计算机与PLC 集成控制系统在干冰生产过程中的应.pdf

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1、计算机与 PLC 集成控制系统在干冰生产过程中的应用计算机与 PLC 集成控制系统在干冰生产过程中的应用1 1 王海瑞 张勇（昆明理工大学信息及自动化学院,云南昆明 650093)摘 要摘 要干冰生产过程自动监控是基于 PLC 的集散式控制系统。系统由上位计算机和 PLC组成,对生产过程进行全程控制和管理。上位计算机通过监控画面对 PLC 进行参数设置,接受参数后 PLC 执行闭环控制。使用组态软件设计各种监控画面。计算机与 PLC 间采用直接通讯方式和 OPC 方式进行冗余通信。该系统灵活配置,控制可靠,编程简单且成本低。关键词关键词PLC 可编程序控制器、控制系统、通信协议、组态软件 0

2、干冰生产工艺 0 干冰生产工艺 制造干冰的原料来源非常丰富，发电厂、钢铁厂、水泥厂等工厂大量排放的烟气中，含有 12%-30%的高浓度二氧化碳，这些排放烟气经吸收法、吸附法、深冷法和膜法等物理、化学方法分离、浓缩后，可获得纯二氧化碳气体。特别是化工厂、氮肥厂等更具有二氧化碳的原料优势。其制备工艺是将气体二氧化碳经在压缩工序将气体压缩后送到脱硫工序对气体进行脱硫处理，脱硫过程中需要对气体进行加热和冷却处理，脱硫完成后原料气体进入净化工序对原料气体进行净化，原料气在净化器的升温净化后，进入冷却塔冷却后变成液体二氧化碳后进入提纯工序，液体二氧化碳在提纯工序经过两级提纯器长时间的加热、吸附、冷却共24

3、0 分钟后形成干冰产品后，进入最后储罐保存。1 控制系统的组成及功能 1 控制系统的组成及功能 计算机与 PLC 集成控制系统由生产控制系统和非生产控制系统二部分组成。生产控制系统主要由上位计算机、显示器、PLC、现场执行机构及现场仪表等部分组成。非生产控制系统主要由工艺流程模拟显示屏、工业电视监视设备、现场通讯设备、质量检查系统、管理信息系统等部分组成1。中央控制室负责处理来自现场和非生产系统的大量信息。通过计算机与 PLC 集成控制系统，将干冰生产线各生产车间、以及其他部门以及总厂厂部联成了密不可分的整体，从而最大限度地利用了信息资源，参见图 1。为满足干冰生产线生产的技术要求和现场的工况

4、，此控制系统的设计具有以下功能：1）根据用户提出的技术要求，按照干冰生产工艺精确地控制整个生产过程，并且通过上位计算机和现场 PLC(Programmable Logic Controller)控制系统实现整个生产过程的自动化。2）通过利用组态软件实现生产现场的生产过程动态监控。具有良好的人机操作界面、清晰的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕，对生产过程的实时变化一目了然。3）在干冰生产过程中，为提高整个控制计算机控制系统的精确性，在现场安装了各种各样的传感器，使控制系统具有反馈功能，这些相互独立系统的局部反馈功能构成了对整个控制系统的有力支持。4）当系统出现压力报警或温度报警时，一方面通过

5、 PLC 程序实现自动调整，另一方面借助动画，在控制室的操作人员可以立看到报警信号，及时采取相应措施。5）考虑到生产现场某些部位属于高温、有害气体残留处，技术人员不宜靠近，在现场安装了较多的检测设备，让技术人员实现远程监控。6）通信网络，网络中的各个计算机可以直接获得工业现场的信息，各管理部门之间也可以实现数据通信与数据共享。由于本文只讨论干冰生产线的控制系统设计，故本文只详细介绍生产控制系统的现场控制设备，过程控制器和上位计算机系统的构成。上位计算机系统：选择工业计算机作为上位计算机硬件系统，微软 Windows XP 作为操作系统，以目前通用组态软件作为上位计算机的监控系统，通过上位计算机

