基于PLC及組態軟件的氣力輸送監控系統的設計

廖曉軍

摘 要：隨著氣力輸送系統的應用日漸廣泛，與之配套的控制系統的設計合理性越顯重要，根據對200多個項目方案的研究、總結，歸納出了工藝系統對控制系統的要求，以及硬件、軟件系統設計與具體選型的原則與方法，從而據此設計出較合適的氣力輸送系統的控制系統。

關鍵詞：可編程序控制器（PLC）；組態軟件；數據采集與監視控制系統（SCADA）

1 引言

氣力輸送裝置是在管道內利用氣體作為承載介質，將物料從一處（或幾處）輸送到另一處（或幾處）的設備，因其具有輸送效率較高、占地少、成本較低、無污染及易于對整個系統實現集中自動控制等特點，廣泛應用于港口裝卸、石化、建材、機械生產中的原料輸送、電力、冶金的工藝物料輸送和廢棄物回收等領域，其應用前景極為廣闊。

上世紀80年代以來隨著技術的發展，PLC的數據采集處理能力、運算能力、人機接口及網絡通信能力得到大幅度增強，PLC與DCS逐漸融合與互連（亦得益于DCS的開放性發展），PLC不斷滲透并蠶食DCS的某些應用領域。由于PLC具有通用性強、可靠性高、易于使用、性價比高等特點，使它在工業控制機系統市場中繼續保持上升的勢頭。

工業監控組態軟件是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。由于組態軟件具有開發時間短，效率高，可靠性高以及開放性、可擴展性、一致性、易維護性等特點，得到了廣泛的應用。

由于氣力輸送系統具有系統規模（組成）多變性、輔助設備多樣性、分散性等特點以及PLC和工業監控組態軟件具有的優異特性，氣力輸送監控系統大多采用上位機（PC）+PLC的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）模式。本文介紹了正壓氣力輸送系統的基本工藝及其對監控系統的要求和監控系統的選型設計。

2 工藝簡介

一套典型的正壓氣力輸送系統由四部分工藝部分及控制裝置組成，分別是提供輸送氣體的動力裝置（氣源）、將物料與輸送氣體混合并喂入管道的裝置、輸送管道和彎頭、氣固分離裝置和控制裝置。其中提供輸送氣體的動力裝置有空壓機、羅茨風機等；將物料與輸送氣體混合并喂入管道的裝置有倉泵、螺旋泵、給料機等等；氣固分離裝置則是裝于料倉上的布袋除塵器之類的設備。此外，還有氣化風系統、卸料設備等輔助系統和設備。

