摘  要: 结合复合肥生产的特点,介绍了一套基于PLC和牛顿7000产品构成的集散型控制系统" title="控制系统">控制系统,给出控制系统的硬件配置、软件设计,讨论了利用集散型控制系统实现生产优化管理。 

　　关键词: 集散控制系统,可编程序控制器,组态王,复合肥 

　　目前国内化肥企业为了改变自身产品结构、适应市场需求,都在根据自身的实际情况,由单一肥的生产转向复合肥的生产。但复合肥生产中需要控制的工艺参数较多,若采用传统的人工操作,不但耗费人力,而且由于人为因素较多而造成产品质量不稳定,因此采用自动控制十分必要。为此,我们设计了一套控制系统完成整个生产的优化控制和管理。 

1 复合肥生产工艺简介 

　　复合肥生产工艺中需将几种原料按比例混合后进入造粒机,尿素溶解后形成尿液经尿液泵、调节阀、流量计也进入造粒机,同时进入造粒机的还有热水、蒸汽、泥浆。造粒后粒状物输送到烘干机,某些不符合颗粒要求的粒状物再返回到配料区与原料混合后重新进入造粒机。其工艺流程简图如图1所示。

　　生产中工艺参数较多,有各种原料的配比、各原料的养分、原料量、返料量,尿素溶解工艺中水和尿素的比例,生产现场还有许多温度、液位、压力、流量需显示和控制,生产线上" title="生产线上">生产线上相关设备的开启存在连锁,一些回路之间还有比值关系。因此适合用集散型控制系统来完成整个生产线的监控。 

2 系统构成 

　　本集散型控制系统对复合肥车间的造粒机、烘干机和所有皮带秤、提升机、皮带机、除尘发送罐、返料破碎机等设备进行自动控制。造粒机的检测控制参数为水量、蒸汽量、尿液量、泥浆量;烘干机的检测控制参数为热风炉炉头温度、三个热风机的进出风温度;尿素溶解工艺中检测控制参数为溶解槽液位、温度;皮带秤的检测参数为通过秤的物料重力和速度信号,控制参数为电机转速。系统中开关量为设备的开启信号,根据生产线的生产顺序,对于生产线上各种设备的开启和工况进行连锁控制,即后道工序要以前道工序的正常运行为前提。整个系统共有模拟量输入41个、模拟量输出17个、数字量" title="数字量">数字量输入56个、数字量输出45个。系统采用如图2所示的PC+PLC的双层结构模式。需经常在现场操作的,即包装工段和配料区的部分皮带秤,采用威达工控的牛顿7000系列产品开发的控制仪进行控制,其它皮带秤由PLC直接控制。 

　　系统的上位机" title="上位机">上位机为两台PC机。其中一台在现场站,它在车间控制室,用于监控生产工艺数据,并能对生产线进行操作及设定各参数,是主要监控设备。由于使用条件比较恶劣,故要求可靠性较高,选用台湾研华IPC-610工控机,PCA-615/586型CPU卡、128M内存、20G硬盘。另一台PC机在远程站,它在车间办公室,主要用于监控工艺数据和生产情况,通常不对生产线进行操作,因此利用了办公室原有的PC机。 

　　系统的下位机为PLC。根据车间生产设备分布情况,下位机选用两台SIEMENS的S7-315PLC,分别放置于两个控制室内。PLC的每个控制单元的输入、输出模块通道都略有盈余,便于功能扩展和维护,其具体配置如下: 

　　PLC1的配置为:PS307电源模块一只,CPU315一只, 8通道模拟量输入模块SM331两只,4通道模拟量输出模块SM332一只,32通道数字量输入模块SM321一只,32通道数字量输出模块SM322一只。 

　　PLC2的配置为:PS307电源模块一只,CPU315一只,IM365接口模块一对(用于两个机架间通信), 8通道模拟量输入模块SM331四只,4通道模拟量输出模块SM332四只,32通道数字量输入模块SM321一只,32通道数字量输出模块SM322一只。 

　　上位机和下位机之间采用了SIEMENS的MPI网络连接。两台上位机都是通过MPI接口卡(CP5611)和MPI总线相连。由于远程站离现场较远,故采用RS485中继器,用来放大总线上的数据信号。这样连接的好处有: 

　　(1)正常使用时,把远程站的操作权限设定为最低,使其只能监控生产线,而不能修改参数、操作生产线,所有的操作都在现场站完成。一旦现场站有故障,可以随时切换到远程站上进行操作,只需用操作权限高的身份登录,远程站就代替了现场站进行各种操作; 

