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张霆-火车自动定量装车控制系统的开发与研究

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张霆-火车自动定量装车控制系统的开发与研究张霆-火车自动定量装车控制系统的开发与研究 硕 士 学 位 论 文 火车自动定量装车控制系统的开发与研究 The Development and Research of the control system of automatic train Ration Loading 作 者 姓 名: 学科、专业 : : 学 号 指 导 教 师: 完 成 日 期: 大连理工大学 Dalian University of Technology 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下...

张霆-火车自动定量装车控制系统的开发与研究
张霆-火车自动定量装车控制系统的开发与研究 硕 士 学 位 论 文 火车自动定量装车控制系统的开发与研究 The Development and Research of the control system of automatic train Ration Loading 作 者 姓 名: 学科、专业 : : 学 号 指 导 教 师: 完 成 日 期: 大连理工大学 Dalian University of Technology 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知~除了文中特别加以标注和致谢的地方外~论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果~也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名: 日期: 摘 要 石油化工液态类物料鹤臂管装车装置系统是石油化工类企业沿用已久的通用装置系统,已有很长的使用历史。常规液态类物料鹤臂管装车装置系统是由有动力源(带压) 物料总管和装车鹤臂管系统组成。其装车的全过程操作都是由操作工人现场观测和手动操作完成的。 定量装车控制装置系统是将仪表自动化控制技术、计算机控制技术、网络技术、通讯技术和传统的鹤臂管装车系统技术等有机结合起来,实现了液态类物料装车系统的自动化分散控制和集中管理功能。 本文以中石油五厂液化气、-35#柴油、液蜡站台为背景开发了自动定量装车监控系统,系统由上位机和下位机两部分组成。通过对过程工艺的分析与研究,确立了监控系统的控制对象和控制目的,设计的监控系统真正成为了面向用户的监控系统。在本系统中,上位机软件由工控组态软件开发而成,具有实时监控各生产参数的功能;下位机采用可编程控制器(PLC),较好地完成了现场控制的需求,解决了工业控制领域中普遍关心地可靠性问题。 本文给出了自动定量装车监控系统的总体 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 、系统硬件组态、网络通讯配置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及程序的开发方案。阐明了基于Intouch组态软件的上位机监控程序的开发过程。应用通用的GE RX3i型PLC为下位机,实现了现场信号的采集、处理、及控制功能。同时,完成了整套监控系统的安装与调试工作。本系统具有远程控制、报警监测、历史趋势曲线查询、报表打印等较为全面的功能。现已投入生产,系统运行稳定,工作良好。 关键词:定量装车,可编程控制器,组态软件,监控系统 The Development and Research of the control system of automatic train Ration Loading Abstract Ration loading of Petrochemical liquid material pipes is Well-established general system devices in Petrochemical Enterprises and has a long history of use. The conventional ration loading of Petrochemical liquid material pipes is composed of Power source material Explorer and loading pipes system. The whole process of loading operations is operated by observation of workers on-site and manual operation. Ration loading control system combines automation instrumentation control technology, Computer control technology, network technology, Communication Technology and traditional pipe loading system technology, achieving automatic distributed control and centralized management function of liquid material loading system. Based on the control system of the automatic fixed amount packs of cars reconstructing of LPG, -35#diesel oil and liquid wax in CNPC, through research and analysis of the technical process, a monitoring system including monitoring software and working site controller was developed. Using PLC widely in this system for the security and reliability that are always paid more attention in industrial control field. The people oriented monitoring software is developed by configuration software with the advantages of low-cost and short developing period. In this paper, the total design plan, hardware configuration and network communication plan of the automatic fixed amount packs of cars monitoring system are given. The computer monitoring software of public parameters based on Intouch is developed, and GE Rx3i PLC is used as the lower level controller on site. The control system has many functions including remote control, alarm, data processing, history trend display, automatic report printing. After the installation and the commissioning, the system works steadily and well now. Key Words:Ration loading;PLC;Configuration Software;Online Monitoring System 一 绪论 1(1 自动化定量装车的现状 1(2 炼油厂装车存在的主要问题 1(3 本论文研究的意义和目的 1(4 本论文主要研究内容 二 装车工艺 2(1 定量装车的方式 2(2 液化气装车工艺 2(3 -35#柴油和液蜡装车工艺 三 系统设计方案 3(1 系统组成 3(2 过程监控系统配置 3(3 设备控制级系统设计 3(4 系统主要技术指标 3(5 系统的环境要求和安全要求 3(6 系统各部分供电规格及电量 四 PLC在装车系统中的应用 4(1 PLC概述 4(1(1 PLC的产生与现状 