摘要：本文介紹了ABB AC500 型PLC在石灰窯監控系統中的應用。PLC除了用于對現場儀表的數據采集和處理以外，還用來完成對現場的機械設備的連鎖自動控制。此外，工控組態軟件iFIX作為一種標準的人機界面(HMI)被用于監控工業生產的動態過程。

 

關鍵詞： PLC 石灰窯 過程監控 iFIX組態軟件

 

Abstract: In this paper, we discuss the application of ABB AC500 PLC in the process

 

monitoring and control for limekiln production. The PLC is mainly utilized for collecting process data as well as realizing auto-controlling of field mechanism. In addition, iFIX configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process.

Keywords: PLC; Limekiln; Process Monitoring and Control; iFIX configuration software

 

引言

 

活性石灰是鋼鐵行業必不可少的材料，近幾年我國的鋼鐵行業發展迅速，因此鋼鐵行業對活性石灰的需求相當的大，石灰品質的好壞直接影響著鋼鐵的質量，因此，采用先進的自動控制系統，對于提高煉鐵煉鋼的產量和質量，有十分重要的意義。

 

當前可編程控制器（PLC）是專為工業環境下應用而設計的工業控制計算機，已經成為電氣控制系統中應用最為廣泛的核心裝置，它不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩定性好、體積小，能在惡劣環境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。

 

1.石灰窯監控系統概述

 

石灰窯生產的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在豎窯的加料口加入石灰石和焦碳，經過煅燒成生石灰，輸出到成品料倉。控制系統主要包括石灰石和焦碳運輸系統、給料系統、稱量系統、上料系統、布料煅燒系統、冷卻空氣循環系統、助燃空氣循環系統、廢氣除塵循環系統、成品出窯、運輸系統。并要求在主控室能打印報表，顯示窯體相關溫度，各分系統的運行狀態，電動機的運行電流等。

新建石灰窯工藝設計先進，自動化程度高，所有設備具備機旁手動、主控室手動、主控室自動三種控制模式，并具備設備故障診斷報警功能。

 

根據用戶和工藝設計的要求，石灰窯生產的過程監控部分采用典型的兩級監控方式：生產管理級和現場控制級。上位機以標準的工業控制計算機（IPC）作為主要的人機界面(Human-Machine Interface)，為生產管理級，完成對下位機的監控、生產操作管理等，主要面向操作人員；下位機由ABB AC500系列PLC構成，為基礎測控級，完成生產現場的數據采集及過程控制等，面向生產過程。

 

（1）生產管理級

 

面向生產操作人員，在HMI的監控畫面上顯示各種設備的工況參數，并通過HMI來對生產過程進行控制調節。根據生產情況可選擇機旁手動、主控室手動、主控室自動工作模式。當生產中出現異常時，在HMI上顯示報警信息。對生產中的各種數據進行存儲、管理、產生各種生產報表。

 

（2）現場控制級

 

面向生產過程，由可編程控制器以及現場智能I/O處理器、各種模板構成，為基礎測控級。完成生產現場大量壓力、溫度、流量的采集和處理，對生產過程進行控制。自動控制系統通過對由振動給料篩、料斗提升機、電子秤量斗、單斗提升機，拖板出料機、卸料閘板、振動給料機構成的豎窯篩選、加料、卸料系統的自動控制，實現原料的篩選、加料、卸料的自動化。在出料過程中為保證石灰豎窯的密閉型，必須確保上下卸料閘板只有一個同時處于開啟狀態。通過助燃空氣壓力、冷卻空氣壓力的PID調節，達到恒壓控制的要求。

 

根據以上的控制要求，下面我們將詳述為滿足石灰窯過程監控系統所需要的硬件和軟件組態。

 

2.系統硬件配置

 

為了滿足上面提到的石灰窯過程監控系統的控制要求，我們采用ABB公司的AC500系列可編程控制器，AC500采用模塊化設計。

 

（1）研華的工業控制計算機（IPC），操作系統為Windows 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ處理器，2.66GHz主頻，256M內存，80G硬盤

（2）CPU模塊：ABB公司的AC500系列可編程控制器CPU有PM571、PM581、PM591三個不同的等級，本系統采用PM581，在CPU上帶有：LCD的顯示、一組操作按鍵、一個SD卡的擴展口和兩個集成的串行通訊口， CPU底板集成以太網接口，并保留CS31通訊接口，具有與AC31系列PLC兼容性好的特點。

