氧化鋁生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)匆绣∈埠冢可編程邏輯控制器選用西門(mén)子公司的s7-300系列plc伺罗，根據(jù)工藝流程在電控室設(shè)立3個(gè)控制站胸叠。

1  引言

氧化鋁車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)石灰或礦土粉塵環(huán)境惡劣，車(chē)間的自動(dòng)化控制顯得尤為重要含罪。上位機(jī)的數(shù)據(jù)記錄及趨勢(shì)顯示功能為車(chē)間工作人員積累工藝經(jīng)驗(yàn)提供了良好的條件闪侨，有助于提高生產(chǎn)工藝技術(shù)，為管理提供依據(jù)挑明，促進(jìn)企業(yè)管理的規(guī)范化和設(shè)備故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，確保工廠的安全生產(chǎn)所脉。

氧化鋁生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)育韩、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)克蚂〗钐郑可編程邏輯控制器選用西門(mén)子公司的s7-300系列plc，根據(jù)工藝流程在電控室設(shè)立3個(gè)控制站赤屋。工業(yè)機(jī)采用wincc作人機(jī)界面壁袄，通過(guò)mpi協(xié)議與各站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信嗜逻，完成數(shù)據(jù)采集、處理栈顷、監(jiān)測(cè)及控制功能。中央控制室分為服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)芭贬，客戶(hù)機(jī)主要完成系統(tǒng)組態(tài)及控制參數(shù)的在線(xiàn)修改坚呜、監(jiān)控、報(bào)表顯示及打印等功能闸虹；服務(wù)器主要完成對(duì)整個(gè)氧化鋁廠的數(shù)據(jù)處理救眯。本系統(tǒng)的服務(wù)器采用冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)服務(wù)器互為備用。

2  工藝流程

氧化鋁廠的工段主要有原料磨黔攀、溶出茁只、赤泥沉降、控制過(guò)濾霉旗、分解分級(jí)及種子過(guò)濾蛀骇、蒸發(fā)厌秒、成品過(guò)濾、焙燒及氧化鋁包裝堆棧工段等擅憔。而各個(gè)工段中所要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的設(shè)備具有很大的類(lèi)似性暑诸。我們選取其中比較有代表性的原料磨車(chē)間的短路上料、石灰消化工段與氧化鋁包裝堆棧工段來(lái)說(shuō)明整個(gè)plc控制系統(tǒng)的構(gòu)成篡石。

短路上料與石灰消化工段的距離較近凰萨，短路上料工段是為其它工段運(yùn)送原料政庆，通過(guò)三通留子將生石灰運(yùn)到石灰消化工段仲工，而在石灰消化工段中配赊，將生石灰與熱水在化灰機(jī)中混合任感、攪拌乳吉，生成石灰乳。氧化鋁包裝堆棧相對(duì)其它兩個(gè)工段是獨(dú)立的虹婿，與其它兩個(gè)工段相距較遠(yuǎn)擒买，在氧化鋁包裝堆棧工段，主要是對(duì)貯存在氧化鋁大倉(cāng)里的最后產(chǎn)品——氧化鋁粉末進(jìn)行打包處理拾氓。

3  自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

選用siemens公司s7-300 plc作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元咙鞍。根據(jù)氧化鋁生產(chǎn)各個(gè)工藝流程在電控室設(shè)置了三個(gè)控制主站趾徽，通過(guò)mpi將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表采集的信號(hào)送到電控室的服務(wù)器附较。整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成scada(superv-isory control and data acquisition)系統(tǒng)拒课，完成數(shù)據(jù)采集、處理益侨、監(jiān)視及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制的功能著平。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示枝捷。

圖1  plc控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)設(shè)備層。設(shè)備層主要是指現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間的設(shè)備、儀表等被控對(duì)象淫兑。在氧化鋁廠的工藝流程中用到的設(shè)備種類(lèi)繁多二谤，動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)如化灰機(jī)继射、板式給料機(jī)顽聂、脈沖控制儀芜飘、鼓風(fēng)機(jī)、皮帶機(jī)笼沥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等奔浅，現(xiàn)場(chǎng)儀表如溫度傳感器、雷達(dá)物位計(jì)鲁驶、流量計(jì)等憾顿。

(2) 下位機(jī)plc豺研。下位機(jī)plc的主要作用體現(xiàn)在兩方面允逝。

一是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某些重要變量進(jìn)行監(jiān)視蛋昙，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。需要監(jiān)視的重要變量如某些大罐大倉(cāng)的液位咪枷、物位翩赐，管道壓力燎窘、流量褐健，焙燒爐溫度蚜迅，以及動(dòng)力設(shè)備的上電狀態(tài)等坐梯；而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制包括對(duì)脈沖控制儀吵血、鼓風(fēng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停控制偷溺，對(duì)皮帶的變頻調(diào)速蹋辅，對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的控制等娱陈。

