應用PLC控制網絡實現空壓站無人值守

本文以上海寶鋼集團上鋼一廠連鑄連軋項目的大型空壓站為例，介紹了怎么樣應用PLC控制網絡來實現空壓站無人值守。

1．應用背景

　　在冶金，化工，電力，制藥等許多大型工程中，空壓站建設是一項重要的輔助工程。空壓站的主設備為空氣壓縮機，空氣干燥器，配套過濾器，儲氣罐，連接管道和閥門等組成一供氣系統。大型空壓站通常擁有多套設備，以保證不同負荷的需求。確保合格的供氣品質，滿足穩定的氣源壓力，供氣流量的自動調節等是空壓站自動化的基本任務。隨著自動化水平的不斷提高，建設無人值守空壓站的要求已是一個發展趨勢。

　　本案例應用于上海寶鋼集團上鋼一廠連鑄連軋項目的大型空壓站。該站有6臺每分鐘供氣200立方的螺桿式空壓機，6臺200立方處理量的冷凍式干燥器，另有兩臺80立方處理量的吸附式干燥器，采用母管制連接方式生產壓縮空氣。用戶要求：
　　1）每臺設備應有自動控制和聯鎖保護裝置，并配有觸摸屏供現場觀察各工藝參數和設備狀態，可手動/自動切換操作及緊急停機；
　　2）現場控制室應有計算機操作站，通過建立設備網絡，監控整個生產過程；
　　3）空壓房的操作站應與廠區控制中心聯網，由控制中心的控制器實時遠程監控，實現空壓站無人值守。
　　
　　2．系統構成

　　2.1．控制網絡結構的確立
　　由于控制中心選用AB公司的PLC構筑自控系統，并指定采用DH+網絡實施遠程聯網。為保持一致性，空壓站自控設備選用AB公司的小型PLC ——SLC-500系列可編程控制器，其帶有DH+網絡接口，支持DH+和DH-485網絡協議。原設計推薦為單一DH+網絡結構，后仔細分析了生產實際情況和各設備的特點，以及可能存在的問題，綜合各方面因素后確立了分級控制網絡的實施方案，如圖1所示。其基本理由是：

　　1）技術性考慮，單一結構網絡在節點數量較大時安全性不夠理想。因為各設備控制器均掛在同一網絡上，任何一臺出現通信故障都可能影響整個網絡，嚴重時會引起網絡癱瘓，無法實現遠程監控。雖然本案例的設備總數并不算很多，但考慮到對無人值守的高標準要求，將設備網分為上層DH+和下層DH-485兩級網絡，以達到分散危險，提高網絡有效性和可靠性的目的。

　　2）經濟性考慮，滿足基本要求的前提下，采用低成本的微型PLC替代。干燥器設備的生產工藝相對較簡單，控制點數不到10點，模擬量信號輸入點數也不多，動態響應的時間常數相對較大，微型PLC——Micrologix 1200可以滿足要求。其成本可降低一半，每套約節省2萬元，總計可達15萬。

　　分級網絡的特點：
　　a)遠程控制網——DH+網絡（增強型數據高速公路）連接控制中心控制器與空壓站主控制器0#SLC，傳輸空壓站系統的重要信息參數及各設備運行狀態，并實現控制中心的遠程控制操作。
　　b)上層設備網——DH+網絡，連接現場主控制器0#SLC，1#-6#空壓機子站SLC，以及作為通信控制器的7#SLC。0#SLC除負責與遠程控制網連接外，還承擔所有子站的信息集成和控制信號的傳遞。
　　c)下層設備網——采用DH-485網絡，7#SLC通信控制器作為上下網的聯接器集成各干燥器控制子站1#-8#M1200的數據信息，并傳遞遠程控制信號。M1200和觸摸屏均通過通信模塊NET-AIC掛接到DH-485網上。

　　DH+網絡為AB公司推出的工業局域網之一，它是最早為可編程序控制器提供遠程編程支持的控制網絡。它可以在可編程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC 5/04）、操作員界面系統、個人計算機、主計算機、數字控制設備、可編程的具有RS-232-C/RS-422接口的設備之間提供點對點通信。一個DH+網絡最多可以連接99個DH+鏈路，每個DH+鏈路最多可以連接64個節點（智能化設備）。它采用雙絞線或屏蔽同軸電纜連接，每個鏈路的傳輸速率為57.6K Bps，115.2KBps和230.4KBps三種可選，傳輸距離可達10,000英尺（3048米）。DH+網絡支持從遠程鏈路進行組態、編程以及故障查詢等。