（3）本地擴展模塊：ABB 16通道AI523模擬量輸入模塊2個， 8輸入/8輸出通道AX522模擬量輸入/輸出模塊1個， DX531開關量輸入/輸出模塊（可設置）4個。

（4）分布式擴展：ABB DC551遠程擴展模塊1個，帶CS31接口，并有8點24V DC開關量輸入，16點24V DC可設置的輸入/輸出，DX531開關量輸入/輸出模塊2個，DC523開關量輸出模塊1個。

（5）電源模塊：ABB CP-S電源，輸入AC85-264V/輸出DC24V，10A、5A各1個，單獨安裝。

 

本系統的遠程擴展采用CS31總線模塊DC551-CS31，插在CS31總線底板上，通過RS485串口可以將模塊連接到所有的CS31總線上。I/O通道的電氣連接用CS31底板的40個接線端子實現的。可以實現不改變接線的情況下更換CS31總線模塊。其連接是通過端子1.0到1.7連接CS31總線。

 

3.組態軟件

 

在本系統中采用Intellution-iFIX組態軟件，Intellution公司是專門從事監控軟件工作的,現屬GE公司, iFIX具有以下特點：

 

（1）圖形功能很強，支持多種圖形格式，其追加的圖形庫，內容豐富，解決了原來圖形過大的問題。可同時使用256種顏色，其中有64種顏色可用彩虹色調色，組成各種調色方案，嵌入圖形中不會因放大縮小而失真。

（2）iFIX提供多種數據類型，有很多現成的功能塊；歷史記錄塊、趨勢塊、計算塊、PID塊、計時塊，這對于設備運行時間計算，數據轉化等工作可以不必在畫面中去做，同時iFIX還提供十多種信號發生器，在調試中幫助很大，實現非常方便。

（3）網絡功能強，iFIX只要物理上保持聯結就可以自動尋找網絡結點，不必人工設定，是第一個完全基于Client/Server HMI軟件，具有C/S架構軟件的所有功能，可以監視遠程節點的所有數據點而不用增加任何的Tag可以在線增加、修改、刪除遠程節點中的數據庫點，真正實現遠程組態。

（4）通信功能好，iFIX是基于組件對象技術(COM、DCOM)，幾乎針對工業應用的所有硬件都有接口，是專業從事監控軟件的公司，更適用于現場，應用上穩定性好。

（5）管理方面，iFIX只要直接組態(設置)就可以不重新啟動軟件即可生效，其他軟件有較為復雜的操作、設定，而且還要系統重新啟動方起作用；iFIX采用的是控件組態方式，相對靈活一些，還提供了一個歷史報警的記錄閱讀程序，這里同時包含著登錄操作的記錄；由于iFIX有內嵌的VBAiFIX還帶有SQL語言，全面支持ADO，RDO，所以對于常用的辦公軟件如Office 以及一般的數據庫軟件如SQL Server、Access、Oracle、FoxPro等都能很好的訪問和操作。

（6）加鎖方法，iFIX采用硬件狗，避免由于操作系統(軟件)自身的穩定性不好，使用軟狗給人的一種恐慌。

在上位機上用iFIX軟件設計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內容：

（1）工藝流程圖：如圖4所示，在該畫面中通過編程實現動態模擬顯示整個石灰窯的現場上料和出料過程，并且在窯體上實時顯示了各燃燒帶的溫度，以便于操作者能及時準確的掌握窯內的燃燒情況。能夠對現場設備的故障進行實時診斷。

（2）系統操作功能：它有自動和手動兩種工作方式，在故障和設備安裝調試階段一般用手動操作方式，正常運行時采用自動方式，以實現對一些重要的模擬量數據的精確控制。

（3）報警記錄：對于如煤氣流量、壓力等一些重要的模擬量輸入參數進行實時報警，當處于監控下的任何一個變量超出預先設定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時會自動彈出一個報警對話框，在該對話框中操作者可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應的措施。

（4） 實時曲線：在線監視所有重要參數的實時變化，以便提前采取維持正常參數的措施和手段。

（5）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數據記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進而可以對變量未來的發展趨勢做進一步的預測。歷史曲線：檢查過去的數據記錄，以便發生故障時，分析出故障原因。