　　(2)由于两台上位机都通过MPI卡和MPI网络相连,所以数据传输速度快,并且稳定可靠; 

　　(3)相对于组态软件已提供的双机冗余功能,这种方法的优势在于切换时间、可靠性等方面,更适合于本系统。 

　　所有的控制工作都由PLC完成,上位机只负责提供人机交互界面,进行数据显示、存储、统计和报表打印,PLC能脱离上位机正常工作,同时配有电池,可以保存系统的设定参数和现场状态参数。在系统运行过程中,PLC一直与上位机实时通信,从而保证界面上显示的数据和现场实际数据相一致;操作人员在上位机上发出的操作命令和设定的参数也都可以实时地送到PLC上执行。生产线上所有的设备都有现场手动开关,可随时脱离控制系统转换到手动操作模式,而不影响整条生产线的工作,便于设备维护,增进了系统可靠性。 

3 系统控制软件的设计 

3.1 7188程序设计 

　　如前所述,部分皮带秤采用威达工控的牛顿7000系列产品开发的控制仪进行控制。7000系列产品适合工业现场离散数据采集和控制,其最大特点是使用灵活方便,可根据不同的需求选择相应的模块,从而组建成各种应用系统。本系统中用了7000系列产品中的四种模块。用ICP-7188作为主控模块;用ICP-7016采集秤体的重力信号和输入的设定流量;用ICP-7080采集速度信号(来自皮带秤电机上的脉冲信号);7021输出秤的瞬时流量信号(4～20mA)。各模块间和变频器之间通信采用串行通信。人机界面由六位数码管和轻触按扭构成,可以设定各种参数。7188程序由C语言编制,采用模块化程序设计" title="程序设计">程序设计。程序共分以下几个主要模块: 

　　(1)I/O采集模块  完成重力信号(mV信号)的采集,速度信号(脉冲频率)的采集,7021的控制,对变频器的控制(包括频率设置、启停控制); 

　　(2)秤核心控制及存储模块  完成初始化操作,状态转换分析,自动控制、测皮控制、标定控制及数据存储操作; 

　　(3)键盘分析模块  分析键盘的输入,决定系统的数据变化及显示;  

　　(4)显示模块  显示各类数据。 

　　累计量、设定量等需记忆的频繁变化量,存储在7188 NVRAM中(共31byte)。皮重、标定系数等需记忆但变化不频繁的参数,存储在E²PROM中(共2Kbyte)。E²PROM中的数据只有改变后才存贮,NVRAM中的数据每秒存储一次。 

3.2 PLC程序设计 

　　PLC完成整个车间的数据采集和控制,编程采用SIEMENS的STEP7开发实现,STEP7不是面向对象的程序设计语言,我们在具体编程时借鉴面向对象的程序设计思想。例如在配料秤的控制上,将配料秤的控制集中到一个功能块(FB)中,不同的秤配以不同的数据块(DB)。这样就实现了面向对象的程序设计中的数据和代码的分开,简化了设计程序的工作量。具体设计程序时,对于AI、DI可直接读入某一DB中,由上位机读取;对于回路控制,可利用STEP7中的PID控制功能块(FB41)实现。在实际调试中,整定参数后,基本能满足控制要求。PLC除了完成数据采集和控制外,把一些工艺数据计算(如产品养分分析、产量累计等)也放到PLC中进行。这样即使上位机有故障或其与PLC通信有故障,关键数据也不受影响。 

3.3 上位机监控程序设计 

　　上位机操作系统采用Microsoft的Windows98,其通用性好、功能强。考虑到性能价格比,工控软件选用国内产品——北京亚控的“组态王”。“组态王”是一国产的工业组态软件,它以Windows98/Windows 2000/Windows NT4.0 中文操作系统作为其操作平台,充分利用了Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点,具有强大的控制功能,内部采用了类C语言,基本满足控制的要求。采集和显示数据的功能也较完善,只要安装好设备的驱动程序就能与各种PLC、智能仪表、板卡及变频器等设备进行通信,还可以与其它计算机相连,组成一个企业的分布式生产管理网络。与国外著名的组态软件相比,价格低是“组态王”的最大优势。利用它设计了如下画面: 

　　(1)各工段工艺流程显示  提供形象、直观的工艺流程图画面,所有的开、关操作都可在这类画面上实现。同时,流程图中的所有现场设备及仪表都可查询设备名称、设备号、仪表号及测量信号名称。另外,所有监测点和控制点的参数及设备启停状况都反映在流程图上; 

　　(2)配料参数画面  可在该画面上输入与配料相关的各种参数; 

