邢宇鵬，周旻暉，謝 穎

(1.云南昆船電子設(shè)備有限公司,云南 昆明 650236；2.昆明冶金高等?？茖W校商學院，云南 昆明 650033)

圖1 產(chǎn)品實物

0 引 言

某公司《易地技術(shù)改造項目料倉、備料、預(yù)混、成品工藝設(shè)備及電控系統(tǒng)等集成項目》招標文件及相應(yīng)附件顯示，該項目監(jiān)控參數(shù)多且數(shù)據(jù)變化快，數(shù)據(jù)處理及存儲量大，同時該項目要求完成生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測、顯示、記錄、調(diào)節(jié)、控制、報警等功能。針對用戶提出的需求，在保證“集中管理、分散控制、資源共享”的前提下，筆者提出了總體設(shè)計配置2套電氣控制系統(tǒng)的方案，不僅能滿足用戶生產(chǎn)工藝的要求，而且可降低用戶使用成本。實際產(chǎn)品如圖1所示。

1 系統(tǒng)方案的確定

目前醫(yī)藥、石化、電力、鋼鐵、煙草等流程行業(yè)中，主流的電氣控制系統(tǒng)有2種：PLC系統(tǒng) (Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)和DCS系統(tǒng)(Distributed Control System，分布式計算機控制系統(tǒng))。兩者都是控制系統(tǒng)，都能完成對生產(chǎn)過程的檢測、控制和管理，但兩者也有一些區(qū)別：DCS更側(cè)重于過程控制領(lǐng)域(如化工、冶煉、制藥等)，主要是對一些現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)視和調(diào)節(jié)控制；而PLC則側(cè)重于邏輯控制(機械加工類)。當然現(xiàn)在的PLC也能很好地處理過程控制問題，但是沒有DCS專業(yè)，兩者的性能對比見表1。

表1 PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的對比

本項目包括：料倉、備料、預(yù)混、成品工藝設(shè)備及電控系統(tǒng)等集成，控制系統(tǒng)按照功能分布自下而上的層級結(jié)構(gòu)為：現(xiàn)場控制級(各類傳感器、變送器、執(zhí)行器等)、過程控制級(現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集I/O站)、過程管理級(操作員站和工程師站)、經(jīng)營管理級(MES系統(tǒng))，各層級之間通過通信系統(tǒng)(通信網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備)連接。

針對項目的工藝特點，總體設(shè)計配置2套電氣控制系統(tǒng)，即原料處理及備料整理、料倉、預(yù)混工段采用一套DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用SIEMENS公司S7410系列主控器；成品后處理段采用一套PLC系統(tǒng)，為SIEMENS公司1500系列主控器；控制方式采用控制柜+子站箱控制模式，ProfiNet現(xiàn)場總線構(gòu)成設(shè)備控制層硬件平臺，通過對控制器的程序編制和相互連鎖，對電機啟、停閥等數(shù)字開關(guān)量和溫度、流量、水份等模擬量工藝參數(shù)進行控制，最終實現(xiàn)設(shè)備按工藝控制程序完成生產(chǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容及要求

利用控制器將控制段范圍內(nèi)的隨機控制裝置、過程控制裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、控制檢測儀表、MCC柜、現(xiàn)場I/O箱、電磁閥箱、電源氣源控制箱等有機結(jié)合起來，構(gòu)成了分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)了地理上和功能上的分散控制。

2.1 電控柜

本方案配置1組DCS控制柜和2組MCC柜，DCS控制柜用于安裝主控制器的電控柜，由電控柜體、CPU、以太網(wǎng)卡通訊模塊和組件、24V DC電源等組成。MCC柜柜內(nèi)安裝干式變壓器、直流穩(wěn)壓源、主令開關(guān)及保護性開關(guān)、交流接觸器等。

2.2 操作方式和控制功能

操作界面上所有必要參數(shù)更改及按鈕操作均設(shè)置有權(quán)限，只有通過授權(quán)的操作者才能進行相應(yīng)操作。在操作界面上設(shè)置有“單機/閉鎖/自動”軟開關(guān)，現(xiàn)場子站上設(shè)置有“本地/遠程”開關(guān)。

1)自動控制模式。當“單機/閉鎖/自動”軟開關(guān)處于自動狀態(tài)，“本地/遠程”開關(guān)均處于遠程時可進入自動控制模式。

在自動控制模式下,可進行“組合啟動/停止”操作，實現(xiàn)對各設(shè)備的自動控制，并有統(tǒng)一的啟動脈沖聯(lián)鎖啟動。自動控制模式下需具備“手動干預(yù)”操作功能的設(shè)備，通過監(jiān)控畫面對相應(yīng)設(shè)備單獨的“自動/手動”按鈕實現(xiàn)切換。

2) 遠程單機控制模式。當“單機/閉鎖/自動”軟開關(guān)處于單機狀態(tài)，“本地/遠程”開關(guān)處于遠程時可進入遠程單機控制模式。

3) 本地單機控制模式。當“本地/遠程”開關(guān)處于本地時可進入本地單機控制模式。

4) 閉鎖控制模式。在閉鎖控制模式下，系統(tǒng)進入禁止控制模式，所有的電動機、電磁閥、調(diào)節(jié)閥均強制地處于失電狀態(tài)，所有電機、電磁閥和其它控制器件無論通過現(xiàn)場還是操作屏上的“啟動”按鈕都不能啟動。

