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引言
活性石灰是钢铁行业必不可少的材料，近几年我国的钢铁行业发展迅速，因此钢铁行业对活性石灰的需求相当的大，石灰品质的好坏直接影响着钢铁的质量，因此，采用先进的自动控制系统，对于提高炼铁炼钢的产量和质量，有十分重要的意义。
当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用为广泛的核心装置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
1。石灰窑监控系统概述
石灰窑生产的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在竖窑的加料口加入石灰石和焦碳，经过煅烧成生石灰，输出到成品料仓。控制系统主要包括石灰石和焦碳运输系统、给料系统、称量系统、上料系统、布料煅烧系统、冷却空气循环系统、助燃空气循环系统、废气除尘循环系统、成品出窑、运输系统。并要求在主控室能打印报表，显示窑体相关温度，各分系统的运行状态，电动机的运行电流等。
新建石灰窑工艺设计先进，自动化程度高，所有设备具备机旁手动、主控室手动、主控室自动三种控制模式，并具备设备故障诊断报警功能。
根据用户和工艺设计的要求，石灰窑生产的过程监控部分采用典型的两级监控方式：生产管理级和现场控制级。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面(Human-Machine Interface)，为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由ABB AC500系列PLC构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
（1）生产管理级
面向生产操作人员，在HMI的监控画面上显示各种设备的工况参数，并通过HMI来对生产过程进行控制调节。根据生产情况可选择机旁手动、主控室手动、主控室自动工作模式。当生产中出现异常时，在HMI上显示报警信息。对生产中的各种数据进行存储、管理、产生各种生产报表。
（2）现场控制级
面向生产过程，由可编程控制器以及现场智能I/O处理器、各种模板构成，为基础测控级。完成生产现场大量压力、温度、流量的采集和处理，对生产过程进行控制。自动控制系统通过对由振动给料筛、料斗提升机、电子秤量斗、单斗提升机，拖板出料机、卸料闸板、振动给料机构成的竖窑筛选、加料、卸料系统的自动控制，实现原料的筛选、加料、卸料的自动化。在出料过程中为保证石灰竖窑的密闭型，必须确保上下卸料闸板只有一个同时处于开启状态。通过助燃空气压力、冷却空气压力的PID调节，达到恒压控制的要求。
根据以上的控制要求，下面我们将详述为满足石灰窑过程监控系统所需要的硬件和软件组态。
2。系统硬件配置
为了满足上面提到的石灰窑过程监控系统的控制要求，我们采用ABB公司的AC500系列可编程控制器，AC500采用模块化设计。
（1）研华的工业控制计算机（IPC），操作系统为bbbbbbs 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ处理器，2.66GHz主频，256M内存，80G硬盘
（2）CPU模块：ABB公司的AC500系列可编程控制器CPU有PM571、PM581、PM591三个不同的等级，本系统采用PM581，在CPU上带有：LCD的显示、一组操作按键、一个SD卡的扩展口和两个集成的串行通讯口， CPU底板集成以太网接口，并保留CS31通讯接口，具有与AC31系列PLC兼容性好的特点。
（3）本地扩展模块：ABB 16通道AI523模拟量输入模块2个， 8输入/8输出通道AX522模拟量输入/输出模块1个， DX531开关量输入/输出模块（可设置）4个。
（4）分布式扩展：ABB DC551远程扩展模块1个，带CS31接口，并有8点24V DC开关量输入，16点24V DC可设置的输入/输出，DX531开关量输入/输出模块2个，DC523开关量输出模块1个。
（5）电源模块：ABB CP-S电源，输入AC85-264V/输出DC24V，10A、5A各1个，单独安装。
根据要求本系统的PLC硬件配置如图1所示：
图1 PLC的硬件配置图