4(1(2 PLC的优缺点 4(1(3 PLC的基本组成与主要功能 4(1(4 PLC的发展趋势 4(2 GE PLC的特点 4(3 PME编程软件 4(3(1 PME简介 4(3(2 PME标准软件包 4(3(3 梯形图LD编辑器 4(4 PLC控制与监控程序的开发 4(4(1 项目的建立 4(4(2 基本参数的设置 4(4(3 梯形图程序设计 4(4(4 modbus通讯设置 五 Intouch的应用与监控系统的开发 5(1 组态软件概述 5(1(1 组态软件的定义 5(1(2 组态软件的背景和现状 5(1(3 组态软件的发展趋势 5(2 Intouch概述 5(2(1 Intouch的软硬件需求 5(2(2 Intouch的功能和特点 5(3 用Intouch开发组态软件 5(3(1 项目的建立 5(3(2 系统参数设置和变量的定义 5(3(3 用户管理 5(3(4 液化气装车工艺界面设计 5(3(5 -35#柴油和液蜡装车工艺设计 5(3(6 装车状态总揽的设计 5(3(7 实时报警界面的设计 5(3(8 历史趋势界面的设计 5(3(9 报表的打印 5(4 Intouch和PME 的通讯 5(5 试运行与现场调试 一 绪论 1(1 自动化定量装车的现状 石油化工液态类物料鹤臂管装车装置系统是石油化工类企业沿用已久的通用装置系统,已有很长的使用历史。我国地域辽阔,石油产品的运输主要以铁路罐车为主,约占运输总量的70%。常规液态类物料鹤臂管装车装置系统是由有动力源(带压) 物料总管和装车鹤臂管系统组成。其装车的全过程操作都是由操作工人现场观测和手动操作完成的。 定量装车控制装置系统是将仪表自动化控制技术、计算机控制技术、网络技术、通讯技术和传统的鹤臂管装车系统技术等有机结合起来,实现了液态类物料装车系统的自动化分散控制和集中管理功能。解决了石油化工液态类物料装车作业中存在的工艺管线的水击现象、和装车作业过于繁忙的问题。提高系统装车精度和效率,降低了损耗,减轻工人的劳动强度,为企业实现生产全过程自动化控制和采用高科技企业管理技术提供了条件。 以前的装车出厂,仅以地衡的方法为主。由于系统不完整,这种操作方式容易受到各种因素的干扰,如计量准确度达不到规定值,企业和用户之间时常发生计量纠纷,又由于在装车过程中没有计量控制手段,操作人员必须站在装车口处监控液位,装车口散发的大量油气包围着工人,直接影响到职工的身心健康,如稍不注意,就会发生跑、冒车等事故,也给安全生产带来较大危险。 近年来,随着石油化工装置生产规模的提升,需装车转运的生产过程中的中间物料和成品物料如何快速高效地完成装车、降低人工成本、实现装车自动化日益显得十分迫切。我国火车油罐计量装车系统基本上是以小鹤管人工付油手工检尺作业为主,技术相当落后,因此发展和完善铁路罐车装车设备,具有十分重要的意义:一是可以提高劳动生产率降低生产成本,使企业在激烈的市场竞争中立于有利的位置;二是有利于市场交易的客观性及公平性,有利于与国际贸易接轨;三是可以消除装车过程中形成的静电、溢油等不安全隐患,有利于安全生产;四是减少装车过程中造成的挥发损失,有利于企业的增效和环境的保护。 1(2 炼油厂装车存在的主要问题 火车罐装装车方式按装油管口与罐车的相对位置及鹤管的大小和材质可分为两大类:一类是以装油管口与罐车的相对位置划分为液下装车、中部装车、顶部喷溅式装车;另一类分类方法是以鹤管的大小分类,分为大鹤管、小鹤管、软胶鹤管装车等。国内现有的装车系统大多在以下几个方面存在一定的不足。 (1)自动化水平不高 目前我国运行中大鹤管或小鹤管装车系统基本处于手工操作状态。操作水平更多的依赖于操作人员的经验和熟练程度,操作中没有一个友好的操作界面,使操作人员方便快捷地了解现场信息。有时会造成误操作,工作效率低,劳动强度大。由于采用人工操作,批量付油控制精度较低。 (2)可靠性及安全性设计不理想 可靠性与安全性永远是工业生产中重要的因素,尤其是对于石化行业,可靠性与安全性更为重要。目前由于仪表等有关设备的落后,往往会使可靠性降低,事故率增加,其原因主要在于设计的不完善。 (3)自动化管理水平低 一般在一个装车场地都有几个到十几个栈桥,每个栈桥在生产中都产生大量生产数据,这些数据无论对内部的生产管理、生产调度、效益评估,还是对外部的付油计量数据的交割都是极为重要的。而目前大多数炼油厂付油装车管理仍较原始,几乎所有的装车生产数据是人工统计,造成数据的时效性差,指导不及时,且易产生较大的误差。 1(3 本论文研究的意义和目的 我国加入WTO之后,迫切需要我国石油储运现代化水平快速与国际接轨。自动化定量装车控制和管理系统曾经历了一个较长的发展时期,各种系统操作方式各异,水平也参差不齐,其中还存在着许多人工开票、开阀、手动控泵的原始装车手段。这些系统一方面是可靠性不高,影响经济效益;另一方面没有运用现代化信息技术使有关人员能够方便及时地了解现场的实时运行情况以及历史生产信息,不能为生产调度决策提供可靠的数学依据,同时也不利于提高整个企业的科学化管理水平。我国石油储运自动化技术与国际先进水平有一定差距,石油销 售企业的装车运输自动化水平比发达国家落后十几年。各种计量仪表的精度较低,稳定性较差,控制系统的控制精度比较低,信息化管理水平不够健全。 为了克服人工操作、管理带来的弊端,减少环境污染、提高储运管理作业的效率和石油化工企业的整体效益,以适应经济发展的需求。锦西石化分公司采用机械自动化程度高、安全可靠性好、便于操作维护的自动液下装车小鹤管对液化气(8个鹤位)、-35#柴油(10个鹤位)及液蜡(5个鹤位)火车装车栈桥进行改造,采用PLC系统,完成装车全部自动控制。改造后将实现生产及管理自动化、标准化,信息数据网络化,控制程序化。 本课题在分析了目前栈台装车控制系统中存在的问题,从客观实际情况出发,设计一套通用性强,安全可靠,自动化程度较高的小鹤管液化气定量装车监控系统,解决老式装车控制和管理系统中存在的问题,提高装车的自动化水平,缩短与国际先进水平的差距。 1(4 本论文主要研究内容 (1) 在了解液化气,-35#柴油及液蜡定量装车系统工艺基础上确定控制方案; (2) 定量装车控制系统设备选择 (3) 下位机GE PLC控制程序开发设计 (4) 上位机监控软件Intouch组态设计 二 装车工艺 2(1 定量装车的方式 国内油品灌装系统,普遍使用“人工检尺”的方法,即通过体积测量得到油品的质量。由于体积测量受温度,压力,密度,粘度等因素的影响,计量精度显然无法保证;计量过程有人的参与不可避免地会产生认为误差,同时增加了系统的不准确性。 火车罐车装车方式按照装油管口与罐车的相对位置以及鹤管的大小和材质可以分为两大类:一类是以装油管口与罐车的相对位置划分为液下装车,中部装 车,顶部喷溅式装车;另一种分类方法是按照鹤管的大小分类,分为大鹤管,小鹤管,软胶鹤管装车等。 2(2 液化气装车工艺 液化石油气是一种世界公认的清洁燃料,通常以液态储存(包括常温压力储存和低温常压储存) 和运输,随着生产、储存和运输技术的发展以及人民生活水平的不断提高,不论作为石油化工原料或作为工业、民用燃料,其用途正在不断扩展。但是液化石油气是易燃易爆甲A 类危险物品,一旦发生泄漏就会与空气混合形成体积很大爆炸性气体(1 体积的液体能形成2 500,12 500体积的爆炸性气体) ,对国家和人民的生命财产造成严重威胁,因此,在对有关液化石油气设施的设计和使用时必须遵守相应国家标准、 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和安全规程。 本工程液化气装车共八个鹤位,下位机GE PLC通过Modbus协议分别与8个罗斯蒙特流量计相连以读取流量及其他相关数据,装车方式分为自动和手动两种: (1)自动方式:首先把控制阀设定为自动,再设定充装量(如不事先设定,保护程序则不允许装车),根据具体情况开气相阀(压力不稳定时操作员自行开关)点击液相自动开关便可开始装车,到达设定充装值时下位机经过运算与判断会自动关闭本鹤位的所有阀门。如遇紧急状况点击急停按钮也可关闭本鹤位所有阀门,如需重新装车,需点击复位按钮使下位机PLC重新计数,如是继续装车,重新点击液相自动开关即可,系统会自动累加充装量已完成装车。 (2)手动方式:系统出现特殊情况时需及时调到手动方式(如流量计出现故障或通讯设备运行不正常等等),把控制阀设定为手动,这时操作员可随时开关阀门,但此时需以站台标尺为准来控制开关来完成装车。 2(3 -35#柴油和液蜡装车工艺 -35#柴油和液蜡装车与液化气不用,上位机主要起监视作用,仅有急停开关可以在设备运行不正常时控制关阀。主要采用现场操作箱控制,通过下位机PLC控制程序来完成装车。操作箱简图如下: 文本显示器是用来显示各种实时数据,以便操作者掌握实际情况;当装车阀打开时,流量计随时测量实时流量,到达要求充装量时PLC发送命令,装车阀关闭;操作箱组成如图2,通过各个按钮来控制各个控制阀的状态,以便完成整个装车控制。 装车过程首先在锁位有回讯时按急停键解锁,再放下鹤管,锁位回讯消失,点击开启开始装车,当探头有反馈时PLC程序控制停止装车,人工升上鹤管,程序判断到位使其自锁。 