二是與上位機(jī)人機(jī)界面(hmi)軟件的連接挥疲。將設(shè)備層的有關(guān)信息和數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，使得操作員通過(guò)人機(jī)界面軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參變量的集中監(jiān)視雳誉，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制饼贰。

(3)上位機(jī)hmi軟件wincc。wincc是按照客/服(c/s)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各祠。本系統(tǒng)采用三個(gè)客戶(hù)機(jī)和兩個(gè)冗余的服務(wù)器組成铆性。客戶(hù)機(jī)通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)移蔼，并將這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起顯示跨溺，使得多畫(huà)面任務(wù)的系統(tǒng)得以輕松解決，提高了系統(tǒng)的可靠性备饭。

3.2 分布式控制站設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共設(shè)三個(gè)plc分布控制站惩投。plc1站對(duì)短路上料工段進(jìn)行監(jiān)控摘沥；plc2站對(duì)石灰消化工段進(jìn)行監(jiān)控；plc3站對(duì)氧化鋁包裝堆棧工段進(jìn)行監(jiān)控兄存。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)控制柜功能設(shè)計(jì)

各現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有兩部分功能熊镣，一是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)操作，二是與各個(gè)遠(yuǎn)程rio站連接募书，將各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)傳送到plc⌒鞔眩現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作具有比遠(yuǎn)程更高的優(yōu)先權(quán)，只有將狀態(tài)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)狀態(tài)莹捡，自動(dòng)控制才起作用鬼吵。所以在接入自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)前，首先要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各控制柜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換篮赢。

4  系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 中央控制室

中央控制室設(shè)有兩臺(tái)冗余服務(wù)器和三臺(tái)客戶(hù)機(jī)齿椅、一臺(tái)彩色激光打印機(jī)等。服務(wù)器均采用研華工控機(jī)配置為intel p4 cpu/2.8ghz/512m ram/80g启泣，客戶(hù)機(jī)均采用研華工控機(jī)配置為intel p4 cpu/1.6ghz/512m ram/40g涣脚，服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)均裝有windows2000 sever/professional操作系統(tǒng)和step7 5.4和wincc 6.0軟件。

4.2 plc系統(tǒng)配置

plc是該控制系統(tǒng)的核心寥茫，控制過(guò)程中全部的輸入輸出量都要經(jīng)過(guò)plc的處理遣蚀，所有繼電器的動(dòng)作都由plc的輸出控制來(lái)完成。現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)西門(mén)子s7-300 plc站的詳細(xì)配置內(nèi)容如附表所示纱耻。

每個(gè)s7-300 plc都只有一個(gè)機(jī)架汹涯，水平安裝在控制柜中。各模塊的安裝順序?yàn)殡娫茨Kps数屁、cpu模塊、數(shù)字量輸入模塊di希咒、數(shù)字量輸出模塊do透格、模擬量輸入模塊ai從左到右依次排列。

5  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和plc編程軟件顺良。

5.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

本系統(tǒng)采用1024點(diǎn)的siemens wincc組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控韭拙。三臺(tái)客戶(hù)機(jī)的主畫(huà)面分別顯示三個(gè)工序的主畫(huà)面，主畫(huà)面動(dòng)態(tài)顯示車(chē)間的整個(gè)工藝流程些栅，包括顯示所有的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)和模擬量的實(shí)時(shí)值祥扒。各個(gè)工序階段形象逼真。在工藝流程畫(huà)面的上方是一排系統(tǒng)功能按鈕至沸，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可進(jìn)入相應(yīng)的畫(huà)面鼻蟆。分畫(huà)面還包括報(bào)警表格和各模擬量趨勢(shì)圖，整個(gè)系統(tǒng)的所有開(kāi)關(guān)量和模擬量都在各個(gè)畫(huà)面中體現(xiàn)出來(lái)盖扔，監(jiān)控系統(tǒng)還具備了實(shí)時(shí)故障報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)歸檔功能匀油。

圖2  短路上料工段工藝流程

短路上料工段主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于分布在現(xiàn)場(chǎng)的皮帶機(jī)、風(fēng)機(jī)、板式給料機(jī)敌蚜、三通留子等各類(lèi)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制桥滨，以及石灰大倉(cāng)的物位在上位機(jī)上的顯示。

圖3  石灰消化工段工藝流程

石灰消化工段主要實(shí)現(xiàn)車(chē)間里各個(gè)電機(jī)弛车、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的遠(yuǎn)程控制齐媒；各個(gè)流量計(jì)、液位雷達(dá)纷跛、物位雷達(dá)數(shù)據(jù)在上位機(jī)上的顯示喻括；相關(guān)電機(jī)啟停、液位忽舟、物位的報(bào)警及趨勢(shì)在上位機(jī)上的顯示双妨；上位機(jī)操作人員操作級(jí)別的劃分。

