器出現(xiàn)故障時，備用的控制器立即自動投入控制，不會影響對I／O模塊組的控制，仍能進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、模擬控制、順序控制等功能。 GE-Fanuc90—30 PLC特點：該PLC結構小，配置靈活，提供了開放的網(wǎng)絡結構，提供多種網(wǎng)絡接口和先進的編程特性。內(nèi)置RS232／RS485通信口，用于硬件組態(tài)和邏輯編程或串性通信。后備電池存儲器和多級口令保護和存儲器保護功能，大范圍模塊診斷功能，診斷到網(wǎng)絡和通道級故障，并提供PLC和I／O故障表，便于定位故障時間和目標以排除故障。 VetsaMax I／O模塊的特點：該系統(tǒng)的產(chǎn)品為模塊化和可擴展結構，是現(xiàn)代開放式控制系統(tǒng)最佳的解決方案。I／O模塊和通信模塊都可帶電插拔，自動配置I／O地址，真正的即插即用，無機架的緊湊結構，模塊安裝方便，可靈活地水平或垂直安裝在I／O底座上，I／O底座安裝在DIN導軌上，無電纜連接，I／O模塊裝卸時無須變動現(xiàn)場接線，易擴展，系統(tǒng)具有高可靠性和連續(xù)性，先進的故障診斷，可診斷網(wǎng)絡狀態(tài)錯誤信號、強制信號和電源狀態(tài)，可恢復的電子短路過載保護，拔掉模塊的狀態(tài)可預先設定，開放的結構，支持多種網(wǎng)絡通信協(xié)議（Modbus、RTU、Profibus、Genius總線、Ethernet等）。 2.操作站 操作站配置性能優(yōu)良的兩臺奔騰工業(yè)機型，采用Windows NT操作系統(tǒng)，安裝Cimplicity HMI組態(tài)軟件。兩個操作站都通過配置的以太網(wǎng)卡連接在系統(tǒng)網(wǎng)絡上，兩臺上位機均可以通過網(wǎng)絡獲取網(wǎng)絡上所有PLC的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。 中控室的兩套操作站組成冗余服務器系統(tǒng)，一套安裝Cimplicity HMI 300點監(jiān)控軟件開發(fā)版，另一臺安裝Cimplicity HMI 300點運行版軟件，正常工作時兩臺上位機可以同步操作，可以進行監(jiān)控畫面的組態(tài)、數(shù)據(jù)點的建立功能，并始終保持數(shù)據(jù)同步，當一臺上位機故障（軟硬件或通訊故障），它將自動被切除，由另一臺執(zhí)行所有的功能，當故障的上位機恢復后，可以自動切回執(zhí)行控制。兩臺上位機通過以太網(wǎng)直接從PLC讀取各類數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對工藝過程的狀態(tài)監(jiān)控和報警、趨勢的顯示功能。可以將實時數(shù)據(jù)錄入ACCESS數(shù)據(jù)庫，形成通用的數(shù)據(jù)庫格式，實現(xiàn)整個裝置數(shù)據(jù)的集中處理功能，編制各類報表，繪制歷史趨勢。 設置一臺打印機，連接其中的一臺上位機，通過以太網(wǎng)共享打印機，用于數(shù)據(jù)、報警、報表、趨勢的打印。 以后當公司需要遠程監(jiān)控時，其中作為主服務器的上位機，可以同時作為Web服務器，用于實現(xiàn)遠程監(jiān)控，通過公司局域網(wǎng)絡（以太網(wǎng)或電話線）可以把現(xiàn)場的設備狀態(tài)、報警、流程圖等HMI畫面?zhèn)魉偷綇S調(diào)度、公司調(diào)度或網(wǎng)絡上的任何一臺終端上，在遠程客戶端可以通過IE瀏覽到以上內(nèi)容。 五、軟件 1.系統(tǒng)操作系統(tǒng) 采用Microsoft Windows 2000 NT 2.PLC編程軟件 GE 90-30 PLC編程、實時監(jiān)控和系統(tǒng)診斷維護軟件：VersaPro2.0，該軟件運行在Windows NT平臺上。VersaPro編程軟件的主要功能為； （1）具有梯形圖、順序功能圖和指令語句多種編程方式。 （2）圖形式硬件組態(tài)畫面，離線開發(fā)梯形圖程序，在線編輯、監(jiān)控和修改初始值，可以使用變量名引用I／O點；支持浮點運算、PID功能、子程序中斷。 （3）4個等級密碼程序保護，子程序加密。 （4）在磁盤上自動存儲程序，可打印程序和配置、變量交叉引用表。 （5）通過串行SNP協(xié)議或以太網(wǎng)協(xié)議與PLC設備通訊，下載程序、在線監(jiān)控內(nèi)存狀態(tài)，強制I／O狀態(tài)，設置CPU實時時鐘。 （6）強大的診斷功能，提供PLC和I／O兩個故障表，清晰地指出故障時間、部位和內(nèi)容。 3.操作站監(jiān)控軟件 采用Cimplicity HMI開發(fā)版和運行版各一套，其中一套300點開發(fā)版支持工藝的開發(fā)的需要，另一套300點版用于中控室對空氣分離裝置進行實時控制，VersaPro編程軟件的主要功能為； （1）Cimplicitv HMI是基于Windows平臺的組態(tài)軟件。內(nèi)部采用多線程技術，從而能完成復雜的任務。軟件的結構采用面向Web級的設計，為Client／Server結構。 （2）Cimplicity HMI的界面編輯功能十分強大，支持OLE技術，從而可以方便的使用第三方控件。 （3）Cimplicity HMI與SQL Server結合，能完成數(shù)據(jù)、報警和事件的自動登錄和日常的數(shù)據(jù)庫維護。通過ODBC與數(shù)據(jù)庫連接，提供與SQL數(shù)據(jù)庫操作的接口命令。 （4）可以通過給不同用戶分配不同的角色和資源來完成系統(tǒng)的安全授權。 （5）界面設計 針對本生產(chǎn)線工段多、生產(chǎn)工藝復雜、監(jiān)控變量多等特點，為避免用戶在監(jiān)控時頻繁切換窗口和監(jiān)視方便，采用Frame Container將各工段的實時界面、實時曲線、歷史曲線、報警信息和數(shù)據(jù)查詢打印報-表等界面置于一個Frame Container中。在相應的屬性頁標簽的Mouse Up事件的響應腳本中。 （6）設備點的定義 Cimplicity的設備點用來完成I／O功能。I／O點的實現(xiàn)是所有組態(tài)軟件的技術核心，也是組態(tài)軟件的一個重要部分。 （7）故障報警這里把報警分為兩類：現(xiàn)場報警和通信報警。現(xiàn)場報警，即從PLC采集到的報警點。通信報警，即上位機和PLC通信失敗?？蔀槊糠N報警定義不同的聲音，并起動Alarm Sound Manager。這樣在報警發(fā)生時，將會有不同的報警聲音。 （8）數(shù)據(jù)庫 本系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫是SQL Server。通過數(shù)據(jù)源與Cimplicitv相連。 （9）用戶授權 為了便于管理和系統(tǒng)安全，用戶權限為兩級進行授權：管理員和操作員。對管理員授予所有權限。對操作員，通過分配不同的角色（Roles）和資源（Resource），使這類用戶只具有瀏覽各個界面、打印報表、處理報警的權限，而沒有對工程進行重新配置、調(diào)整控制參數(shù)、停止系統(tǒng)運行等高級權限。 （10）打印報表。Cimplicity HMI有很強的打印功能。 六、系統(tǒng)功能 （1）流程圖的動態(tài)顯示功能 利用豐富的繪圖工具和控件庫及對象連接功能，很容易完成工藝過程各種流程圖畫面的組態(tài)。通過動態(tài)連接和圖形對象屬性組態(tài)，可以把流程圖與PLC設備點連接起來，在運行狀態(tài)下，實現(xiàn)流程的動態(tài)顯示（如顏色變化、動態(tài)填充、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示等）。工藝生產(chǎn)過程狀態(tài)以流程圖的方式顯示，圖像由一系列圖例組成，并可取出每幅圖的局部進行放大，便于分分組顯示。流程圖上有實時過程動態(tài)參數(shù)顯示： （2）測量值顯示 儀表測量值用棒圖方式實時顯示。測量值的上下限可以組態(tài)和修改，并可以自動進行工程量轉換。 （3）報警顯示 所有開關量點和模擬量點均可以被組態(tài)為記錄報警，所有報警和操作事件可以被登錄到數(shù)據(jù)庫中，用于記錄和打印。具有內(nèi)置的報警圖例，只需要進行簡單的組態(tài)來滿足現(xiàn)場的要求?？山M態(tài)多幅報警畫面，報警可以根據(jù)等級被分類、分組顯示在不同的報警畫面中。報警可以具有聲音、閃爍、顏色指示和確定等功能。 （4）趨勢圖 實時趨勢和歷史曲線可以在同一張圖表上，同一張圖表上可以有來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，每個圖表的曲線不受限制，在運行時可以動態(tài)改變趨勢和增加趨勢曲線。 （5）設定值更改操作方便可以通過鍵盤或鼠標方便地在上位機上進行現(xiàn)場設備控制和設定值更改操作。并可對設定功能增加權限保護，設立用戶操作口令，防止誤操作。并只允許具有設定值修改權限的操作員進行操作。 （6）數(shù)據(jù)處理和存儲 采用Cimplicity HMI標準的ODBC接口作數(shù)據(jù)登錄。報警、事件和數(shù)據(jù)點均可以登錄到Microsoft Access數(shù)據(jù)庫文件中或其他數(shù)據(jù)庫中。可以利用符合ODBC標準的應用程序（如Excel）檢索這些數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報表。中控室的上位機進行數(shù)據(jù)的集中處理。 （7）班、日、月、年報表的產(chǎn)生 利用上述數(shù)據(jù)庫登錄功能和報表生成軟件及Excel、VB等工具軟件，可以產(chǎn)生班、日、月、年報表，并且報表可以保存為文本文件存入磁盤。 （8）豐富的圖表和曲線 各種壓力、溫度過程變化曲線、精餾塔純氧塔液位變化過程曲線、產(chǎn)品氮氣、氧氣計量累計曲線、事故報警總表等，分日、月時段并銜接，以月為單位存入磁盤。 七、結束語 空氣分離PLC系統(tǒng)采用成熟和先進的控制技術，具有豐富和開放式的網(wǎng)絡接口，編程軟件包和監(jiān)控軟件包技術成熟、使用方便；系統(tǒng)各硬件的設計符合國際標準，經(jīng)過一段時間的運行，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，安全可靠，生產(chǎn)參數(shù)實時采集、生產(chǎn)異常及時報警，消除了安全隱患，PLC系統(tǒng)控制精度高，確保了空氣分離裝置高效經(jīng)濟運行。