廖曉軍

摘 要：隨著氣力輸送系統(tǒng)的應(yīng)用日漸廣泛，與之配套的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性越顯重要，根據(jù)對200多個(gè)項(xiàng)目方案的研究、總結(jié)，歸納出了工藝系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求，以及硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與具體選型的原則與方法，從而據(jù)此設(shè)計(jì)出較合適的氣力輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：可編程序控制器（PLC）；組態(tài)軟件；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）

1 引言

氣力輸送裝置是在管道內(nèi)利用氣體作為承載介質(zhì)，將物料從一處（或幾處）輸送到另一處（或幾處）的設(shè)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(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中自動控制等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于港口裝卸、石化、建材、機(jī)械生產(chǎn)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(lǐng)域，其應(yīng)用前景極為廣闊。

上世紀(jì)80年代以來隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的數(shù)據(jù)采集處理能力、運(yùn)算能力、人機(jī)接口及網(wǎng)絡(luò)通信能力得到大幅度增強(qiáng)，PLC與DCS逐漸融合與互連（亦得益于DCS的開放性發(fā)展），PLC不斷滲透并蠶食DCS的某些應(yīng)用領(lǐng)域。由于PLC具有通用性強(qiáng)、可靠性高、易于使用、性價(jià)比高等特點(diǎn)，使它在工業(yè)控制機(jī)系統(tǒng)市場中繼續(xù)保持上升的勢頭。

工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。由于組態(tài)軟件具有開發(fā)時(shí)間短，效率高，可靠性高以及開放性、可擴(kuò)展性、一致性、易維護(hù)性等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

由于氣力輸送系統(tǒng)具有系統(tǒng)規(guī)模（組成）多變性、輔助設(shè)備多樣性、分散性等特點(diǎn)以及PLC和工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件具有的優(yōu)異特性，氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)大多采用上位機(jī)（PC）+PLC的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）模式。本文介紹了正壓氣力輸送系統(tǒng)的基本工藝及其對監(jiān)控系統(tǒng)的要求和監(jiān)控系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)。

2 工藝簡介

一套典型的正壓氣力輸送系統(tǒng)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(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)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(jī)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(shè)備。此外，還有氣化風(fēng)系統(tǒng)、卸料設(shè)備等輔助系統(tǒng)和設(shè)備。

3 氣力輸送系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)備主要有閥門、空壓機(jī)、干燥機(jī)、風(fēng)機(jī)、加熱器、料倉設(shè)備等。

在電力系統(tǒng)有時(shí)亦將除塵器、除渣、石灰石等周遍設(shè)備和系統(tǒng)納入氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)組成灰網(wǎng)。

系統(tǒng)的檢測儀表主要有：壓力、物位、溫度、到位等開關(guān)；壓力、溫度、電壓、電流、連續(xù)料位計(jì)等變送器；稱重、溫度等傳感器。

3.1 控制系統(tǒng)信號類型及對象

3.1.1 開關(guān)量輸入（DI）：壓力、物位、溫度、到位、聯(lián)鎖等開關(guān)。

3.1.2 開關(guān)量輸出（DO）：電磁閥、電動執(zhí)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(jī)轉(zhuǎn)速、閥門開度、電壓、電流等。

3.1.4 模擬量輸出（AO）：電機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門開度等。

3.1.5 溫度傳感器輸入（RTD）：溫度。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)基本要求

3.2.1 對整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、調(diào)節(jié)控制和自動順序控制以及報(bào)警。

3.2.2 按照P&ID設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，被監(jiān)控的信號能打印記錄。

3.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮具備軟、硬件結(jié)構(gòu)模塊化組態(tài)及修改的能力，并具有可擴(kuò)展其功能的可能性。

3.2.4 料倉距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站控制料倉處的設(shè)備。

3.2.5 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)組成及與其它系統(tǒng)連接的需要考慮網(wǎng)絡(luò)的類型與數(shù)量。