本系统的远程扩展采用CS31总线模块DC551-CS31，插在CS31总线底板上，通过RS485串口可以将模块连接到所有的CS31总线上。I/O通道的电气连接用CS31底板的40个接线端子实现的。可以实现不改变接线的情况下更换CS31总线模块。 其连接是通过端子1.0到1.7连接CS31总线。在CS31总线终端的CS31总线模块（需要激活终端电阻）接线如图2所示：
图2 在CS31总线终端的CS31总线模块接线
在CS31总线中间的CS31总线模块（不需要激活终端电阻）接线如图3所示：
图3 在CS31总线中间的CS31总线模块接线
3．组态软件
在本系统中采用Inbbblution-iFIX组态软件，Inbbblution公司是专门从事监控软件工作的,现属GE公司, iFIX具有以下特点：
（1）图形功能很强，支持多种图形格式，其追加的图形库，内容丰富，解决了原来图形过大的问题。可同时使用256种颜色，其中有64种颜色可用彩虹色调色，组成各种调色方案，嵌入图形中不会因放大缩小而失真。
（2）iFIX提供多种数据类型，有很多现成的功能块；历史记录块、趋势块、计算块、PID块、计时块，这对于设备运行时间计算，数据转化等工作可以不必在画面中去做，同时iFIX还提供十多种信号发生器，在调试中帮助很大，实现非常方便。
（3）网络功能强，iFIX只要物理上保持联结就可以自动寻找网络结点，不必人工设定，是个完全基于Client/Server HMI软件，具有C/S架构软件的所有功能，可以监视远程节点的所有数据点而不用增加任何的Tag可以在线增加、修改、删除远程节点中的数据库点，真正实现远程组态。
（4）通信功能好，iFIX是基于组件对象技术(COM、DCOM)，几乎针对工业应用的所有硬件都有接口，是从事监控软件的公司，更适用于现场，应用上稳定性好。
（5）管理方面，iFIX只要直接组态(设置)就可以不重新启动软件即可生效，其他软件有较为复杂的操作、设定，而且还要系统重新启动方起作用；iFIX采用的是控件组态方式，相对灵活一些，还提供了一个历史报警的记录阅读程序，这里同时包含着登录操作的记录；由于iFIX有内嵌的VBAiFIX还带有SQL语言，全面支持ADO，RDO，所以对于常用的办公软件如Office 以及一般的数据库软件如SQL Server、Access、Oracle、FoxPro等都能很好的访问和操作。
（6）加锁方法，iFIX采用硬件狗，避免由于操作系统(软件)自身的稳定性不好，使用软狗给人的一种恐慌。
在上位机上用iFIX软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
（1）工艺流程图：如图4所示，在该画面中通过编程实现动态模拟显示整个石灰窑的现场上料和出料过程，并且在窑体上实时显示了各燃烧带的温度，以便于操作者能及时准确的掌握窑内的燃烧情况。能够对现场设备的故障进行实时诊断。
图4 石灰窑监控系统的工艺主画面
（2）系统操作功能：它有自动和手动两种工作方式，在故障和设备安装调试阶段一般用手动操作方式，正常运行时采用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的jingque控制。
（3）报警记录：对于如煤气流量、压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时会自动弹出一个报警对话框，在该对话框中操作者可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。
（4） 实时曲线：在线监视所有重要参数的实时变化，以便提前采取维持正常参数的措施和手段。
（5）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。历史曲线：检查过去的数据记录，以便发生故障时，分析出故障原因。
（6） 报表打印：按不同的时间段实现统计与计量，以便于生产管理。
iFIX有多种驱动方式，本系统采用MBE驱动，很方便的进行连接、通讯。
4．PLC编程
系统控制软件由主程序和多个子程序模块组成的，它是以ABB Codesys v2.3编程软件为开发环境，Codesys v2.3这套编程软件符合IEC61131-3的，可支持IL、LD、FBD、SFC、ST五种不同的编程语言。可完成AC500系统的全部设置，包括所有的总线接口，而且还有全面的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。另外还可在没有连接PLC硬件的情况下进行仿真，对用户程式进行调试，包括相关的手动功能。调试后的程式再下载到CPU 控制系统中使用。