6、的监控画面可以对现场PLC进行参数设定,监视现场各执行机构的工作状态,而现场控制器PLC具体执行控制工作。要求计算机具有10/100M自适应以态网接口，能自由地接入生产管理网络，具有RS-232 1云南省自然科学基金资助项目（项目编号：2001F0025M）或 RS-422/485 通信接口，具备和现场控制器通信的能力。现场控制器：选择目前使用广泛的中型 PLC 作为现场的控制机构，构成的过程控制的核心,结合干冰生产的工艺要求,对压缩、脱硫、净化和提纯等工序进行了重点控制。集中采集生产过程的实时数据，实现与上位计算机的数据交换，完成控制命令和过程状态的上下传递,并完成闭环调节算法,接受参数后进

7、行闭环控制2。图 1 计算机集成控制系统的组成 现场执行机构核传感器：主要由各式各样的传感器和执行机构组成，主要用于检测原料气流量、提纯塔的压力和液位、冷却塔的入出口温度等值的检测和各种阀门的开度控制等。这些传感器将检测到的信号通过模拟量输入模块和现场 PLC 接在一起完成摸/数转换，PLC 根据干冰生产工艺完成各控制参数的闭环调节后，由模拟量输出模块将控制信号送到现场控制器。2 控制系统的实现 2 控制系统的实现 2.1 上位计算机系统的实现 由于组态软件系统具有可视化编程的功能、用户使用简单、组态方便灵活、能够快速和各种流行的 PLC 进行组网、支持实时数据库操作，具有良好的数据库接口、可

8、以方便灵活地实现多任务操作。它不但提供给用户丰富方便的常用编辑工具和作图工具,提供大量的工业设备图符、仪表图符,趋势图、历史曲线、组数据分析图等;而且提供了包括一整十分友好Windows 风格的图形化用户界面 GUI(graphics user interface),为集中监控提供了极大的方便。系统监控显示画面及功能如下:1）工艺流程画面在工艺流程画面上显示主要的工艺流程总貌和工作状态,相关设备,温度、压力等参数的显示。2）设备操作画面可以在此画面中开/关阀门,根据工艺状况需要改变设定值,进行 PID 参数设置,实现手动/自动无扰动切换,为了防止误操作,系统设置有操作权限,需要输入身份确认。操

9、作人员通过键盘和鼠标完成对生产过程的监控。3）趋势画面利用实时趋势曲线可以分析工艺过程中某数据的发展趋势,判断工艺状况。4）报警摘要显示所有未确认的报警,显示名称、报警值、报警时间等信息。2.2 现场控制算法的实现 由于需要对脱硫工序的原料气、提纯工序的液位和压力等调节原理相同,仅仅是调节参数不同而已,本文只以一个参数为例来说明。对于本系统的流量、温度和压力等模拟量的输入值是 4 到 20mA 的电流信号，经过 A/D 转换后在 PLC 中对应为 04095 机器码,为提高精度,消除干扰,需要进行数字滤波,常用的数字滤波有三种方式:时间滤波方式、平均值滤波方式和根据现场采样值的可信度滤波方式3

10、。本控制系统采用现场采样值的可信度滤波方式,滤波的公式为：1(1)nnyXX=+=（1）其中：为现场值的信任度,值为转换后的信任度,n、n-1为取样值。本系统中取0.3,取 0.7,进行工程单位标度转换。而在干冰生产过程中需要对原料气流量、压缩机四级出口压力、一级提纯的液位和压力以及二级提纯的液位和压力实施闭环控制，本系统采用 PID 控制器实现对系统的控制，系统的传递函数4如下：()icpdkG sKk ss=+（2）其包括一个比例项、一个积分项和一个微分项，其时域输出方程为：()()()()pidde tu tK e tke t dtkdt=+（3）在本控制过程中，由于执行机构和测量装置的