氧化鋁包裝堆棧工段主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)皮帶叮阅、風(fēng)機(jī)刁品、電動(dòng)風(fēng)閥、脈沖控制儀等各類(lèi)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制浩姥；現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)在上位機(jī)上的顯示凡宅；相關(guān)電機(jī)啟停操作以及氧化鋁大倉(cāng)物位的報(bào)警記錄在上位機(jī)上的顯示；現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖在上位機(jī)上的顯示簸眼。

5.2 plc編程軟件

本系統(tǒng)plc的編程使用step7 5.4編寫(xiě)钓闲，實(shí)現(xiàn)plc對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的初步處理。在step7中疤削，有三種編程語(yǔ)言可用來(lái)編程拉盘，分別是梯形圖(lad)、語(yǔ)句表(stl)撬彭、功能塊(fbd)当糯。plc的程序主要由塊組成，他們存放在block目錄下据钱，cpu中的程序就是具有特定功能和特定結(jié)構(gòu)的塊捧练。主要包括組織塊ob，數(shù)據(jù)塊db箭谴，功能fc與功能塊fb风居。主程序中調(diào)用其它功能塊程序，主程序的編寫(xiě)只能在ob1溉潭、ob85等塊中净响，程序編寫(xiě)采用功能塊的形式，比較容易閱讀和修改喳瓣。fc功能塊之間可以相互調(diào)用别惦，但是它執(zhí)行時(shí)必須在主程序中被調(diào)用狈茉，如圖4所示。

圖4  step7編程所含塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)信號(hào)表分配的輸入輸出點(diǎn)的不同掸掸，將程序的編寫(xiě)分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N氯庆。主程序中編寫(xiě)數(shù)字量的邏輯控制，子程序中編寫(xiě)模擬量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存(并在主程序中調(diào)用)扰付，數(shù)字量控制為邏輯控制堤撵，為便于上位機(jī)控制，在每個(gè)邏輯輸出之前都串聯(lián)一個(gè)m位羽莺，此位由上位機(jī)控制其狀態(tài)实昨。模擬量需要的是狀態(tài)顯示，在子程序中編寫(xiě)它的a/d轉(zhuǎn)換盐固。aiw作為輸入端荒给，將最后數(shù)據(jù)保存在db塊。

fc1塊主要是模擬量的轉(zhuǎn)換候榨，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器將模擬量實(shí)際值轉(zhuǎn)換成4～20ma信號(hào)哗缀，而ai模塊將4～20ma信號(hào)經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換，變成一個(gè)內(nèi)碼數(shù)0～27648琅芍。plc讀取的端口數(shù)字僅僅是一個(gè)內(nèi)碼值板蜻，這就需要編程將此內(nèi)碼數(shù)變成實(shí)際值送上位機(jī)顯示。公式如下：

實(shí)際值= ×(實(shí)際值上限-實(shí)際值下限)+實(shí)際值下限甸垄。

圖5  fc1模擬量部分程序

圖5是fc1塊的部分程序捺盖，網(wǎng)絡(luò)1是將模擬量首先存入temp4；網(wǎng)絡(luò)2是判斷temp4值的大小疤嘴，如果大于27648將27648賦予它融唬，如果小于0將0賦予它，保證數(shù)在0-27648之間住卿，并存入temp5芋困；網(wǎng)絡(luò)3是將temp5的整數(shù)格式轉(zhuǎn)換變?yōu)殡p整數(shù)，然后將雙整數(shù)變?yōu)閷?shí)數(shù)群镰。

為了防止石灰乳過(guò)滿(mǎn)后在無(wú)人操作的情況下產(chǎn)生溢出，我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中加入了連鎖功能终吼，當(dāng)兩個(gè)石灰乳槽中有任何一個(gè)液位高于3.65m時(shí)镀赌，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止石灰倉(cāng)下的定量給料機(jī)，定量給料機(jī)停止6分鐘后自動(dòng)關(guān)閉熱水槽電動(dòng)閥际跪，熱水停止4分鐘后自動(dòng)停止化灰電機(jī)商佛。

6  結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)已投入實(shí)際運(yùn)行，自投入運(yùn)行以來(lái)姆打，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠良姆，設(shè)備工作狀況良好肠虽，使用及維護(hù)簡(jiǎn)捷方便，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求玛追，操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低税课，能源和設(shè)備的利用率得到提高，解決了氧化鋁生產(chǎn)環(huán)境差痊剖，設(shè)備分散韩玩、復(fù)雜、難以控制的難題陆馁，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能量找颓、降低能耗，受到廠方的好評(píng)励砸。

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