图5 石灰窑自动配料、上料部分主流程图
本文中采用的是梯形图方式编程。本系统的控制分主控室集中和机旁两种工作方式，在主控室的操作界面中，又分为手动和自动方式。整个控制程序是用ABB Codesys v2.3实现的，大致分为如下几部分：小车上料、配料、称重、布料、出灰、风量控制、电机电流、温度、压力、流量等模拟量的显示报警，其中配料称重和上料控制是本系统的控制难点，在编程中需要考虑的因素较多，并利用一些技巧，如称重时的偏差及偏差的修正，石灰石给料机的工备切换，石灰石给料、焦炭给料的连锁，给料量的设定、累计，上料与配料的连锁，各种故障及误操作的处理等，图5为配料、上料部分在自动工作方式下的主流程图。
PLC的一个显著特点就是进行逻辑控制，可以把这种控制有效的应用在处理模拟量数据中，如模拟量数据的采集与变送。对于象温度、压力、流量等这样的模拟量输入输出参数必须实时在线采集和测量，检测部分由一次仪表构成，即测量温度的热电偶或热电阻，测量流量的孔板，测量压力的电动差压变送器或压力变送器等。信号处理部分包括变送器、转换器、变换器等，作用是将传感器的输出信号进行放大、线性化、转换等处理后，变换成标准信号输出给PLC，通过PLC程序的运行，转换为界面可显示的、并与实际值相符的各类值。在本文中经过变送器转换的信号为4－20mA的标准的电流信号输出。
5. 通讯方式
ABB PM581 CPU上除了集成的两个Modbus通讯接口和可选集成的以太网或ARCNET网络接口外，还可多扩展4个通讯接口：ProfibusDP-V1 、DeviceNet、CANopen和以太网等总线接口。两个串行接口，用于编程、ASCII通讯、Modbus通讯，或CS31通讯（只能用于主站）。
CS31现场总线从1989年研发至今，一直起着承先启后的作用。通过这个总线，把前后多套系统有机的联系在了一起。CS31总线便于设置和通讯简单，总线的连接只需通过三个接线端子来实现，省去其它总线所需的额外连接成本。AC500控制系统的COM1口集成了CS31主站功能。CS31总线是一种点对多点的RS485串行通讯。每个通讯系统由一个主站和大31个从站组成。通讯距离不加中继为500米，加中继大可达到2000米。总线带有自诊断功能。通讯介质为: 屏蔽双绞线。
可通过以太网和ARCNET 网进行编程，还可通过DDE和OPC方式和外部进行数据交换。。工业以太网（Industrial Ethernet）是一个用于工厂管理和单元层的通讯系统，被设计为对时间要求不严格用于传输大量数据的通讯系统，可以通过网关设备来连接远程网络。本系统通过以太网与上位机连接，进行编程、界面操作和现实。
6. 结论
本文讨论了基于ABB AC500型PLC的石灰窑过程监控系统的设计与实现。本控制系统是由潍坊中兴电气自动化公司设计制作，已在潍钢生产线上得到实际使用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。 这种方法对其它生产线或设备的控制有一定的参考作用。
本控制系统功能全面，操作简单实用，提高了劳动生产率，避免了由于操作人员操作失误而造成的事故，改善了现场操作人员的劳动条件，对提高活性石灰生产的管理水平，保证设备安全稳定运行起到了很好的促进作用。
一、原系统分析
株洲硬质合金厂空调系统共有溴化锂机组两台，其中冷冻水泵2台功率为200KW，采用自耦降压启动。操作工根据负荷情况开1台或2台。单台水泵大输出流量为600m3/h，系统全开时为1200m3/h。现水泵运行出口压力为4.5-9kg，小流量需求为200m3/h，大流量需求为950m3/h。压力波动较大的原因为，冷冻水泵流量不能根据负载变化调节，一旦后级工段冷冻水量减少水泵出口压力就会急剧上升。冷冻水在管路里快速循环未充分换热就回水，造成回水温度低。水泵和主机都白白消耗能量。
当1#机组开起后，1#流量必须满足低流量值200 m3/h，如果用户流量没有达到低流量值时，机组就会停机保护，值班人员必须提前打开旁通阀，使部分冷冻水在机组内循环来保证机组内有200 m3/h以上的流量。2#也如此。