　　(3)造粒机参数画面  造粒机是复合肥生产工艺中重要的设备,与之相关的参数也较多,在此画面中可设定和显示各个相关参数; 

　　(4)配粒秤参数设定画面  部分配料秤是由PLC直接控制的,其参数设定、标定、测皮等都在这个画面中进行; 

　　(5)模拟量显示与设定  对一些模拟量工艺参数,除了在流程图上对应的测量点显示测量值外,还在此画面上用表格显示各参数的信息,包括测量值、设定值、最大值、最小值、报警上下限等。用趋势曲线监视参数变化情况或历史变化情况,使操作人员全面了解参数状态; 

　　(6)开关量汇总画面  该画面集中显示了各工段开关量输入/输出的状态,可以启停设备,对一些参与连锁的设备还可设定是否参与连锁; 

　　(7)控制回路操作画面  显示了各控制回路的设定值、实际值、输出控制量、手/自动状态,并可在线整定PID参数; 

　　(8)报警画面  该画面在有报警时自动弹出,对设备故障和参数越限进行实时报警,还可以查询报警历史情况,便于管理人员了解生产情况; 

　　(9)报表画面  显示了生产线上一些关键数据的实时或历史数据,并可打印输出。 

　　通过这些画面,可以对整个生产车间全面地监控,满足了厂家要求。 

3.4 尿液量与混料量的比值调节程序设计 

　　在复合肥生产线上,混合料皮带秤要将几种原料按配比混合后送到造粒机,同时还要根据进入造料机的原料量按一定比例调节送入尿液量。本文所介绍的系统是改造项目,某些设备的位置受原车间设备排列影响较大,如混合料皮带秤到造粒机之间距离较远,传输需一段时间,即混合料流量和进造粒机的物料流量有一段延时。同时受返料量变化等影响,混料量变化有时较大,引起尿液量设定量变化也较大,结果造成尿液控制回路有较大的误差。鉴于以上原因,我们利用组态王命令语言(类C语言)较容易地解决了此问题,程序流程如图3所示,每秒执行一次。程序中定义两个数组,长度为TaveMAX和TdelayMAX,分别用来计算流量平均值和延时,其数据结构为队列,即数据先进先出。Tave是平均时间(单位:秒,最大为TaveMAX),Tdelay是延时时间(单位:秒,最大为TdelayMAX),两者都可通过界面改变大小。

4 生产优化管理设计 

　　由于系统把生产线上的关键数据都采集到控制系统中,所以能完成分散仪表型控制设备难以胜任的一些高级功能,如某些回路的模糊控制,各控制回路间相关控制等。本系统结合复合肥生产的特点,实现了生产优化。由于复合肥生产需要数种原料,各原料的成分和价格各不相同且不断变化,如何选择原料使成品生产成本最低是厂家十分关心的问题。这项工作通常由企业化验室或工艺部门决定,造成与生产过程脱钩、计算周期长和人为因素多,难以保证得到最优结果。在本系统中, 系统成功地实现了配方实时智能计算功能,保证了成品成本时刻处于最优状态。这主要通过以下两个步骤实现。 

　　(1)由于返料是半成品,其成分和原料不同,故在生产中不断计算中间产品混料后物料的成分,根据计算结果调节进造粒机的尿液量、泥浆量,使产品养分保持稳定;  

　　(2)根据各原料的成分、库存及价格,不断计算能否实现所需的复合肥,同时利用带参量的线性方程实时跟踪生产过程,定时改变配比方案或给出建议,实现成品成本最优。 

　　生产过程中若原料的种类、成份、价格等因素发生变化,可在配料参数画面中修改相应的原料表,系统就根据修改后的参数实时计算并控制,相应的分析数据可供生产管理人员参考。 

以PLC或智能仪表作现场控制器,以工控机配置组态软件作为上位机,实现数据联网共享,是目前工厂自动化的流行配置。本文所介绍的系统即为一典型应用,它投入实际运行近一年,效果较好。与此类似的系统也有几套在江苏、湖北、辽宁等几个大中型化肥厂的复合肥车间投入使用。我国目前化肥厂复合肥改造项目较多,该系统具有极大的推广价值和应用前景。 

参考文献 

1 STEP 7 V5.0编程手册.SIEMENS公司,2000 

2 王常力,廖道文. 集散型控制系统的设计与应用. 北京:清华大学出版社,1993 

3 组态王6.0使用手册. 北京亚控公司,2001 

4 崔巍,张文修. 一种基于PLC的模糊控制方法.机电一体化,2001(3) 

5 徐 玲,潘丰,刘飞,须文波.DCS在柠檬酸发酵过程控制中的应用.工业仪表与自动化装置,2001(2)