3 氣力輸送系統對監控系統的要求

氣力輸送系統的設備主要有閥門、空壓機、干燥機、風機、加熱器、料倉設備等。

在電力系統有時亦將除塵器、除渣、石灰石等周遍設備和系統納入氣力輸送監控系統組成灰網。

系統的檢測儀表主要有：壓力、物位、溫度、到位等開關；壓力、溫度、電壓、電流、連續料位計等變送器；稱重、溫度等傳感器。

3.1 控制系統信號類型及對象

3.1.1 開關量輸入（DI）：壓力、物位、溫度、到位、聯鎖等開關。

3.1.2 開關量輸出（DO）：電磁閥、電動執行器、變頻器、接觸器、故障輸出等。

3.1.3 模擬量輸入（AI）：壓力、溫度、料位、重量、電機轉速、閥門開度、電壓、電流等。

3.1.4 模擬量輸出（AO）：電機轉速、閥門開度等。

3.1.5 溫度傳感器輸入（RTD）：溫度。

3.2 監控系統基本要求

3.2.1 對整個工藝系統進行集中監視、管理、調節控制和自動順序控制以及報警。

3.2.2 按照P&ID設計監控畫面，被監控的信號能打印記錄。

3.2.3 系統設計時應考慮具備軟、硬件結構模塊化組態及修改的能力，并具有可擴展其功能的可能性。

3.2.4 料倉距離較遠時，應設置遠程站控制料倉處的設備。

3.2.5 應根據系統組成及與其它系統連接的需要考慮網絡的類型與數量。

3.2.6 具有自動、軟手操、就地三種方式。

4 硬件設計

4.1 總體設計

氣力輸送監控系統典型的組成如附圖1。具體到每個項目應根據系統的規模、控制功能的要求、擴展性及網絡互連的要求等來選取或增加系統的組成。

4.2 上位機的設計選型

4.2.1 任務

上位機系統需要完成的任務主要有：a） IO數據采集、控制，b）監控畫面的顯示，包括顯示工藝流程及測量參數、控制方式、順序運行狀態、控制對象狀態，能進行參數的成組顯示、趨勢顯示和棒狀圖顯示及報警信息的顯示等，c）報警、登錄、歷史數據記錄及WEB等服務，d） 程序開發、系統診斷、系統組態、數據庫和畫面修改等功能，e）報表打印，f）與其它系統互連等。

4.2.2 配置

◆處理器（CPU）：若是商用機其主頻按當前主流配置，而工控機則主頻低一檔配置。要求較高的系統（或服務器配置）則每臺上位機可能需要配置雙處理器，甚至更多處理器。

◆內存：其容量應按系統的規模、所配軟件及其它要求確定（如配置了SIEMENS WINCC或PCS7軟件對內存容量要求1G）。

◆顯存：一般選用共享式即可。如果系統較大且畫面較復雜（如顯示三維畫面）則最好配置較大容量的獨立顯存并配置獨立顯卡。

◆硬盤：一般選用單個常規硬盤即可。要求較高的系統（或服務器配置）則可能還需配置雙硬盤（甚至更多）的磁盤陣列。另外有些服務器（或pc）為獲得高傳輸率和高可靠性還要求采用SCSI硬盤。

◆網卡：根據網絡配置要求配置以太網卡或PROFIBUS-DP、ControlNet、MODBUS（485）等現場總線適配卡，如果是雙網冗余系統還應配置雙網卡或雙口網絡適配卡。

◆主板：根據上述配置選擇支持所要求的性能和功能的主板，此外還應考慮將來可能需要擴展插板（PCI或ISA卡）的插槽數，一般不考慮升級配置的問題。

◆光驅、軟驅、鍵盤、鼠標及其它（包括UPS、打印機等周遍設備）：根據實際要求選配。

4.3 PLC（下位機）的設計選型

每個PLC廠家都有一個或幾個系列的產品，其結構型式、運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能、容量（IO和存儲器）、指令系統、處理速度、價格等各有自己的特點，適用場合各有側重。因此，合理選擇PLC，對提高PLC系統的技術經濟指標起重要的作用。

PLC機型的選擇

4.3.1 PLC容量

PLC容量包括兩個方面：一是I/O的點數，二是用戶存儲器的容量。

（1）I/O點數的估算：根據被控對象的IO信號分類匯總后的總點數，加上10～20%的備用量。需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸人輸出點數進行圓整。

（2）用戶存儲器容量的估算：用戶應用程序占用多少內存與許多因素（如IO點數、控制要求、運算處理量、程序結構等）有關。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，在實際項目中可根據經驗為每個產品調整估算公式。

此外，對于中大型PLC還應考慮裝載存儲器容量，裝載存儲器保存用戶程序、標簽數據（符號表）、組態信息等數據，一般容量按用戶程序容量的兩倍考慮。

4.3.2 開關量輸入輸出模塊

開關量輸入模塊是用來檢測壓力開關、物位開關、溫度開關、到位開關等信號，其工作電壓應根據信號的遠近來選擇不同電壓規格的模塊，氣力輸送控制系統以直流24V的模塊最為普遍。考慮抗沖擊能力和更換維護方便一般采用晶體管外接中間繼電器的輸出方式。

4.3.3 模擬量輸入輸出模塊

模擬量輸入輸出模塊有接口量程、信號形式、通道數、分辨率的差別，還有是否隔離、是否帶診斷功能等不同規格，應根據所接設備信號規格和其它要求加以選擇。

4.3.4 通信模塊

一般PLC的處理器（CPU）模塊已集成數量不等、類型不同的通訊口，但許多時候不能滿足網絡連接的需要，這時就要根據網絡連接的要求擴展一定數量和類型的通訊適配模塊，如，以太網模塊及PROFIBUS、ControlNet、DeviceNet等通訊適配模塊。