二、改造控制要求：
分三个阶段完成自动控制，下面以1#空调机组为例详细说明如下：
Ø机组冷水出口流量不得低于200 m3/h;
Ø当1台泵输出压力不能满足要求时，系统提示手动开启另一台泵;
Ø选择1#或2#泵为变频运行泵。
Ø当需求流量为0～300 m3/h时，1#泵定频运行，保证300 m3/h的总流量输出，旁通调节阀打开并做PID调节，以保证输出用户所需的流量;
Ø当需求流量为300 m3/h～600 m3/h时，1#泵变频运行并做PID调节，同时旁通阀门全关;
Ø当需求流量为600 m3/h～900 m3/h时，1#泵定频运行，输出300 m3/h 的流量;2#泵工频运行，输出600 m3/h的流量;旁通调节阀打开并做PID调节，保证6kg的输出压力;
Ø当需求流量为900 m3/h～1200 m3/h时，1#泵变频运行，并做PID调节，2#泵工频运行，旁通阀门全关。
变频系统通过控制柜上选择开关，选择任意一台水泵采用变频控制方式，其他水泵还采用原控制模式。被选择作为变频水泵的机组作为整个系统的调节水泵，来自动调节冷冻水流量。在自动控制模式下，利用PLC采集总管压力信号并根据PID运算发出变频器频率给定信号，自动调节电机（水泵）转速使冷冻水压力变化来实现自动控制。还采集输出流量送到PLC进行PID计算后再输出4～20mA的电流信号控制旁通阀，来实现恒流的效果。
同时PLC将现场参数，进出口压力值、变频器频率、电流、电机转速等上传至控制室内的人机界面进行参数显示。在控制室可通过人机界面对给定压力值、下限流量值、PID参数、变频泵选择和启动远程控制。远程实现各种操作，极大的方便了系统控制。控制方式本方案在保留原工频系统的基础上与原工频系统之间设置连锁以确保系统工作安全。
三、设备的配置
（1）友好的人机界面：由于系统需对每台机组的进口压力、出口压力、出口流量、总压力的上限值和下限值，PID参数进行设置，还要对所有的压力、流量值进行显示，还有报警信息进行记录。采用Eview的MT506LV人机界面。界面编辑了“主画面”、“控制画面”、“参数设置”、“故障记录”、“压力曲线”、“帮助”六个基本画面。主画面上对采集的压力、流量值、变频器的运行频率、电流进行显示，还显示系统当前状态和故障显示，让用户一目了然。
（2）PLC：
PLC是设备的大脑，选用的是艾默生网络能源有限公司的新产品EC20系列的PLC及模拟输入模块和模拟输出模块，EC20系列PLC是高性能的通用PLC，内存指令容量达到8k；典型基本指令执行速度0.09 ~0.42μS典型应用指令则为5~280μS支持高达50kHz的高速输入和80kHz 的高速输出；具有丰富的中断功能，有8路输入中断，3个定时，6路高速计数，支持工业标准的Modbus 通讯网络；指令有浮点运算、PID、高速I/O、通讯等20类共243条，具有掉电检测和后备电池保持，可扩展多个模块，扩展模块有数字型、模拟型、温度型的模块。EC20 的编程采用界面友好的窗口软件，支持多种编程方式：梯形图、指令列表、顺序功能图，方便地监控和调试，可在线修改程序。
（3）PLC的配置
主模块选用EC20-2012BRA，20点输入12点继电器类型输出。模拟输入模块采用8通道的EC20-8AD，模拟输出采用4通道的EC20-4DA。
（4）输入输出设备配置
输入设备有“手动/自动”选择开关，选择变频泵“1#/2#”、系统“启动”“停止”，还采集了工频、变频接触器信号进行互锁和状态显示。
输出设备有1#泵变频运行、2#泵变频运行、故障和复位继电器。
（5）模拟输入输出设备配置
利用EC20-8AD采集了总管压力、旁通阀位置反馈、1#机组出口压力、2#机组出口压力、1#泵出口流量、2#泵出口流量；用EC20-4DA输出电流信号给定EV2000-4T2000P频率，另一路输出4~20mA的电流信号到旁通阀。
四．工作原理
系统采用工变频互备，另外可以灵活的选择需变频的电机是1#还是2#由KM3、KM4来完成。
五．程序要点
EC20的COM0与EVIEW人机界面通过MODBUS协议进行通讯，COM1通讯口与艾默生的EV2000变频器进行自由协议通讯，PLC软件设置。
COM1的自由口协议中的波特率、数据位、停止位、效验位必须与变频器中设置一样才能通讯上。EC20时刻检测着变频器的频率、电流、故障再反映到人机界面上。
系统需恒压、恒流，所以做成双PID对变频器和旁通阀进行控制，控制的压力和流量在EVIEW人机界面上进行设置