　　DH-485是一種對信息傳送有時間苛刻要求的、高速確定性的工業局域網絡，主要用于車間級各種設備之間的數據傳遞；具有多主功能，在令牌傳送協議下工作，網絡的最大長度為1219m。DH-485能夠連接多達32個節點的設備，包括SLC 500和Micrologix 1200可編程控制器、操作員終端和個人計算機等。其最大傳輸速率可達19.2KBps。

2.2 硬件配置

　　 現場控制室——操作站計算機PC，主控制器0#SLC（SLC-504）帶有標準RS-232C /DH+ /8針圓形接口，共3個網絡接口。配置模擬量輸入/輸出模塊，開關量輸入/輸出模塊，共計128點，所有開關量輸出均采用繼電器隔離。0#SLC控制各設備子站以外的系統測點和閥門。
　　空壓機子站——1#-6#SLC可編程控制器（SLC-504），分別配有包括模擬量輸入在內的64點I/O模塊；通過DH+接口連接到上層設備網。
　　干燥器子站——1#-8#M1200微型可編程控制器（Micrologix 1200 自帶24點I/O），配接12點模擬量輸入I/O模塊，通過NET-AIC通信模塊接入DH-485下層設備網。PV-500彩色觸摸屏也由通信模塊的9針插頭連接到DH-485網。

　　2.3．軟件組成和工作程序

　　網絡連接軟件RSLinx它在車間級設備與各種應用軟件之間提供通訊功能，它可組態網絡的通訊協議（即選擇PLC控制網絡的協議，如DH-485協議，DH+協議），傳輸波特率，驅動程序等，完成網絡的初始化和令牌管理。

編程軟件RSLogix 500 可使用戶在DH-485網或DH+網上對控制器（SLC 500、Micrologix 1200）進行編程，網絡上的任一個工業終端可以用來對網絡上的所有控制器編程。用戶既可以將程序下載到有關設備中，又可以從設備上載已有的程序，調試程序，監視設備的運行。

工作站組態軟件RSView 32 設在現場控制室的操作站用來監視和操作整個生產過程，為控制系統提供通訊、顯示及報表管理等功能，各設備控制器自成一子系統，其應用程序功能包括：信息采集，設備控制，故障報警，聯鎖保護，以及數據處理和通信傳輸。

　　通信傳輸工作程序如圖2所示。在本案例中，從控制中心控制器經現場控制室操作站到7#SLC通信控制器，均采用自上而下的方式讀/寫目標控制器的數據區數據，由數據傳送指令完成數據通信，實現信息集成和遠程控制。

3．難點問題和解決方法

整個控制系統隨同設備于2003年7月初步完成安裝調試工作，進入試生產。2004年2月正式投產，滿負荷運行，情況良好，達到設計的預期目標。期間出現過的主要問題為：

　　1）通信故障引起遠程監控失效兩次（上層設備網）。分析可能的原因，通信電纜使用了帶屏蔽的普通信號電纜而非控制設備規范要求的雙絞線屏蔽電纜，易受現場干擾；軟件方面對通信異常未設置必要的處理程序。
　　解決方法——將原來115.2KBps通信傳輸速率降低到57.6KBps，以提高數據傳輸的可靠性；軟件方面做了相應的改動，此后未再出現過類似通信故障。

　　2）通信傳輸延時，實時控制滯后（下層設備網）。經分析獲悉，DH-485令牌總線網絡結構的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多個循環才能對下層網各設備控制器掃描一遍，加之網絡傳輸速率相對較低，在傳輸數據量較大時，出現控制延時達7-8秒。
　　解決方法——由于系統結構已定，硬件無法改變，所以在軟件方面加以改進。數據傳輸速率提高到上限19.2KBps；再修改軟件程序，采用控制操作指令優先的策略，控制滯后的操作可得到改善。
　　
　　4．小結

　　·控制系統網絡化可有效實現空壓站遠程監控，無人值守。本案例的成功實施是一個很好的示例。
　　·分級控制網絡的實施，分散了故障危險，可提高網絡運行的有效性和可靠性。
　　·綜合分析生產實際情況，以及全面評價控制設備的各項性能指標，有助于制訂經濟性的控制方案，從而降低投資成本，提高經濟效益。

　　改進方向：
1）引入故障檢測和故障診斷的處理程序，系統的智能化程度可得到提高，有利于進一步改善自控系統的有效性和可靠性。
2）優化調度策略，軟件聯鎖保護等自動控制功能模式的應用，有望將自動化水平提升到更高層次，并由此獲得更大的效益。