3.2.6 具有自動、軟手操、就地三種方式。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)典型的組成如附圖1。具體到每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、控制功能的要求、擴(kuò)展性及網(wǎng)絡(luò)互連的要求等來選取或增加系統(tǒng)的組成。

4.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)選型

4.2.1 任務(wù)

上位機(jī)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)主要有：a） IO數(shù)據(jù)采集、控制，b）監(jiān)控畫面的顯示，包括顯示工藝流程及測量參數(shù)、控制方式、順序運(yùn)行狀態(tài)、控制對象狀態(tài)，能進(jìn)行參數(shù)的成組顯示、趨勢顯示和棒狀圖顯示及報(bào)警信息的顯示等，c）報(bào)警、登錄、歷史數(shù)據(jù)記錄及WEB等服務(wù)，d） 程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面修改等功能，e）報(bào)表打印，f）與其它系統(tǒng)互連等。

4.2.2 配置

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

◆內(nèi)存：其容量應(yīng)按系統(tǒng)的規(guī)模、所配軟件及其它要求確定（如配置了SIEMENS WINCC或PCS7軟件對內(nèi)存容量要求1G）。

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

◆硬盤：一般選用單個(gè)常規(guī)硬盤即可。要求較高的系統(tǒng)（或服務(wù)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(wù)器（或pc）為獲得高傳輸率和高可靠性還要求采用SCSI硬盤。

◆網(wǎng)卡：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置要求配置以太網(wǎng)卡或PROFIBUS-DP、ControlNet、MODBUS（485）等現(xiàn)場總線適配卡，如果是雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)還應(yīng)配置雙網(wǎng)卡或雙口網(wǎng)絡(luò)適配卡。

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

◆光驅(qū)、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)及其它（包括UPS、打印機(jī)等周遍設(shè)備）：根據(jù)實(shí)際要求選配。

4.3 PLC（下位機(jī)）的設(shè)計(jì)選型

每個(gè)PLC廠家都有一個(gè)或幾個(gè)系列的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)型式、運(yùn)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(tǒng)、處理速度、價(jià)格等各有自己的特點(diǎn)，適用場合各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對提高PLC系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起重要的作用。

PLC機(jī)型的選擇

4.3.1 PLC容量

PLC容量包括兩個(gè)方面：一是I/O的點(diǎn)數(shù)，二是用戶存儲器的容量。

（1）I/O點(diǎn)數(shù)的估算：根據(jù)被控對象的IO信號分類匯總后的總點(diǎn)數(shù)，加上10～20%的備用量。需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸人輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。

（2）用戶存儲器容量的估算：用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素（如IO點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等）有關(guān)。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，在實(shí)際項(xiàng)目中可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為每個(gè)產(chǎn)品調(diào)整估算公式。

此外，對于中大型PLC還應(yīng)考慮裝載存儲器容量，裝載存儲器保存用戶程序、標(biāo)簽數(shù)據(jù)（符號表）、組態(tài)信息等數(shù)據(jù)，一般容量按用戶程序容量的兩倍考慮。

4.3.2 開關(guān)量輸入輸出模塊

開關(guān)量輸入模塊是用來檢測壓力開關(guān)、物位開關(guān)、溫度開關(guān)、到位開關(guān)等信號，其工作電壓應(yīng)根據(jù)信號的遠(yuǎn)近來選擇不同電壓規(guī)格的模塊，氣力輸送控制系統(tǒng)以直流24V的模塊最為普遍?？紤]抗沖擊能力和更換維護(hù)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(shù)、分辨率的差別，還有是否隔離、是否帶診斷功能等不同規(guī)格，應(yīng)根據(jù)所接設(shè)備信號規(guī)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(shù)量不等、類型不同的通訊口，但許多時(shí)候不能滿足網(wǎng)絡(luò)連接的需要，這時(shí)就要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的要求擴(kuò)展一定數(shù)量和類型的通訊適配模塊，如，以太網(wǎng)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(shí)候，PLC系統(tǒng)的重要部件如CPU、電源、通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)架等可選擇1：1冗余配置。氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)大多采用雙電源、雙CPU、雙網(wǎng)絡(luò)的熱備冗余系統(tǒng)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