三 系统设计方案 3(1 系统组成 一个比较成熟、能够得到企业认可的在线系统,第一,必须具有适用于工业现场的硬件结构和能与被监控机组同周期运行的高可靠性。第二,系统在机组处于任何运行状态或者运行状态改变时,都不能丢失任何数据。要能采集和保存事 故现场的全部信息,即系统要具有高采样实时性和快速性。第三,系统应具有符合生产实际状况和需要的工程实用分析与诊断功能,以期在生产中充分发挥作用。 基于以上考虑,结合炼油厂成品车间液化气定量自动装车过程的工艺特点和技术要求,系统设计中采用设备控制级和过程监控级二层结构组成的液化气定量自动装车分布式控制系统,系统采用工业以太网和过程现场总线技术,实现了工控机、PLC及现场仪表的通信连接及装车过程的集中管理与分散控制。系统的基本组成如下图所示: 图2-1定量自动装车控制系统组成 系统过程监控由一台工作站组成,设备控制任务由一台GE—90-30系列PLC完成。过程监控级与设备控制级PLC主站间通过工业以太网通讯。现场质量流量计与PLC间采用GE公司的RTU模块基于RS485现场控制总线实现数字通讯。该系统的特点是采用分散将控制结构,充分利用GE公司PLC的特点和能力,实现了系统参数的快速采集与过程控制。 3(2 过程监控系统配置 过程监控级用来完成车间生产设备连接、监控生产管理等。液化气定量装车过程控制系统实现的主要功能为: 采集现场控制信号、过程信号、并进行显示和完成系统设置,实现过程的监督与监控。过程控制计算机采用研华工控机IPC 作为操作站。为解决厂区电磁干扰和满足大容量数据交换,采用100Mbit/s光纤Ethernet环网,该以太网为全双工通信,保证通讯系统高速可靠。PLC主站通过以太网模块将PLC主站联入工业以太网,能有效地将现场控制设备与上位组态软件构成一个完整可靠的系统,实现对现场设备、仪表及过程参数的实时动态监控和 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 。 监控级计算机主要由操作台、工业控制计算机、操作键盘和鼠标、打印机、各种按钮及转换开关、专用电源等组成。 3(3 设备控制级系统设计 设备控制级主要由PLC、传感器、变送器和执行器等组成,其功能主要是对液化气装车进行定量控制,对过程的参数、状态进行采集与处理,实施过程控制与报警,并对监测数据进行上传;接受控制指令与控制设定。 根据过程工艺控制要求,参考GE系列PLC配置及过程处理参量与状态数,将所有过程信号引入PLC控制柜,根据液化气定量装车控制系统设计规格书的要求,PLC系统模块布置如图所示,系统设备配置见表3-1至表3-4。 图3-2液化气定量自动装车控制PLC系统模块布置 表3-1 ,,,系统硬件配置 序号 主站配置 型号 单位 数量 备注 IC693CPU374 1 CPU模块 块 1 5槽主机架底板 IC693CHS397 2 块 1 10槽扩展底板 IC693CHS392 3 块 1 I/O扩展电缆,1米 IC693CBL300 4 块 1 电源模块 IC693PWR321 5 块 2 电源适配器 IC693ACC350 6 块 1 冗余电源机架(0.125米连接IC693ACC341 7 块 1 长度) 开关量32点24VDC输入模块 IC693MDL655 8 块 4 开关量32点24VDC输出模块 IC693MDL754 9 块 3 32点模块连接器 IC694TBB032 10 个 7 RTU/Modbus主模块,包括一个HE693RTM705 11 块 2 RS232口,一个RS485口 表3-2 PLC控制柜 序号 PlC柜 型号 单位 数量 备注 12 空气开关 梅兰日兰C65N2P 个 12 13 开关端子 PHOENIX UK25-MK 个 10 威图2000*800*600,14 机柜 个 1 4806500/4106235 15 端子 PHOENIX UK2.5 个 220 PHOENIX Quint 16 24V电源 块 2 100-240/24V 17 安全栅 MTL5014 个 35 18 继电器 Omron MY2NJ-24V-5A 个 70 按钮、信号电缆、报警器19 套 1 等 表3-3监控系统配置 序号 上位机部分 型号 单位 数量 备注 20 监控计算机 研华IPC610P,P?3.0G12M120G 套 2 21 显示器 DELL21"液晶 台 1 22 网卡 3COM10-100M 块 2 23 备份硬盘 ST7200/分,120G 块 2 24 操作台 白钢(非标准) 个 1 25 打印机 HP1020 台 1 表3-4系统软件配置 序号 软件 型号、规格 单位 数量 备注 Windows2000 26 操作系统 套 2 27 Intouch运行版 Intouch 运行版 套 1 28 Intouch开发版 Intouch 开发版 套 1 PLC编程软件 IC646MPP101 Logic Developer - 套 1 29 PLC Professional 30 OPC软件 OPC软件及组态 套 1 31 编程 PLC编程,Modbus软件 套 1 上位机组态及编程 系统组态及软套 1 32 件 3(4 系统主要技术指标 (1)I/O点数、CPU能力及负荷 系统PLC采用Rx3i系列高性能CPU374 ,主频为133Mhz,处理器扫描时间0.15ms/k,用户逻辑内存240K,2个10M/100M以太网接口,一个串行RS232接口,系统的最大离散点数4096,本系统主站负载能力少于0.2%,远程I/O点数小于200,I/O点数计算见表2-5。考虑控制逻辑与浮点运算及网络通讯速率,CPU的负荷为30%左右,槽位可扩展模块数为5 、各达到 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 要求。 表2-5 I/O点数 信号类型 控 制 检 测 合 计 实际 余量 DI 109 109 128 19 DO 64 64 96 32 (2)通讯总线 PLC与智能仪表间采用RS-485通讯总线,协议为modbus,速率为 19.2KBit/s。 (3) 可靠性指标 平均故障间隔时间MTBF:整机40000小时 MTTR:20分钟(更换模块) 系统可用度:A=0.99999 (4) 实时性 最小采样周期:50ms; 控制周期:50ms,200 ms,500 ms,1s可选; 显示画面切换时间:不大于2s。 (5) 精确度 系统控制装车达到的精度<0.3% (6) 系统容量 系统总容量:系统可同时连接多个鹤位,可扩展。 鹤位I/O单元组态:可根据实际需求实现任意硬件组态。 3(5 系统的环境要求和安全要求 (1) 气候环境适用性 工作温度:0?~60? 工作湿度:20%~90%相对湿度无结露 储存温度:-20?~60? 储存湿度:0%~95%相对湿度无结露 化学物质影响:强碱性溶剂会对外壳造成损伤 (2) 机械环境适应性 抗振动:10~57Hz 0.075mm幅度振动,57~150Hz lg峰值 抗冲击:101g峰值,11ms半正弦波. (3) 电源适用性 工作电压:220V AC?10%,50Hz?1Hz,24VDC (4) 安全要求 接地:机壳接地电阻:,4Ω,屏蔽电阻:,1Ω; 绝缘电阻:电源端子与接地端子之间大于20MΩ; 耐压:供电端与接地端1500V AC,50/60Hz,1分钟。 3(6 系统各部分供电规格及电量 各模块供电及电量 PLC系统:50W,220VAC。 流量计:200W,24VAC。 监控系统:500W,220VAC。 四 PLC在装车系统中的应用 4(1 PLC概述 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工 业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。 4(1(1 PLC的产生与现状 1969年,美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配线上试用,获得了成功。 这种新型的工业控制装置以其简单易懂,操作方便,可靠性高,通用灵活,体积小,使用寿命长等一系列优点,很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年,已经成功地应用于食品,饮料,冶金,造纸等工业。 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时 等。它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。 在70年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样,使PLC得功能大大增强。在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC得应用范围得以扩大。 