自動(dòng)化控制系統(tǒng)在粉煤灰加氣混凝土生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：本文介紹了SIMATIC S7-300可編程控制器在加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。可編程控制器除了用于對(duì)現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對(duì)現(xiàn)場的自動(dòng)化設(shè)備的控制。此外，工控組態(tài)軟件作為一種標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程。本系統(tǒng)中基于軟件和硬件的執(zhí)行情況將在文中作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。
關(guān)鍵詞：粉煤灰 加氣混凝土 可編程控制器 組態(tài) 通訊

1 引言

為落實(shí)節(jié)能減排方針，保護(hù)耕地，逐步淘汰粘土實(shí)心磚。根據(jù)國家墻改政策，研制開發(fā)粘土實(shí)心磚的替代產(chǎn)品，采用新型建筑材料作為墻體，已成為形式發(fā)展的必然。加氣混凝土砌塊作為一種新型建筑材料，已在我國建筑工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

青島魯能加氣混凝土建材有限公司作為一家成立較早的生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的新型環(huán)保建材企業(yè)，主要利用華電青島發(fā)電有限公司排放的粉煤灰為主要原材料進(jìn)行蒸壓加氣混凝土砌塊的生產(chǎn)與經(jīng)營。為進(jìn)一步滿足企業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的要求，提高生產(chǎn)效率和管理水平，公司在生產(chǎn)中積極實(shí)施生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級(jí)、控制級(jí)、企業(yè)級(jí)的信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

2 加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)介紹

2.1工藝設(shè)計(jì)要求

該生產(chǎn)線主要由破碎系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、打漿系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、切割系統(tǒng)及蒸養(yǎng)系統(tǒng)來構(gòu)成。控制系統(tǒng)需要對(duì)其中的破碎、粉磨、制漿、打漿、澆注、蒸養(yǎng)過程進(jìn)行監(jiān)測與控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)自控系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面（HMI），為生產(chǎn)管理級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機(jī)由可編程控制器（PLC）構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。

（1）在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、稱重等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。
（2）加氣混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)原料制備、配料、澆注、蒸養(yǎng)等過程的自動(dòng)控制。在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，進(jìn)行故障診斷。
（3）根據(jù)各原材料稱重設(shè)定參數(shù)進(jìn)行稱重配料過程控制；根據(jù)各溫度參數(shù)，調(diào)節(jié)澆注、靜養(yǎng)、蒸壓的進(jìn)汽壓力。
（4）自控系統(tǒng)通過加入時(shí)間日程表的控制，實(shí)現(xiàn)一天當(dāng)中不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)不同的生產(chǎn)周期。
（5）在符合生產(chǎn)條件的情況下，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換。
（6）對(duì)調(diào)節(jié)部分可采用手操器控制，確保進(jìn)汽的溫度、壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，使蒸汽溫度達(dá)到加溫要求，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
自動(dòng)控制系統(tǒng)配料部分流程圖，如下：

2.2 控制系統(tǒng)選型及特點(diǎn)

為了滿足上面提到的蒸壓加氣混凝土砌塊生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們選用西門子公司SIMATIC S7-300可編程控制器（PLC）和研華公司IPC-610工控機(jī)（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進(jìn)的WinCC監(jiān)控軟件，來實(shí)現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡單，維護(hù)方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級(jí)連接。

S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。在一塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)所選用的硬件產(chǎn)品，如下所示：
（1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz處理器，512Mb內(nèi)存，80Gb硬盤；
（2）中央處理單元 （CPU）
CPU 313C，2DP；
（3）信號(hào)模塊 （SM）
SM 321，數(shù)字量輸入模塊3塊；
SM 322，數(shù)字量輸出模塊1塊；
SM 323，數(shù)字量輸入/輸出模塊1塊；
SM 331，模擬量輸入模塊1塊；
SM 332，模擬量輸出模塊1塊；
（4）通訊處理卡 （CP）
CP 5611通訊卡2塊；
（5）負(fù)載電源模塊 （PS）
PS 307，電源模塊1塊。
可編程控制器硬件組成結(jié)構(gòu)，如下：