3 設(shè)計實現(xiàn)

整個車間分為3層網(wǎng)絡(luò)：生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)、集控層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備控制層網(wǎng)絡(luò)。3層網(wǎng)絡(luò)分開獨立設(shè)計，互不影響，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

其中，在中控室配置1臺具有3層交換機功能的工業(yè)交換機，作為冗余環(huán)網(wǎng)管理器。該交換機連接服務(wù)器、2套ES工程師站，服務(wù)器負責直接從各個控制器采集數(shù)據(jù)，工程師站負責組態(tài)整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、編程等工作。

集控層網(wǎng)絡(luò)：采用工業(yè)以太網(wǎng)組成的千兆光纖冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

配置管理型交換機，連接各個工藝段的現(xiàn)場主控制器。因完成段水分儀、電子秤較多，料倉段上以太網(wǎng)的檢測器件較多，分別設(shè)計在備料、后處理的中心柜、預(yù)混工段的現(xiàn)場交換機柜、料倉工段的現(xiàn)場交換機柜。所有工藝段的控制器以及第三方的控制器就近連接到集控層現(xiàn)場管理型交換機中。

3.1 總體界面設(shè)計

總體界面顯示相關(guān)設(shè)備的工藝流程動態(tài)圖、物料流向、設(shè)備工作狀態(tài)、特殊需要人工干預(yù)設(shè)備的手/自動狀態(tài)等，通過設(shè)備外形模擬圖反映各臺設(shè)備電機狀態(tài) (故障狀態(tài)以變色方式呈現(xiàn)) 、各類閥的開啟狀態(tài)等。其設(shè)計界面如圖2所示。

圖2 多屏總貌畫面1

圖3 單機畫面

3.2 單機界面設(shè)計

對于部分較為復雜的單機設(shè)備，在總貌畫面中通過對應(yīng)部分的點擊會彈出相應(yīng)單機畫面，方便直觀顯示相關(guān)電機、閥門情況及關(guān)鍵參數(shù)。其設(shè)計界面如圖3所示。

3.3 操作界面設(shè)計

按照工藝要求將過程參數(shù)變量進行分組，顯示過程變量的設(shè)定值、輸出值、反饋值和控制方式，變量定時更新。模擬回路可以手動改變設(shè)定值、PID參數(shù)及控制方式；離散控制可以手動操作設(shè)備的起停，并顯示設(shè)備的運行狀態(tài)。分組畫面與其他畫面之間可以相互切換，其設(shè)計界面如圖4、5所示。

圖4 單機設(shè)備操作界面

圖5 關(guān)鍵儀表參數(shù)操作界面

3.4 趨勢界面設(shè)計

電機儀表顯示畫面均可調(diào)出相應(yīng)分部的趨勢畫面。調(diào)用初始為在線趨勢，通過按鈕可于在線與離線趨勢中切換，并自由選擇趨勢時間，也可以根據(jù)任意的時間坐標放大顯示，設(shè)計界面如圖6所示。

3.5 報警界面設(shè)計

顯示當前所有正在進行的過程參數(shù)報警和系統(tǒng)硬件故障報警，并按報警的時間順序從最新發(fā)生的報警開始排起，報警優(yōu)先級別和狀態(tài)用不同的顏色來區(qū)別，未經(jīng)確認的報警處于閃爍狀態(tài)。報警內(nèi)容包括：報警時間、變量名、變量說明、變量的當前值、報警優(yōu)先級別，設(shè)計界面如圖7所示。

圖6 歷史趨勢畫面

圖7 變色報警

3.6 報表功能設(shè)計

DCS系統(tǒng)按照預(yù)先定義的格式打印報表，并由軟件自動產(chǎn)生所有的標題和表頭。報表打印采用時間驅(qū)動方式或操作員命令方式。

3.7 用戶權(quán)限設(shè)置設(shè)計

人機界面系統(tǒng)根據(jù)用戶的要求可以設(shè)置不同的用戶級別，在不同的級別下其操作權(quán)限不同,HZ-DCS-5700提供了不同的用戶級別供用戶選擇，可方便快捷地登錄并更改密碼。

4 結(jié) 語

通過現(xiàn)場使用情況反饋，該系統(tǒng)經(jīng)過細節(jié)調(diào)整改善后，其使用能達到要求，并取得以下效益：系統(tǒng)濃縮料液溫度相較于原來生產(chǎn)的70℃以上工作溫度降低至60℃以下，提高了濃縮液品質(zhì)；濃縮使用的蒸汽消耗量隨加熱溫度的降低而減少，傳統(tǒng)雙效濃縮設(shè)備蒸發(fā) 1 t 消耗水約耗 0.6 t 蒸汽，而本設(shè)備蒸發(fā) 1 t 消耗水約耗 0.037 t 蒸汽，相對傳統(tǒng)雙效濃縮大幅度減少了蒸汽耗量，節(jié)約了成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。