进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。 4(1(2 PLC的特点 (一) 高可靠性 所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms. 各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。 (二)丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号,如: , 交流或直流; , 开关量或模拟量; , 电压或电流; , 脉冲或电位; , 强电或弱电等。 有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如: , 按钮 , 行程开关 , 接近开关 , 传感器及变送器 , 电磁线圈 , 控制阀 直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口 模块; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。 (三) 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (四) 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (五) 安装简单,维修方便 PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。 4(1(3 PLC的基本组成与主要功能 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图所示 编程器 输输 中央处理单元 出入 (CPU) 电电 路 路 系统程序存储器 系统程序存储器 电源 一. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时,首先它以扫 描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。 二. 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 三. 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。 一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 4(1(4 PLC的分类与发展趋势 (一) 小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下,其特点是体积小、结构紧凑,整个硬件融为一体,除了开关量I/O以外,还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。 (二) 中型PLC 中型PLC采用模块化结构,其I/O点数一般在256~1024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的过程中,直接读输入,刷新输出。它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强,指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快。 (三) 大型PLC 一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块,可以构成三级通讯网,实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统,使机器的可靠性更高。 小型PLC在数量上应用面是最广的。今后的发展趋势主要集中在以下几个方面:基本性能的提高、增强对环境温度的适应性、高速处理和位置功能的提升、增强显示功能、增加集成的模拟量I/O与提高闭环控制功能、加强通信处理功能、用编程向导简化对复杂任务的编程。 目前,PLC的生产逐步国产化。一些大的PLC生产商为了降低成本和贴近用户,纷纷将生产基地迁到中国。PLC是国产化最差的电子产品之一,多年来广大用户一直盼望着有影响力和竞争力的国产PLC的出现。近年来国产PLC有了喜人的发展,出现了不少PLC生产厂家。让我们看到了中国PLC的希望。他们的PLC性能指标接近国外的同类产品。 4(2 GE PLC的特点 Rx3i系列PLC是GE Fanuc系列可编程序控制器家族的一员,提供最先进的编程特性,易于组态,便于安装,独有的创新结构开辟了一条最经济的工业控制途径,为液化气鹤管定量装车控制提供了强有力的系统集成和解决方案。 系列Rx3i性能高,能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型自动化应用系统场合。几年前需由高档PLC完成的任务现在则由系列Rx3i来代替。GE Fanuc不断地推出新产品,扩大使用范围,显示了其技术的领先地位,它的CPU具有强大的功能,如内装PID,结构化编程,中断控制,间接寻址及各种功能模块,能完成复杂的操作。另外系列Rx3i有功能很强的特殊模块可供选择,包括轴定位 模块,高速计数器模块,BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块。GE Fanuc丰富的开关量I/O和模拟量I/O、简化启动和故障自诊以及容易与其他PLC、计算机集成一体的特性,使您确信,系列Rx3i是现在与未来PLC的明智选择。 为了及时解决用户的需求,GE Fanuc还提供第三家工业设备和软件包,合作的结果进一步扩大了系列Rx3i的能力,通用的产品包括:热电偶、热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块。 NATURAL LANGUAGE STATE LOGIC CONTROL 为那些在系列Rx3i编程方面没有经验的用户提供了新的编程方式。有些厂家具有数据采集和控制软件产品,将用系列Rx3i与个人计算机连机。 这些软件包提供的软件和系列Rx3i之间的结合天衣无缝,许多操作接口使用SNP通讯协议与具有内装接口的系列Rx3i进行通讯。 4(3 Logic Developer编程软件 4(3(1 Logic Developer简介 Logic Developer是GE Fanuc PLC的编程工具,属于Machine Edition系列自动化软件中的一个部分。这个软件包提供了多种工具用于创建功能强大的PLC控制程序。Logic Developer可以用于组态PLC控制器或远程I/O站,创建和修改PLC逻辑,上载和下载PLC工程,监视和调试正在执行的控制程序,工程文件也可以从Logicmaster, VersaPro, 和Cimplicity Control 的文件夹中导入。 Logic Developer 可以在个人电脑上进行控制程序的开发,并且通过以太网或串行口/调制解调器下载到PLC中。在Machine Edition 的软件环境中,Logic Developer 提供了大量的、先进的、实用的公共编程工具。Machine Edition 统一的编程环境和共用的开发工具为用户提供了数据共享和网络操作的功能。 4(3(2 Logic Developer的功能块 (1)Hardware Configuration:硬件配置工具,用于组态GE Fanuc PLC的机架式系统或远程I/O系统。 (2)LD Editor:一个智能的,基于图形的梯形图开发工具,用户可以自己定义开发界面和运行环境。 (3)IL Editor:一个便于使用,自由格式的文本编辑器用于创建语句表控制逻辑,用户可以自己定义格式规则和颜色代码,从而使程序更加易读。 (4)C功能块和C程序:独立执行的代码,用C语言进行编写,在Logic Developer之外进行开发,然后进行预编译并被工程调用。 (5)PLC Motion Editor:一个自由格式的运动控制文本编辑器,允许用户使用自己喜欢的风格进行程序开发。 (6)Local Logic Editor:一个基于文本的编辑器,用于开发在IC693DSM314运动控制模块中执行的本地逻辑控制程序。本地逻辑控制程序和PLC CPU中的运动控制模块的程序是同步执行的,但是独立于PLC CPU。 4(3(3 Logic Developer的特点 Machine Edition 提供了一个统一的完整的系统用于解决自动化控制方案和一个集成的开发环境,这样可以使用户花更多的时间在应用程序的开发上而不是学习如何使用软件上。 所有软件的开发都使用同一个工具栏。 不同软件中的单元具有互相拖放的功能。 软件可以针对多种硬件平台进行应用程序开发,用户可以选择程序所运行的硬件平台。 