3.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下：

3.3 軟件組態(tài)過程與效果

工控組態(tài)軟件WinCC（Windows Control Center）是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實(shí)的將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報(bào)警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以友好方式與用戶交互。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收過程計(jì)算機(jī)（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測量值以符號(hào)、數(shù)值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實(shí)現(xiàn)了在HMI操作站（上位機(jī)）上以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設(shè)備維護(hù)人員快速準(zhǔn)確的了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及其相關(guān)信息的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在上位機(jī)上用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）工藝流程圖：在畫面中通過編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個(gè)加氣混凝土生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程，并且在設(shè)備本體上實(shí)時(shí)顯示了相關(guān)狀態(tài)或參數(shù)，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。
（2）手操器的操作與對(duì)現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。
（3）報(bào)警記錄：對(duì)于如稱重、釜壓、釜溫等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)通過報(bào)警一覽表對(duì)話框可以檢查報(bào)警超出的范圍以及錯(cuò)誤的出處，并對(duì)此采取相應(yīng)的措施。
（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實(shí)時(shí)顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對(duì)過去歷史趨勢的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的預(yù)測。另外，還具有報(bào)警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運(yùn)行報(bào)表。
（5）班次生產(chǎn)報(bào)表：通過對(duì)實(shí)事數(shù)據(jù)的記錄，對(duì)各生產(chǎn)班次原材料的用量進(jìn)行記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，形成班次生產(chǎn)報(bào)表及月度報(bào)表，為生產(chǎn)管理提供可靠依據(jù)。
（6）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對(duì)圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通訊方式

為了滿足在單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標(biāo)準(zhǔn)可供我們選擇，主要有Industrial Ethernet（IEEE 802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC 61158/EN 50170）、AS-I（EN 50295）、EIB（EN50090、ANSI EIA 776）、MPI及Point-to-point connections等。根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點(diǎn)，我們選用了PROFIBUS-DP通訊方式，其優(yōu)點(diǎn)是CPU可以同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設(shè)備和其它可編程控制器可以連接在一起同時(shí)運(yùn)行，無需多次編寫通訊程序。由于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中第一層和第二層及用戶接口層，所以可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩裕瑐鬏斔俾士蛇_(dá)12Mbps。PROFIBUS-DP憑借傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及良好的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，成為目前廣大用戶普遍采用的通訊方式。我們利用PLC的DP接口與上位機(jī)CP5611插卡的DP接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它們均采用RS485物理接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。同時(shí)，在系統(tǒng)中預(yù)留了與企業(yè)MIS的接口，為提升企業(yè)信息管理水平奠定了基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)功能

4.1 控制中心數(shù)據(jù)采集功能

上位機(jī)將可編程控制器中傳出的數(shù)據(jù)信息直接采集，通過軟件功能將信號(hào)以文字、圖像、報(bào)表等方式形成人機(jī)界面。操作人員通過此界面進(jìn)行監(jiān)控操作。

4.2 控制中心控制信號(hào)發(fā)送功能

控制信號(hào)由上位機(jī)經(jīng)通訊模塊送入控制器，由控制器來實(shí)現(xiàn)各控制指令。

4.3 監(jiān)控中心控制及集中管理功能

在上位機(jī)的監(jiān)控畫面上點(diǎn)擊相關(guān)控制設(shè)備均可對(duì)其進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和歷史記錄并形成報(bào)表。特別是對(duì)各班次的生產(chǎn)配料情況進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)，為相關(guān)生產(chǎn)管理部門提供可靠的生產(chǎn)分析與決策依據(jù)。通過攝像監(jiān)控功能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管路的異常現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備無人值守、控制室集中管理的目標(biāo)與要求。

4.4 系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制功能

主要包括澆注前加溫控制、蒸壓釜升溫、恒溫、降溫控制等功能。通過以上控制功能的實(shí)現(xiàn)，最終完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的順序、調(diào)節(jié)控制及聯(lián)鎖保護(hù)等控制。

5 結(jié)論

本文討論了基于SIMATIC S7-300系列可編程控制器的加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了該系列可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便及可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。同時(shí)，在生產(chǎn)現(xiàn)場需要采用大量一次儀表元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備，為進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性我們選用了相應(yīng)的傳感器及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而解決了相關(guān)系統(tǒng)接口及現(xiàn)場通訊問題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求。

2006年12月該系統(tǒng)投入試運(yùn)，2007年1月正式投入運(yùn)行。在一年多的實(shí)際應(yīng)用中,該系統(tǒng)對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平發(fā)揮了積極作用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。同時(shí)，該項(xiàng)目也得到了相關(guān)行業(yè)專家的廣泛認(rèn)可，認(rèn)為值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。