（6） 報表打印：按不同的時間段實現統計與計量，以便于生產管理。

 

iFIX有多種驅動方式，本系統采用MBE驅動，很方便的進行連接、通訊。

 

4.PLC編程

 

系統控制軟件由主程序和多個子程序模塊組成的，它是以ABB Codesys v2.3編程軟件為開發環境，Codesys v2.3這套編程軟件符合IEC61131-3的國際標準，可支持IL、LD、FBD、SFC、ST五種不同的編程語言。可完成AC500系統的全部設置，包括所有的總線接口，而且還有全面的自診斷功能、報警處理、可視化調試工具和開放的數據接口。另外還可在沒有連接PLC硬件的情況下進行仿真，對用戶程式進行調試，包括相關的手動功能。調試后的程式再下載到CPU 控制系統中使用。

 

本文中采用的是梯形圖方式編程。本系統的控制分主控室集中和機旁兩種工作方式，在主控室的操作界面中，又分為手動和自動方式。整個控制程序是用ABB Codesys v2.3實現的，大致分為如下幾部分：小車上料、配料、稱重、布料、出灰、風量控制、電機電流、溫度、壓力、流量等模擬量的顯示報警，其中配料稱重和上料控制是本系統的控制難點，在編程中需要考慮的因素較多，并利用一些技巧，如稱重時的偏差及偏差的修正，石灰石給料機的工備切換，石灰石給料、焦炭給料的連鎖，給料量的設定、累計，上料與配料的連鎖，各種故障及誤操作的處理等。

PLC的一個顯著特點就是進行邏輯控制，可以把這種控制有效的應用在處理模擬量數據中，如模擬量數據的采集與變送。對于象溫度、壓力、流量等這樣的模擬量輸入輸出參數必須實時在線采集和測量，檢測部分由一次儀表構成，即測量溫度的熱電偶或熱電阻，測量流量的孔板，測量壓力的電動差壓變送器或壓力變送器等。信號處理部分包括變送器、轉換器、變換器等，作用是將傳感器的輸出信號進行放大、線性化、轉換等處理后，變換成標準信號輸出給PLC，通過PLC程序的運行，轉換為界面可顯示的、并與實際值相符的各類值。在本文中經過變送器轉換的信號為4－20mA的標準的電流信號輸出。

 

5. 通訊方式

 

ABB PM581 CPU上除了集成的兩個Modbus通訊接口和可選集成的以太網或ARCNET網絡接口外，還可最多擴展4個通訊接口：ProfibusDP-V1 、DeviceNet、CANopen和以太網等總線接口。兩個串行接口，用于編程、ASCII通訊、Modbus通訊，或CS31通訊（只能用于主站）。

 

CS31現場總線從1989年研發至今，一直起著承先啟后的作用。通過這個總線，把前后多套系統有機的聯系在了一起。CS31總線便于設置和通訊簡單，總線的連接只需通過三個接線端子來實現，省去其它總線所需的額外連接成本。AC500控制系統的COM1口集成了CS31主站功能。CS31總線是一種點對多點的RS485串行通訊。每個通訊系統由一個主站和最大31個從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達到2000米。總線帶有自診斷功能。通訊介質為: 屏蔽雙絞線。

 

可通過以太網和ARCNET 網進行編程，還可通過DDE和OPC方式和外部進行數據交換。。工業以太網（Industrial Ethernet）是一個用于工廠管理和單元層的通訊系統，被設計為對時間要求不嚴格用于傳輸大量數據的通訊系統，可以通過網關設備來連接遠程網絡。本系統通過以太網與上位機連接，進行編程、界面操作和現實。

 

6. 結論

 

本文討論了基于ABB AC500型PLC的石灰窯過程監控系統的設計與實現。本控制系統是由濰坊中興電氣自動化公司設計制作，已在濰鋼生產線上得到實際使用,為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。在該系統中PLC控制充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場調試的優點，給整個系統的穩定性帶來較大的益處。這種方法對其它生產線或設備的控制有一定的參考作用。

本控制系統功能全面，操作簡單實用，提高了勞動生產率，避免了由于操作人員操作失誤而造成的事故，改善了現場操作人員的勞動條件，對提高活性石灰生產的管理水平，保證設備安全穩定運行起到了很好的促進作用。