开发过程中随着鼠标的点击,可以自动显示相关的帮助信息。 4(4 PLC控制与监控程序的开发 4(4(1 项目的建立 程序是建立在具体的项目上的,因此,在程序设计之前,必须为程序创建一个项目,名称为ZCPro。在项目名称下插入一个工作站 GE Fanuc PLC 下的PACSystems Rx3i。 4(4(2 基本参数的设置 在Machine Edition中建立工程之后,首先需要设置控制器的一些参数。这些参数设置的正确与否决定着与Rx3i PLC通讯连接的建立是否成功。所以,参数的选择需要严格按照现有Rx3i PLC的型号和配置来完成。 在工作站下组态程序硬件,包括机架、电源、CPU、接口模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、通讯模块。在Machine Edition中组态机架,必须遵循以下规范: (1) 0号和1号槽放置电源模块。 (2) 2号槽只能放置CPU模块,不能为空。 (3) 3号槽只能放置接口模块,如果一个GE PLC工作站只有主机架而没有扩展机架(如本系统),则主机架不需要接口模块,但是3号槽必须留空。 组态时,将相应模块从Machine Edition的硬件列表中拖入相应机架的相应槽上即可。组态完的硬件图如所示。 图4.4 硬件组态图 Fig. 4.4 Hardware configuration 在对控制对象和控制任务进行了分析和统计后,采用以下PLC模块来组成本系统: 电源模块IC695PSD140:将120/230V交流电压转变为24V直流电压,为Rx3i PLC提供电源。 CPU模块IC695CPU310:具有48K字节RAM的程序存储容量,为了扩大存储容量,额外增加了存储卡 以太网模块IC695ETM001:其采用自身的处理器,分担CPU的通讯任务并通过100Mbit/S的工业以太网,将Rx3i PLC直接集成到系统中。其具有结构紧凑、安装简单、接线方便等特点,可以使Rx3i PLC与编程器、计算机、人机界面装置及其他GE可编程控制器系统进行通讯。 Modbus通讯模块IC695CMM002:完成与液化气各个罗斯蒙特流量计的数据通讯。 数字量输入模块IC694MDL660:数字量输入模块将从过程传输来的外部数字信号的电平转换为内部Rx3i PLC的信号电平,可用于连接开关和2线接近开关(BERO)。输入信号进入模块后,一般都进行光电隔离和滤波,然后才送到输入缓冲器等待CPU采样,采样时,信号经背板总线进入到输入映象区。 数字量输出模块IC694MDL754:数字量输出模块将Rx3i的内部信号电平转换成过程所要求的过程信号电平,可以用来直接驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电机启动器等。按输出开关器件种类的不同可分为:晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器输出方式。 现场PLC的电控柜置于中控室中,内部采用标准导轨构架,保证了PLC的正常工作,如图4.4所示 4(4(3 梯形图程序设计 下位机梯形图的主要功能就是完成各种控制要求和控制系统的各种保护功能: (1)如下图程序完成了各个手动/自动阀的回讯检测控制,如5秒内关阀无回讯,则上位机系统会弹出提示并做出相应处理 (2)液化气分为手动和自动两种方式,自动方式下又要同时控制液相阀与气相阀,并且在液位到达指定设定量时需要自动关阀或做出其它相应处理,下图便是完成以上所诉控制方案的部分程序 (3)在控制程序中,很多保护措施也需要由下位机来完成,如在装车时如果流量计累计流量三分钟内小于0.02吨则说明流量计数据通讯故障,HMI界面需要弹出故障画面,并使工作人员赴现场检查,保护控制程序如下图: 4(4(4 modbus通讯设置 在此控制系统中,8个液化气鹤位的模拟量数据的输入输出都是由IC695CMM002通讯模块来完成的,包括瞬时流量,累计流量,压力,温度等,因为通讯数据必须满足modbus协议,所以必须对其模块进行编程和设置,如下图: 其中operation为指令码,Station Address为读取的流量计编号地址,Target Type为读取保持寄存器指令,Target Address为所获取数据如流量、温度、压力等在流量计中的起始地址,Ref Address为数据在PLC中的存放地址,Ref Length为从起始地址开始算所要获得数据的长度,下图是现场控制系统所得到的部分实时数据 五 Intouch的应用与监控系统的开发 5(1 组态软件概述 5(1(1 组态软件的定义 组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件,即SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)软件,亦称人机界面或HMI/MMI(Human Machine Interface/Man Machine Interface)软件,在国内俗称“组态软件”。 组态软件在国内是一个约定俗成的概念,并没有明确的定义,它可以理解为“组态式监控软件”。 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思,是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能,而不需要编写计算机程序,也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”,组态软件就称为“二次开发平台”。“监控(Supervisory Control)”,即“监视和控制”,是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。 简单地说,组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和装备中采集各种信息,并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示,将重要的信息以各种手段传送到相关人员,对信息执行必要分析处理和存储,发出控制指令等等。 5(1(2 组态软件的应用 组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能,用户根据自己工程的需要进行选择、配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统。 组态软件和行业无关,它可以广泛应用于机械、钢铁、汽车、包装、矿山、水泥、造纸、水处理、环保监测、石油化工、电力、纺织、冶金、智能建筑、交通、食品、智能楼宇、实验室等等凡是涉及自动化监控的任何场合。 组态软件既可以完成对小型的自动化设备的集中监控,也能由互相联网的多台计算机完成复杂的大型分布式监控。还可以和工厂的管理信息系统有机整合起来,实现工厂的综合自动化和信息化。 作为通用的监控软件,组态软件都能提供对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能。同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具。利用组态软件,可以完成的常见功能有: 可以读写各种各样的PLC、DCS、仪表、智能模块和板卡,采集工业现场的各种信号,从而对工业现场进行监视和控制。 可以以图形和动画等直观形象的方式呈现工业现场信息,以方便对控制流程的监视;也可以直接对控制系统发出指令、设置参数干预工业现场的控制流程。 可以将控制系统中的紧急工况(报警)通过软件界面、电子邮件、手机短信、即时消息软件、声音和计算机自动语音等多种手段及时通知给相关人员,使他们及时掌控自动化系统的运行状况。 可以对工业现场的数据进行逻辑运算等处理,将结果返回给控制系统,协助控制系统完成它们所不擅长的复杂的运算控制功能。 可以对从控制系统得到的以及自己产生的数据进行记录存储。在工程发生事故和故障的时候,利用记录的运行工况数据和历史数据,可以对系统故障原因等进行分析定位,责任追查等。通过对数据的质量统计分析,还可以提高自动化系统的运行效率,提升产品质量。 可以将工程运行的状况、实时数据、历史数据、警告和外部数据库中的数据以及统计运算结果制作成报表,供运行和管理人员参考。 可以提供多种手段让用户编写自己特殊需要的功能,操作工程中的资源,与组态软件集成为一个整体运行。大部分组态软件提供脚本来完成此功能。易控独 创的C#用户程序功能可以将用户自己开发的代码和易控的功能无缝集成到一起,将用户特需的功能集成到易控中来,对组态软件的功能进行扩展,能实现传 统组态软件不能实现的新特性。 可以为其它应用软件提供数据,也可以接收数据,从而将不同的系统关联和整合起来。 多个组态软件之间可以互相联系起来,提供客户端和服务器架构,通过网络实现分布式监控,实现复杂的大系统监控。 可以将控制系统中的实时信息送入管理信息系统,也可以反之,接收从管理系统的管理数据,根据需要来干预生产现场或过程。 可以对工程的运行实现安全级别、用户级别等的安全控制。 可以非常简单地开发面向国际市场的,能适应多种语言界面的监控系统,可以实现工程在不同语言之间的自由灵活切换,是机电自动化和系统工程服务走向国际市场的有利武器。目前,组态软件能实现此功能的不多。 可以通过因特网发布监控系统的数据,实现远程监控。 5(1(3 组态软件的分类 (1)Intouch InTouch HMI 为用户提供了今天的HMI 和监控应用所需的能力和通用性。Wonderware 在研究与开发中进行了大量投入,保证为用户提供新型的、强大的、创新的产品。 其结果是:各种公司可以把他们的精力集中于业务的运转方面,而工程师可以利用最新的软件技术。 InTouch 软件适合于部署在独立机械中、在分布式的服务器/ 客户机体系结构中、在利用FactorySuite 工业应用服务器的应用中,也可以作为使用终端业务的瘦客户机应用。 InTouch 还是实现了微软公司的"支持WindowsXP" 认证的第一个HMI 产品,可以从工作站、个人数字助理(PDA)和浏览器观看显示内容。 (2)MCGS MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于Windows 平台,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS5.5通用版是北京昆仑通态数十位软件开发精英,历时整整 一年时间,辛勤耕耘的结晶,MCGS5.5通用版无论在界面的友好性、内部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃,是国内组态软件行业划时代的产品,必将带领国内的组态软件上一个新的台阶。MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 (3)iFIX GE Fanuc的iFIX软件来全面监控和分布管理全厂范围的生产数据。在包括冶金、电力、石油化工、制药、生物技术、包装、食品饮料、石油天然气等各种工业应用当中,iFIX 独树一帜地集强大功能、安全性、通用性和易用性于一身,使之成为任何生产环境下全面的HMI/SCADA解决方案。 利用iFIX各种领先的专利技术,可以帮助企业制定出更快、更有效的商业及生产决策,以使企业具有更强的竞争力。FIX和IFIX是GE Fanuc先后推出的两个组态软件,技术纯熟,应用广泛。 (4)WinCC WinCC运行于个人计算机环境,可以与多种自动化设备及控制软件集成,具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项,使用方式灵活,功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理,可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境,不仅缩短了软件设计周期,而且提高了工作效率。WinCC,这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心,已发展成为欧洲市场中的领导者,乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行,如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率,WinCC当是上乘之选。 (5)EcHmi EcHmi(Easy Control Human-Machine Interaction )是一个通用的工控软件人机介面组态软件。作者十多年从事工控行业软件的开发。EcHmi从HMI入手,从2001年的1.0版开始,到目前的9.5版,历经6年时间,通过不断的应用、改进,逐渐完善为一个全功能的工控组态软件,和国内外的同类软件相比有着独 有的特点,比如动态模板,子图同步更新。EcHmi包含:EcMake开发环境、EcView运行系统、实时库、历史库、WEB系统5部分 。 (6)组态王 组态王软件经过七年开发,五年的各种突发环境的真实考验,九千例工程(钢铁,化工,电力,国属粮库,邮电通讯,环保,水处理,冶金等各行业)的现场运行(包括"中华世纪坛"国家标志性工程),现已成为国内组态软件的客户首选,并且作为首家国内组态软件应用于国防,航空航天等重大领。 5(2 Intouch概述 5(2(1 Intouch的功能和特点 过程监控级系统计算机安放于控制室内,通过网络通信系统和PLC 系统通信,主要完成系统的运行监测、控制协调、数据处理、系统管理;过程监控级系统计算机以多层动态画面模拟显示系统的运行过程,动态实时显示系统的运行状态及数据;数据自动计算、整理、储存,完成各种控制设置和各类过程数据与报警报表的形成、调阅、打印等功能。还可通过网络与厂级计算机网络相连,实现液化气定量装车生产过程数据的在厂级信息管理与计划调度系统中共享。 操作系统的稳定和对组态兼容能力决定了监控计算机操作系统的选择,从目前各主流组态软件所面向的操作系统和数据库等因素来看,都能在windows2000环境下安装且稳定运行。因此在本系统中采用windows2000。 在组态软件方面,在本系统中采用Intouch组态软件, Intouch支持所有普通IBM/AT兼容的PC平台,Intouch的特点是: (1) 应用广泛,成绩斐然 Intouch最引人注目之处是其广泛的应用范围。独立于工艺技术和行业的基本系统设计,模块化的结构,以及灵活的扩展方式,可以解决复杂的多用户方案。 Intouch集生产自动化和过程自动化于一体,实现了相互之间的整合,这在大量应用和各种工业领域的应用实例中得以证明。 (2) 内置所有SCADA功能 使用Intouch用户管理器,可以分配和控制组态和运行时的访问权限。作为系统管理员,随时(包括在运行时)建立64个用户组(每组包括最多64个单独的用户),并为他们分配相应的访问权限。 Intouch的集成的报表记录系统,可用它打印来自Intouch或其他应用程序的数据。该系统还可打印运行时的数据,且数据布局可以进行组态。可使用不同的记录类型:消息序列记录、系统消息记录和操作员记录,直至用户报表。 (3) 组态简便、高效 Intouch在面向对象的多语言工程与组态环境下,提供方便组态的用户界面、工具提示以及范围广泛的在线帮助和应用实例。 OPC(OLE for Process Control,过程控制对象链接与嵌入)以及现场总线尤其是工业以太网(Industial Ethernet)的使用,大大简化了异种设备间互连,降低了开发I/O设备驱动软件的工作量,进一步促进了Intouch的发展。 5(2(2 Intouch的工作环境 1(系统开发环境 是自动化工程设计工程师为实施其控制方案,在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成,如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。 2(系统运行环境 在系统运行环境下,目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成,如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。组态软件支持在线组态技术,即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进入组态环境并修改组态,使修改后的组态直接生效。 自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境,通过一定工作量的系统组态和调试,最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行,完成一个工程项目。 5(2(3 Intouch的程序组件 1(应用程序管理器 应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时,经常会遇到下面一些烦恼:经常要进行组态数据的备份;经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果(如画面);经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。虽然这些要求可以用手工方式实现,但效率低下、极易出错。有了应用程序管理器的支持,这些操作将变得非常简单。 2(图形界面开发程序 图形界面开发程序是自动化工程设计工程师为实施其控制方案,在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供图形运行环境运行时使用。 