11、延迟，系统有可能是一个纯滞后过程，如对于温度的控制其延迟时间可能多达几分钟。这种滞后性质常引起被控对象产生超调或振荡，造成系统不容易达到稳定过程。因此，本系统采用 Smith 预测器5是克服纯滞后影响的有效方法之一，本文在常规校正环节基础上引入了 Smith 预测器补偿，其控制结构如图 2所示，图中虚线框内为 Smith 预估控制的原理框图。Smith 预估控制的实质就是与实际对象并联一个模型 Gp(S)(1-e-ts)，因此，控制器 Gc(S)的等效控制对象变为 Gp(S），也就是说，设计控制器 Gc(S）时不必考虑纯滞后环节的影响。此时系统的闭环传递函数为：()()()1()()tscpc

12、pG S GS eG SG S GS=+（4）从式（4）可以看出，tse已不包含在系统的特征方程里，因此系统性能完全不受纯滞后的影响。Smith 预测控制从理论上提供了将含有纯滞后的对象简化为不含纯滞后的对象进行控制的方法。图 2 带 Smith 预估器的温控系统 现场 PLC 的程序通过 PLC 编程软件在计算机上实现，实现完成后下传到 PLC，其梯形图程序由于本文篇幅有限不再给出。3 计算机与 PLC 的通信技术计算机与 PLC 的通信技术 多数可编程控制器（PLC）提供多种和上位机进行通信的方式，由于本系统数据量不大，所以采用 RS-232 通信和 RS-422 方式进行数据通信，RS-

13、232 连接计算机的串行端口和 PLC的编程口，上位计算机作为 PLC 的编程器使用，通信线路作为通讯的冗余备份线路使用，RS-422 作为主数据通信线路，连接计算机的串行端口和 PLC 的串口模块。通信协议根据不同的 PLC 而选定。尽管多数组态软件支持直接利用串口对 PLC 进行读取，但本系统不采用此种方式通信，而是采用通过 OPC（OLE for Process Control）服务器对 PLC 进行数据的写。组态软件从OPC 服务器获得数据，OPC 服务器通过 RS-422 从 PLC 获取数据。OPC 为不同厂商的硬件设备、软件和系统定义了公共的接口，使得过程控制和工厂自动化中的不同

14、的系统、设备和软件之间能够互相连接、通信、操作。最重要的是它可以同时向多台上位计算机系统提供数据5。4 结束语 4 结束语 在次干冰生产线的设计中,利用 PLC 作为过程控制中心设备、控制方法灵活，控制效果通过一年的实际运行验证可靠、控制程序编制简单,上位计算机系统工作可靠，界面直观，体现了干冰生产过程的工艺流程，投入成本低,应用灵活方便，控制系统可以方便地和其它控制系统集成，可以将现场数据汇中总到办公网络中，本系统不但优化了干冰生产的工艺过程、提高了经济效益,而且对传统的生产观念、管理方式带来了创新同时可以为企业带来了可观的经济效益和社会效益。参考文献 参考文献 1王海瑞,王华,分布式控制系

15、统在垃圾焚烧过程中的应用与设计J 工业加热 2004,5 2蒋方炎,等,PLC 在工业集散控制系统中的应用机电工程,2000,17(3):88-91 3朱广波,王保京,PLC 在磷酸生产过程自动化中的应用J.工业计量 2003,2:16-19 4Richard C.Dorf 等，现代控制系统 北京：高等教育出版社，2003,2 310-312 5王海瑞,钟家玉,用 Delphi 开发 OPC 客户端工具的方法研究J微计算机信息 2004,6 Application of Computer and PLC integration control system in dry ice product

16、ion process Wang Hairui Zhang Yong(Kunming University of Science and Technology information and automation school,Yunnan Kunming 650093)Abstract The dry ice production process automatic monitoring is based on the PLC collection and distribution control system.The system is composed by a host compute

17、r and PLC,which carries on the global monitor and control process.Host computer sets the PLCs parameters through monitoring picture,while receives the parameter,PLC execute the closed-loop control.Control system uses the configuration software to design each kind of monitoring picture.The system use

18、s different protocol to carry on the communication between computer and PLC.This system shows flexible configuration,reliable monitoring,simple programming and also the low cost.Key word PLC、Control system、Communication protocol、Configuration software 王海瑞：男，博士研究生、副教授，1969 年生，主要从事计算机专业教学和计算机控制技术的研究工作。联系地址：昆明理工大学信息及自动化学院计算机系，邮 编：650093 Email: