一、前言

　　隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高，可編程序控制器（PLC）的使用越來(lái)越普遍，PLC使用簡(jiǎn)單方便，故障率低，對現場(chǎng)環(huán)境要求不高，因而倍受青昧。在目前的很多自控系統中，常常選用PLC作為控制設備，用于數據采集和控制，而在系統上位機上利用組態(tài)軟件來(lái)完成工業(yè)流程及控制參數的顯示，實(shí)現生產(chǎn)監控和管理等功能，KDON300／5000空氣分離裝置中自控系統就是采用PLC控制方式。

　　二、系統概況

    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(diǎn)不同，先使之液化再進(jìn)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(jìn)入HXK-15000／8.0型純化器，去除H2O、CO2、C2H2等，凈化后的空氣進(jìn)入分餾塔，通過(guò)主換熱器及液化器與返流的低溫廢氣、產(chǎn)品氮氣進(jìn)行熱交換，然后進(jìn)入精餾塔底部，經(jīng)過(guò)精餾分離為產(chǎn)品氮氣和富氧液空，塔底液空經(jīng)過(guò)冷后節流進(jìn)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(guò)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(hù)。

    2.自動(dòng)控制

　　自動(dòng)控制系統采用美國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的操作站。該自動(dòng)控制系統實(shí)現對空分裝置的空氣壓縮機系統、預冷系統、分餾塔系統、透平膨脹機系統、純化系統等工藝過(guò)程的監視和控制.

　　該自動(dòng)控制系統的控制站和操作站一個(gè)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(gè)VersaMax I／O模塊組及兩個(gè)操作站組成?？刂普镜?0—30系統采用機架式結構，I／O模塊組采用具有緊湊和開(kāi)放式結構的VersaMax I／O系統?？刂普就ㄟ^(guò)GBC模塊與I／O模塊組的Genius接口模塊以Genius總線(xiàn)方式連接，從而實(shí)現對I／O模塊點(diǎn)的采集和控制。系統的所有控制站、操作站將通過(guò)以太網(wǎng)連接，控制站中配置具有10Mbit／s雙絞線(xiàn)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(lái)共同實(shí)現局域網(wǎng)連接。

　　三、網(wǎng)絡(luò )結構

    整個(gè)控制系統分為兩層網(wǎng)絡(luò )

    （1）最底層使用CE的Genius總線(xiàn)，實(shí)現90—30PLC控制器對I／O模塊組控制。

    （2）上層90—30 PLC控制器通過(guò)10Mbit／s以太網(wǎng)與上位機聯(lián)接，操作站的通過(guò)以太網(wǎng)卡與相應的PLC通訊，實(shí)現對空分系統的實(shí)時(shí)監控。

    （3）該控制系統以后能夠很方便的與其他計算機網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接，上位機通過(guò)以太網(wǎng)能與工廠(chǎng)管理網(wǎng)聯(lián)接，上位機中冗余的Cimplicitv HMI通過(guò)Web服務(wù)器功能，實(shí)現與工廠(chǎng)遠程調度的通信。

　　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(gè)VersaMax：I／O模塊組組成，每個(gè)控制器和I／O模塊組通過(guò)一條自己的Genius網(wǎng)絡(luò )和I／O模塊組通信，當主控制器出現故障時(shí)，備用的控制器立即自動(dòng)投入控制，不會(huì )影響對I／O模塊組的控制，仍能進(jìn)行數據采集、數據存儲、模擬控制、順序控制等功能。

　　GE-Fanuc90—30 PLC特點(diǎn)：該PLC結構小，配置靈活，提供了開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )結構，提供多種網(wǎng)絡(luò )接口和先進(jìn)的編程特性。內置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(luò )和通道級故障，并提供PLC和I／O故障表，便于定位故障時(shí)間和目標以排除故障。

　　VetsaMax I／O模塊的特點(diǎn)：該系統的產(chǎn)品為模塊化和可擴展結構，是現代開(kāi)放式控制系統最佳的解決方案。I／O模塊和通信模塊都可帶電插拔，自動(dòng)配置I／O地址，真正的即插即用，無(wú)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(wú)電纜連接，I／O模塊裝卸時(shí)無(wú)須變動(dòng)現場(chǎng)接線(xiàn)，易擴展，系統具有高可靠性和連續性，先進(jìn)的故障診斷，可診斷網(wǎng)絡(luò )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(guò)載保護，拔掉模塊的狀態(tài)可預先設定，開(kāi)放的結構，支持多種網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議（Modbus、RTU、Profibus、Genius總線(xiàn)、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，安裝Cimplicity HMI組態(tài)軟件。兩個(gè)操作站都通過(guò)配置的以太網(wǎng)卡連接在系統網(wǎng)絡(luò )上，兩臺上位機均可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )獲取網(wǎng)絡(luò )上所有PLC的數據，實(shí)現對現場(chǎng)的監控。