3(图形界面运行程序 在系统运行环境下,图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。 4(实时数据库系统组态程序 有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能,因而不具备完整的实时数据库系统。目前比较先进的组态软件(如Intouch等)都有独立的实时数据库组件,以提高系统的实时性,增强处理能力。实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具,可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。 5(实时数据库系统运行程序 在系统运行环境下,目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。 6(I/O驱动程序 I/O驱动程序是组态软件中必不可少的组成部分,用于和I/O设备通讯,互相交换数据,DDE和OPC Client是两个通用的标准I/O驱动程序,用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中,而OPC Client则多数单独存在。 5(3 用Intouch开发组态软件 5(3(1 项目的建立 启动Intouch应用程序管理器,为该监控系统建立一个用户项目,项目名为:ZCPro。 5(3(2 系统参数设置和变量的定义 系统参数设置主要是WindowViewer窗口配置与常规属性等设置。 (1)窗口配置:Intouch是Windows平台下的应用软件,而Windows是一个多任务操作系统,在Intouch运行过程中,如果启动其他程序,可能对系统产生不良影响,所以必须封锁Windows系统热键,防止这种情况的发生。如图????,在“其它”选项里,勾选禁用ALT,禁用ESC,禁用WIN等,即可禁止这些系统热键。为了保证已组态的项目不被他人修改,需要在项目运行时将画面锁定,使只有管理员权限的工程师才能退出运行界面。因此要把“菜单栏”的选项勾掉,并勾选“隐藏标题栏”的选项。 (2)常规属性:常规属性主要包括内存设置、时间定时器控制、热链接、警告与超时设置。 在警告框中,输入在系统离散型标记名 $InactivityWarning 设置为1(True) 之前无操作员活动(鼠标单击或击键)的时间(以秒计)。在不活动警告设置为零时,便不会有任何不活动警告发出。 在超时框中,输入系统离散型标记名 $InactivityTimeout 设置为1(True) 之前无操作员活动(鼠标单击或击键等)的时间。 在$InactivityTimeout 为真时,系统会将登录的操作员用户名视为保留名 "None",并将安全性标记名 $AccessLevel 设置为 0。 (3)变量的定义:“标记名字典”是 InTouch 的核心。它包含应用程序中使用的所有变量的有关信息。它由两个部分组成: • 设计时标记名数据库。这由 WindowMaker 管理,存储在应用程序目 录中 • 运行时数据库。这由 WindowViewer 管理,存储在计算机的内存中。 在 WindowMaker 中,必须给每个变量指定标记名和类型。对某些类型的 变量,InTouch 还需要一些额外的信息。例如,对于 I/O 型标记名,InTouch 需要更多有关如何获取值并转换它供内部使用的信息。您还可以给初始值、报警限、历史记录以及其它许多配置指定设置。“标记名浏览器”是创建和配置新标记的场所,如图,,,,。 WindowViewer 启动时,它从标记名数据库中读取信息,并使用这些配置创建运行时数据库。应用程序运行期间,运行时数据库跟踪每个变量的当前值和其它状态信息。 WindowViewer 启动时,从标记名数据库中读取初始值。它们也可以使用保留数据从上一次运行中恢复。 5(3(3 用户管理 如前文所述,油罐装车是一个高危险度的工业系统,冒气冒油都会对环境产生很大的危害。因此,该系统对操作者的要求也是很高的,通过口令与权限杜绝非操作员盲目操作是最起码的要求。用户管理器便担当起维护系统安全的任务。 用户管理器的任务是:创建、改变用户;分配和管理访问权限;设置访问保护;有选择地防止未授权访问单个系统功能;在一定时间内,使用户推出登陆,以防止未授权访问。 用户管理器用来分配和监控用户对组态和运行系统的单个编辑器的访问权限。为了这个目的,组态用户时授予访问Intouch功能的权限,并且将该权限分配给每个用户。当一个用户登陆到系统时,用户管理起检查该用户是否已注册。如果用户未注册,则无权使用超出浏览权限以外的功能。 本监控系统设置了三个权限,一个是普通的操作员用户,用此用户名和密码登陆时只能对各监控界面实行简单操作;具有打印权限的工程师用户可以操作打 印机进行报表的打印;为组态工程师设置的最高权限大连工程师不仅可以进行一切系统内的操作,还可以退出运行系统,对系统进行修改。 图3-1 用户登陆界面 Fig.3-1 Logon interface 用户登陆界面如上图,一般操作员在选择用户名后点击口令按钮从小键盘上输入口令,进入后方可点击总阀开关,总阀开启后便可再逐一对其8个鹤位进行监控。 每登陆一小时后系统会自动注销,注销前一分钟会弹出一个提示窗口,以警告操作员即将从系统注销。如果操作员在指定的超时范围内,单击鼠标、击键或者使用其它定向设备执行任一动作,则它将不会注销,点击确认即可关闭此界面。 5(3(4 液化气装车工艺界面设计 点击界面上的操作键即可进入相应鹤位控制面板,从而对其进行操作,如图3-2,首先设定充装量,然后利用中间开关确认工作状态(自动/手动),再点击右侧小面板开关激活液相自动或液相手动以及气相开关控制界面,这时点击自动开阀确认即可进行自动装车。 图3-2 液化气装车工艺流程 Fig.3-2 LPG(Liquid Petroleum Gas)loading technics process 如果不设充装量点击自动开阀无效果,当流量计出问题时采用手动可以自由开关阀。气相阀随时可以进行开或关,当装车到位自动关闭液相阀时气相阀也会连锁关闭。 红色急停键可同时关闭液相与气相阀,如再想装车,不按复位键可以继续装车,按下复位键则需重新设值进行重新装车。 5(3(5 -35#柴油和液蜡装车工艺设计 -35#柴油和液蜡装车与液化气不用,上位机主要起监视作用,仅有急停开关可以在设备运行不正常时控制关阀。主要采用现场操作箱控制,通过下位机PLC控制程序来完成装车,如下图 5(3(6 装车状态总揽的设计 状态总揽界面显示了各个鹤位的装车状态,液化气装车的装车模式和装车百分比,以及-35#柴油和液蜡的解锁和阀位指示。 各个画面间的切换是通过点击监控系统下方的菜单栏上的按钮来实现的。如点击“液化气监控”按钮,则进入液化气的工艺流程监控界面图,,,,, 图 3-3 装车状态与数据表 Fig.3-3 Loading state and data table 5(3(7 实时报警界面的设计 报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时,系统自动产生相应警告信息,表明该量的值已经超限,提醒操作人员。有了报警,就可以提示操作人员注意。报警允许操作人员应答。Intouch提供强有力的报警和事件系统,并且操作方法简单。 InTouch 提供一个通知系统,可以向操作员通知生产过程与系统状况的有关信息。本系统支持过程报警与系统事件的显示、记录及打印。报警表示生产过程中发生的警报,而事件则表示正常的系统状态消息。 InTouch 分布式报警系统是独立于 WindowViewer 的一套软件组件。这些组件可供 InTouch 及其它 FactorySuite 程序在多节点系统中互相交流报警信息。充当报警供应器的 FactorySuite 程序执行报警状态的实际检测工作。“报警供应器”通过 API 调用将通知传递给“分布式报警系统”。反之,充当报警接收器的 FactorySuite 程序则通过 API 调用从“分布式报警系统”获取通知与状态,然后执行报警信息的显示工作。 InTouch 使用两种通知方式来提醒操作员生产过程活动:“报警”与“事件”。报警表示关于生产过程的警告,它要求操作员作出响应。通常,在过程值超过用户定义的极限时,例如模拟量超过上限值,便会触发报警。这会触发一种未确认的报警状态,它可以用于向操作员通知有问题发生。操作员确认报警之后,系统便会返回已确认状态。InTouch可配置成要求即便引起报警的条件已消失但仍需确认报警。这可以确保操作员了解那些引起临时报警状态但已恢复正常的事件。 本监控系统对报警的类型、时间、状态记录进行细致的设计,能及时反映生产过程运行状况,快速处理各种故障、事故,保护设备的正常运行,从而可以保证生产的正常运作。报警的设计是通过建立相关的逻辑条件来实现的。监控软件运行时,如果检测到报警逻辑成立,则触发相应的报警,每个报警点都有详细的说明,报警画面见图3-4。 