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

由于氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備較分散，所以一般采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大量采用現(xiàn)場總線進(jìn)行分布式控制?，F(xiàn)場總線距離較遠(yuǎn)時(shí)還應(yīng)配置中繼器。無論以太網(wǎng)還是現(xiàn)場總線超過一定距離時(shí)需要采用光纖連接，配置光纖適配器。在要求高可靠性時(shí)，應(yīng)采用雙網(wǎng)冗余配置。在氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)采用PROFIBUS和CONTROLNET較普遍。

5 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包含二部分：PLC軟件和上位機(jī)軟件。

5.1 PLC軟件

在PLC應(yīng)用程序中，包含系統(tǒng)所監(jiān)控的所有設(shè)備的控制程序，而其中倉泵的控制是氣力輸送系統(tǒng)控制的核心，每臺倉泵都是一個(gè)獨(dú)立體，既可單機(jī)運(yùn)行，也能多臺組成系統(tǒng)運(yùn)行。每輸送一泵物料即為一個(gè)工作循環(huán)，每個(gè)循環(huán)分四個(gè)階段：1、進(jìn)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(jī)軟件

上位機(jī)根據(jù)系統(tǒng)需要完成的各種任務(wù)配置各類軟件，主要有下列幾類

5.2.1 操作系統(tǒng)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(tǒng)（含服務(wù)器版）、文字及數(shù)據(jù)處理軟件、殺毒軟件等。對于數(shù)據(jù)量大、要求較高的系統(tǒng)還需配置SQL Server或ORACLE等數(shù)據(jù)庫軟件，對實(shí)時(shí)性要求高時(shí)還應(yīng)配置InSQL Server或iHirstorian等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

5.2.2 編程軟件

編程軟件（環(huán)境）主要功能為：建立和管理項(xiàng)目、對硬件和通訊作組態(tài)和參數(shù)賦值、管理符號、創(chuàng)建程序、下載/上載程序到控制器/PC、測試系統(tǒng)、診斷設(shè)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(gè)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(shù)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(fēng)格、界面、應(yīng)用平臺、靈活性、適應(yīng)性都有差異，許多廠家編程軟件（環(huán)境）都有標(biāo)準(zhǔn)版、專業(yè)版等版本或外帶不同功能的選件包來達(dá)到不同功能需要，在具體項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)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(jiān)控組態(tài)軟件

SCADA有很多任務(wù)組成，每個(gè)任務(wù)完成特定的功能。

監(jiān)控組態(tài)軟件的廠家眾多，大多都可采用分布式C/S結(jié)構(gòu)和冗余配置，支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA等標(biāo)準(zhǔn)，并具有圖形開發(fā)、過程報(bào)警、歷史存儲、腳本語言（VBA、類BASIC、類C）、IO驅(qū)動、軟PLC等功能。在氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)中常用的幾種組態(tài)軟件有：InTouch；iFix；WinCC；RSView32；組態(tài)王。

6 結(jié)束語

一套氣力輸送系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型，應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的組成、設(shè)備布置、操作要求等方面的情況，從系統(tǒng)規(guī)模、控制功能的要求、網(wǎng)絡(luò)互連及可靠性、擴(kuò)展性、性價(jià)比等方面確定監(jiān)控系統(tǒng)的配置。

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[6]作者不祥.[轉(zhuǎn)帖]SCADA（監(jiān)控組態(tài)軟件）簡介，bbs.zidonghua.com.cn。

[7]RSView32簡介.AB公司。

[8]InTouch9.0數(shù)據(jù)手冊. Wonderware公司。