　　中控室的兩套操作站組成冗余服務(wù)器系統，一套安裝Cimplicity HMI 300點(diǎn)監控軟件開(kāi)發(fā)版，另一臺安裝Cimplicity HMI 300點(diǎn)運行版軟件，正常工作時(shí)兩臺上位機可以同步操作，可以進(jìn)行監控畫(huà)面的組態(tài)、數據點(diǎn)的建立功能，并始終保持數據同步，當一臺上位機故障（軟硬件或通訊故障），它將自動(dòng)被切除，由另一臺執行所有的功能，當故障的上位機恢復后，可以自動(dòng)切回執行控制。兩臺上位機通過(guò)以太網(wǎng)直接從PLC讀取各類(lèi)數據，從而實(shí)現對工藝過(guò)程的狀態(tài)監控和報警、趨勢的顯示功能?？梢詫?shí)時(shí)數據錄入ACCESS數據庫，形成通用的數據庫格式，實(shí)現整個(gè)裝置數據的集中處理功能，編制各類(lèi)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(guò)以太網(wǎng)共享打印機，用于數據、報警、報表、趨勢的打印。

　　以后當公司需要遠程監控時(shí)，其中作為主服務(wù)器的上位機，可以同時(shí)作為Web服務(wù)器，用于實(shí)現遠程監控，通過(guò)公司局域網(wǎng)絡(luò )（以太網(wǎng)或電話(huà)線(xiàn)）可以把現場(chǎng)的設備狀態(tài)、報警、流程圖等HMI畫(huà)面傳送到廠(chǎng)調度、公司調度或網(wǎng)絡(luò )上的任何一臺終端上，在遠程客戶(hù)端可以通過(guò)IE瀏覽到以上內容。

　　五、軟件

    1.系統操作系統

　　采用Microsoft Windows 2000 NT

　　2.PLC編程軟件

　　GE 90-30 PLC編程、實(shí)時(shí)監控和系統診斷維護軟件：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(yǔ)句多種編程方式。

    （2）圖形式硬件組態(tài)畫(huà)面，離線(xiàn)開(kāi)發(fā)梯形圖程序，在線(xiàn)編輯、監控和修改初始值，可以使用變量名引用I／O點(diǎn)；支持浮點(diǎn)運算、PID功能、子程序中斷。

    （3）4個(gè)等級密碼程序保護，子程序加密。

    （4）在磁盤(pán)上自動(dòng)存儲程序，可打印程序和配置、變量交叉引用表。

    （5）通過(guò)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(xiàn)監控內存狀態(tài)，強制I／O狀態(tài)，設置CPU實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

    （6）強大的診斷功能，提供PLC和I／O兩個(gè)故障表，清晰地指出故障時(shí)間、部位和內容。

    3.操作站監控軟件

　　采用Cimplicity HMI開(kāi)發(fā)版和運行版各一套，其中一套300點(diǎn)開(kāi)發(fā)版支持工藝的開(kāi)發(fā)的需要，另一套300點(diǎn)版用于中控室對空氣分離裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)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。內部采用多線(xiàn)程技術(shù)，從而能完成復雜的任務(wù)。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(shù)，從而可以方便的使用第三方控件。

    （3）Cimplicity HMI與SQL Server結合，能完成數據、報警和事件的自動(dòng)登錄和日常的數據庫維護。通過(guò)ODBC與數據庫連接，提供與SQL數據庫操作的接口命令。

    （4）可以通過(guò)給不同用戶(hù)分配不同的角色和資源來(lái)完成系統的安全授權。

    （5）界面設計 針對本生產(chǎn)線(xiàn)工段多、生產(chǎn)工藝復雜、監控變量多等特點(diǎn)，為避免用戶(hù)在監控時(shí)頻繁切換窗口和監視方便，采用Frame Container將各工段的實(shí)時(shí)界面、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)、報警信息和數據查詢(xún)打印報-表等界面置于一個(gè)Frame Container中。在相應的屬性頁(yè)標簽的Mouse Up事件的響應腳本中。