图3-4 实时报警界面 Fig.3-4 Real-time Alert interface 5(3(8 历史趋势界面的设计 InTouch 提供两类趋势显示对象:“实时”和“历史”。您可以对两种趋势对象进行配置,以显示特定时间内多个标记名的图形化表示。“实时”趋势可供最多用四支笔(数据值)绘制图表,而“历史”趋势则可供最多用八支笔绘制图表。这两种趋势都是使用 WindowMaker 中的特殊工具创建的。InTouch 可供您完全控制趋势的配置。例如,您可以指定时间跨度、值范围、网格分辨率、时间标签位置、值标签位置、笔数,以及颜色属性。 历史趋势可以为您提供一个历史时间和日期的数据“快照”。它们不是动态的。与实时趋势不同,历史趋势仅在接到指示时才会更新,例如通过执行QuickScript 或由操作员执行操作(如单击按钮)时。 一次最多可以给八个标记名(笔)绘制历史趋势,但对显示的趋势数量没有任何限制。您在设计趋势界面时享有充分的灵活性。您可以创建一个“指示器”,供操作员在趋势图上“移动”,以根据指示器的当前位置来访问各种数据。例如,在操作员将指示器放置在有可见数据的趋势区时,会给您返回所有数据值在此位置的时间与值。如以下便是现场历史趋势所用的指示器程序: htssl1=HTGetValueAtScooter("shunshill",shunshill.UpdateCount,1, shunshill.ScooterPosLeft,1,"PenValue"); htdone1=HTGetValueAtScooter("yizhuangl",yizhuangl.UpdateCount,1, yizhuangl.ScooterPosLeft,1,"PenValue"); date1=HTGetTimeStringAtScooter ("shunshill",shunshill.UpdateCount,1,shunshill.ScooterPosLeft, "Date"); time1=HTGetTimeStringAtScooter ("shunshill",shunshill.UpdateCount,1,shunshill.ScooterPosLeft, "Time"); 您也可以创建在指示器或数据(例如最大值到最小值)之间进行放大或缩小 的按钮。您可以显示完整图表或指示器之间区域的平均值与标准偏差。历史趋势 也可以按照任意时间量进行滚动。您可以创建自定义的刻度,并将它们链接到 .MinEU 和 .MaxEU “标记名点域”,以显示最小和最大“工程单位”。 图4.12 历史趋势显示画面 Fig. 4.12 Display of trends 5(3(9 操作记录界面的设计 在操作记录界面显示了对各个控制阀的操作记录以及每次登陆系统的操作员的使用记录,如下图 5(3(10 报表的打印 Microsoft Excel是较为专业的报表处理软件,可提供更为复杂的报表处理功能。因此,Intouch提供了VBA接口,本系统通过编辑VBA程序在Excel中访问组态王的历史数据,生成并打印报表。 Intouch提供的VBA接口为“sharemem.dll”,并提供了多个接口函数。在VB编辑器中函数声明完成之后,就可以建立对话窗体,允许用户输入查询的时间、站点名称、变量名称等参数。 在变量列表中,可以使用选入、选出、全部选入、全部选出等几个按钮来编辑、输入要查询的变量名称。在起始行列编辑框中输入查询到的数据在表格中填充的起始位置。配置定义完成后,开始历史数据查询。 将历史数据调入Excel报表后,由于Excel拥有丰富而灵活的报表函数,操作人员可以使用报表制作一些数据存储、求和、运算、转换等特殊用法。如将采集到的数据存储在报表的单元格中,然后将报表数据赋给报表中的曲线控件来制作一段分析曲线等,既可以节省变量,简化操作,还可重复使用。 5(4 Intouch和PME 的通讯 上位机Intouch和下位机PME的通讯是由GEHCS(GE Fanuc Host Communications I/O Server)来完成的 它适用于Series-90和Rx3i等的PLC.新建一个通讯工程如下图所示 现场的控制参数与通讯数据的设置如下图,目前运行稳定,通讯正常。 5(5 试装车与现场调试 本项目于2007年10月完成了仪表信号及控制网络布线,进行PLC与监控系统安装、机组试运行及调试阶段,再试装车后投入正式运行,现系统运行稳定可靠。 5(5(1 试装车的目的 (1) 检查电气接线是否正确。 (2) 检查工业网络是否连接完好。 (3) 调试控制参数,检查其是否能够完成回路控制的要求。 (4) 检查上位机数据能否正确显示和更新。 5(5(2 试装车的现场操作面板控制键及其功能 (1)鹤管状态控制键,包括鹤管移位键两个状态(左移、右移) (2)车型选择键,包括常用的两种车型(A1、A2),当两种都不选时视为该鹤位无车或是扣修车。 (3)阀门控制键,包括阀门开关两种状态(开启、关闭) (4)紧急状态键(急停) (5)鹤管自锁键。 (6)手自动选择键,切换手动或自动控制。 (7)装车允许键,允许或禁止装车控制键。 5(5(3 试装车的控制室操作面板控制键及其功能 (1)鹤管状态指示灯,每个鹤管对应一个指示灯,两种状态分别表示鹤管工作和停止(红色为工作状态、绿色为停止状态)。停止时装车阀关闭,鹤管应当自动收回并处于锁紧状态。 (2)鹤位选择键,每个鹤管指示灯下面对应一个鹤位选择键,在被选中时鹤管进入工作状态,同时要求对被选中的鹤管进行自检(包括报警器状态,电磁阀状态、装车阀的状态),另外要求可以对被选中的鹤位进行充装量设置。 (3)装车量设置键,可以对每一个鹤位进行装车量设置。 4)显示屏,要求显示当前充装的鹤位号码、动态的充装量,并显示装完后对( 应鹤位的充装量和最后的累计量,另外要显示程控状态下的装车顺序。 (5)自动和手动切换键,可以在手动和自动之间切换以便根据具体情况选择装车方式。 (6)紧急状态下的急停键,要求故障状态下可以关闭装车阀,可以关闭质量流量计的出入口阀门,可以关闭装车总阀。 5(5(4 试装车的步骤 (1)根据控制系统原理,完成控制系统和回路的接线。 (2)检查管道是否连接完好,各阀是否在正常工作状态。 (3)现场人员检查车体,调整鹤管状态。 (4)检查完毕后选择允许装车,人工放下鹤管并解除自锁状态后选择车型。 (5)对上位机进行画面切换、历史数据查询等功能的操作,检查报警记录以及对应故障点的信息。 (6)选择手动或自动模式,手动模式下则由人工来控制装车阀的开关。 (7)自动模式下,上位机设置充装量,然后开启装车阀并通过显示器观测流量。 (8)当达到设置充装量后,流量计或探头发出信号给PLC使其控制装车阀关闭。 (9)装车过程出现紧急或故障状态操作员可按急停键关闭装车总阀。 (10)关阀后检查车体,人工升起鹤管,鹤管到位后系统自动自锁。 (11)检查操作箱,无问题后选择禁止键,装车完毕。 5(5(5 现场的各种保护措施及总结 (1)关阀门回讯故障弹出回讯故障总图并检查. (2)modbus通讯故障弹出对话框并急停。 (3)流量计累计流量三分钟内小于0.02吨流量计故障弹出对话框并检查。 (4)装车时切换手自动系统自动急停。 (5)装车时不允许点击复位键。 (6)急停后可复位重新装车也可不复位继续装车(注意设定值,多重确认)。 (7)液相阀关闭时连锁关气相阀,以防遗漏。 (8)总阀没开时不允许开各个控制阀。 (9)不登陆不允许开总阀。 结 论 本文以实际工程项目为背景,论述了火车自动定量装车的工艺流程和国内外技术的现状和展望。并且以中石油锦西五厂液化气和柴油站台为对象,从理论上对过程工艺进行了分析, 明确了控制目的和需要在系统中实现的功能。 在工业以太网发展日益成熟的基础上,本系统利用以太网很好的解决了系统最重要的实时通讯问题,并且很好的实现了大量数据信息的共享。 在上位机监控软件和PLC梯形图程序的开发过程中,取得了如下主要成果: (1) 开发了一套具有实时监控功能的系统,利用工业以太网把上位机和PLC都做为网络中的一个站点,建立了信息的绿色通道,有重大的推广价值。 (2) 将PLC和组态软件应用到大型工业控制的场合中,更好的保证了系统的可靠性,并且提高了处理站的工作效率,同时也满足了安全生产的需要。 (3) 利用Intouch软件开发的上位机监控系统,实现了对火车自动定量装车所有重要参数的显示和处理功能,对需要记录的参数进行保存和打印。在帮助操作人员及时地了解设备的运行状态、制定合理的维修计划、降低故障率方面具有重要意义和推广价值。 (4) 采用通用公司的GE Rx3i PLC作为下位机,使整个监控系统具有更好的稳定性。在下位机中实现了连锁报警和关阀以及自锁的自动控制功能,真正实现了底层控制的现场化和自动化。 系统在调试后在2007年10月已经投入了正式运行。虽然在该监控系统的开发过程中,取得了一些成绩,但还有很多工作需要继续研究。相信在不久的将来,我国的工业控制水平将达到一个崭新的阶段。
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