4.3.5 冗余配置

在需要高可靠性的時候，PLC系統的重要部件如CPU、電源、通訊模塊、網絡、機架等可選擇1：1冗余配置。氣力輸送監控系統大多采用雙電源、雙CPU、雙網絡的熱備冗余系統。

4.4 網絡設計

氣力輸送監控系統采用多層結構，最上層是由以太網（TCP/IP）構成的監控層，并與其它系統（如DCS、MIS等）連接。第二層是控制層（如PROFIBUS /MODBUS/CONTROLNET）。第三層是設備層（如FF/DEVICENET也可以直接是控制電纜連接）。根據具體的情況可選取三層結構中的某層或某幾層。

由于氣力輸送系統設備較分散，所以一般采用分布式控制網絡結構，大量采用現場總線進行分布式控制。現場總線距離較遠時還應配置中繼器。無論以太網還是現場總線超過一定距離時需要采用光纖連接，配置光纖適配器。在要求高可靠性時，應采用雙網冗余配置。在氣力輸送監控系統采用PROFIBUS和CONTROLNET較普遍。

5 軟件設計

監控系統的軟件包含二部分：PLC軟件和上位機軟件。

5.1 PLC軟件

在PLC應用程序中，包含系統所監控的所有設備的控制程序，而其中倉泵的控制是氣力輸送系統控制的核心，每臺倉泵都是一個獨立體，既可單機運行，也能多臺組成系統運行。每輸送一泵物料即為一個工作循環，每個循環分四個階段：1、進料階段；2、加壓流化階段；3、輸送階段；4、吹掃階段。其工作流程圖見附圖3。

5.2 上位機軟件

上位機根據系統需要完成的各種任務配置各類軟件，主要有下列幾類

5.2.1 操作系統及輔助軟件

這部分軟件配置和普通PC沒有什么差別，主要有操作系統（含服務器版）、文字及數據處理軟件、殺毒軟件等。對于數據量大、要求較高的系統還需配置SQL Server或ORACLE等數據庫軟件，對實時性要求高時還應配置InSQL Server或iHirstorian等實時數據庫。

5.2.2 編程軟件

編程軟件（環境）主要功能為：建立和管理項目、對硬件和通訊作組態和參數賦值、管理符號、創建程序、下載/上載程序到控制器/PC、測試系統、診斷設備故障等。

廠家提供的編程軟件中一般包括一種或幾種編程語言，如Modicon公司的Modsoft編程軟件只使用梯形圖（984 梯形）一種編程語言，而另一個Concept編程軟件可以使用5種編程語言。同一編程軟件下的編程語言大多數可以互換，一般選擇自己比較熟悉的編程語言。

各PLC廠家的編程軟件的風格、界面、應用平臺、靈活性、適應性都有差異，許多廠家編程軟件（環境）都有標準版、專業版等版本或外帶不同功能的選件包來達到不同功能需要，在具體項目中應根據系統的組成和功能選用不同版本或外帶不同功能的選件包。

5.2.3 監控組態軟件

SCADA有很多任務組成，每個任務完成特定的功能。

監控組態軟件的廠家眾多，大多都可采用分布式C/S結構和冗余配置，支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA等標準，并具有圖形開發、過程報警、歷史存儲、腳本語言（VBA、類BASIC、類C）、IO驅動、軟PLC等功能。在氣力輸送監控系統中常用的幾種組態軟件有：InTouch；iFix；WinCC；RSView32；組態王。

6 結束語

一套氣力輸送系統監控系統的設計、選型，應根據工藝系統的組成、設備布置、操作要求等方面的情況，從系統規模、控制功能的要求、網絡互連及可靠性、擴展性、性價比等方面確定監控系統的配置。

參考文獻

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[6]作者不祥.[轉帖]SCADA（監控組態軟件）簡介，bbs.zidonghua.com.cn。

[7]RSView32簡介.AB公司。

[8]InTouch9.0數據手冊. Wonderware公司。