    （6）設備點(diǎn)的定義 Cimplicity的設備點(diǎn)用來(lái)完成I／O功能。I／O點(diǎn)的實(shí)現是所有組態(tài)軟件的技術(shù)核心，也是組態(tài)軟件的一個(gè)重要部分。

    （7）故障報警這里把報警分為兩類(lèi)：現場(chǎng)報警和通信報警?，F場(chǎng)報警，即從PLC采集到的報警點(diǎn)。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(dòng)Alarm Sound Manager。這樣在報警發(fā)生時(shí)，將會(huì )有不同的報警聲音。

    （8）數據庫 本系統的后臺數據庫是SQL Server。通過(guò)數據源與Cimplicitv相連。

    （9）用戶(hù)授權 為了便于管理和系統安全，用戶(hù)權限為兩級進(jìn)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(guò)分配不同的角色（Roles）和資源（Resource），使這類(lèi)用戶(hù)只具有瀏覽各個(gè)界面、打印報表、處理報警的權限，而沒(méi)有對工程進(jìn)行重新配置、調整控制參數、停止系統運行等高級權限。

    （10）打印報表。Cimplicity HMI有很強的打印功能。

　　六、系統功能

    （1）流程圖的動(dòng)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(guò)程各種流程圖畫(huà)面的組態(tài)。通過(guò)動(dòng)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(diǎn)連接起來(lái)，在運行狀態(tài)下，實(shí)現流程的動(dòng)態(tài)顯示（如顏色變化、動(dòng)態(tài)填充、數據動(dòng)態(tài)顯示等）。工藝生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行放大，便于分分組顯示。流程圖上有實(shí)時(shí)過(guò)程動(dòng)態(tài)參數顯示：

    （2）測量值顯示 儀表測量值用棒圖方式實(shí)時(shí)顯示。測量值的上下限可以組態(tài)和修改，并可以自動(dòng)進(jìn)行工程量轉換。

    （3）報警顯示 所有開(kāi)關(guān)量點(diǎn)和模擬量點(diǎn)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據庫中，用于記錄和打印。具有內置的報警圖例，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)來(lái)滿(mǎn)足現場(chǎng)的要求?？山M態(tài)多幅報警畫(huà)面，報警可以根據等級被分類(lèi)、分組顯示在不同的報警畫(huà)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(shí)時(shí)趨勢和歷史曲線(xiàn)可以在同一張圖表上，同一張圖表上可以有來(lái)自不同數據源的數據，每個(gè)圖表的曲線(xiàn)不受限制，在運行時(shí)可以動(dòng)態(tài)改變趨勢和增加趨勢曲線(xiàn)。

    （5）設定值更改操作方便可以通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標方便地在上位機上進(jìn)行現場(chǎng)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(hù)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(jìn)行操作。

    （6）數據處理和存儲 采用Cimplicity HMI標準的ODBC接口作數據登錄。報警、事件和數據點(diǎn)均可以登錄到Microsoft Access數據庫文件中或其他數據庫中?？梢岳梅螼DBC標準的應用程序（如Excel）檢索這些數據，產(chǎn)生報表。中控室的上位機進(jìn)行數據的集中處理。

    （7）班、日、月、年報表的產(chǎn)生 利用上述數據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(pán)。

    （8）豐富的圖表和曲線(xiàn) 各種壓力、溫度過(guò)程變化曲線(xiàn)、精餾塔純氧塔液位變化過(guò)程曲線(xiàn)、產(chǎn)品氮氣、氧氣計量累計曲線(xiàn)、事故報警總表等，分日、月時(shí)段并銜接，以月為單位存入磁盤(pán)。

　　七、結束語(yǔ)

　　空氣分離PLC系統采用成熟和先進(jìn)的控制技術(shù)，具有豐富和開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )接口，編程軟件包和監控軟件包技術(shù)成熟、使用方便；系統各硬件的設計符合國際標準，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運行，整個(gè)系統運行平穩，安全可靠，生產(chǎn)參數實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)異常及時(shí)報警，消除了安全隱患，PLC系統控制精度高，確保了空氣分離裝置高效經(jīng)濟運行。