在现场调试过程中，发现现场的负载在每天下午五点下班时会突变，由于负载500m3/h的流量突变成几十的流量，这个突变的时间只有两三秒的时间，而旁通阀动作的速度很慢，一个行程38mm需2分钟的时间，这样会造成空调机组保护停机，为了解决这一问题，采用实时时钟定时开度旁通阀，也就是每天在五点之前就给旁通阀一个开度，当设定的时间到达后，系统又恢复PID调节。
六．结束语
本系统已完成，已正式投入使用。由于采用艾默生的EC20系列的PLC进行控制，性能稳定，运行可靠，系统结构紧凑，节省能耗，便于维护。变频器的频率在40HZ左右稳定压力，节能率达到48%。因此不但大大的提高了产品的技术含量和自动化水平，而且还极大地提高了企业的经济效率，非常具有推广价值。
1、引言
我国造纸行业自动化技术起步较晚，传统的计算机加板卡的控制方式在较长的时间内占主导地位。今年来，随着国家加大造纸行业的自动化力度，越来越多的工厂采用了DCS控制系统。
随着PLC的浮点处理能力的加强，PLC的组态灵活性，高可靠性，可以和计算机、操作员面板、其它PLC任意配合，适应各种不同的场合等特点逐渐被人们所认识，同时，PLC的现场网络化功能的加强，以及与Internet网络接口模块的相继开发，使它在工业DCS（集散控制系统）中的应用越来越广泛。
由于网络化PLC研究发展时间不长，各国的PLC产品没有统一的协议模式，通讯协议各不相同，使用户在使用某一公司的PLC产品作为下位机时，上位机一计算机必须使用同一公司的主态软件，其软件功能有一定的限制，造成用户自行开发的功能无法实现。探究其原因，主要是计算机与PLC之间的通讯协议不公开所至。对于一些协议公开的PLC产品，又因其繁复的“传输权”，造成多帧传输的复杂性。
本文针对OMRON C200系列的PLC产品，利用其开放的通讯协议，开发出主从通讯方式，自行开发出主态软件，组成DCS系统中的过程控制单元，并在工程上得以应用。
2、纸厂DCS控制系统结构
3、上位机与PLC在DCS系统中的具体分工
3.1PLC在DCS系统中的作用：
①所有现场模拟量的输入、输出信号的处理。
②所有现场数字量的输入、输出信号的处理。
③控制算法的执行。
④与上位机的通讯过程中，始终处于被动状态，不主动上传数据。
⑤OMRON CPT编程软件。
3.2上位机（计算机）在DCS系统中的作用：
①控制参数的设定，传输至PLC。
②现场工艺参数的设定，传输至PLC。
③现场所有信号的显示画面。
④历史查询，报表的制作和打印。
⑤通过以太网卡，将现场数据传输到工厂的局域网上，实现数据共享。
⑥与PLC的通讯过程中，始终处于主动状态，主动下载数据，主动向PLC要数据。
⑦WIN98操作平台，VB6.0编程软件。
4、OMRON C200系列的PLC产品的通讯方式
4.1传统的上位机和PLC主主通讯
发送帧的权利简称“传输权”，具有传输权的单元每次发送3帧后，传输权在上位机和PLC之间来回交换，见下图：
这种通讯方式的通讯时间较长，对于一台上位机联结多台PLC的组态方法，特别命令帧多131个字符，工程应用中，传输的正文字符通常大于132个字符，这就需要多帧传输方式。主主通讯对多帧传输时，由于传输权的频繁在计算机和PLC之间来回交换，通讯时间会更长，同时上位机主动下载和PLC主动上传，占用PLC的CPU处理时间，其次，对于计算机多帧下载数据，PLC的接受程序编制较为复杂。在实时精度要求较高的工业控制中，一般采用下面的主从通讯方式。
4.2主从通讯方式
由于主主通讯方式在工程实际应用中存在以上的几点问题，结合PLC的命令帧的格式，计算机作为上位机主要作用是显示、下载和通讯，加上计算机的CPU处理速度较快，系统可用资源较多，由计算机承担所有的通讯功能，将PLC的CPU从繁琐的通讯过程中解放出来，降低PLC的程序扫描周期，可以将更多的回路模拟量控制和复杂的控制算法加入程序中。
在主程序编制中，利用VB6.0计时器控件Timer的功能，创建一个计时器，定时以命令帧的方式将读取数据储存器（DM）区的命令Redd-DM Data （），以及读取内部继电器（IR）区的命令Read-IR Data （）发送至串口SendPLC（），检查串口缓冲区，接收到的字符串如果节点号，识别码均与发送指令相同时，如果检查到结束码为“00”时，认为此次接受的数据有效，通过处理接收到的字符串，将结果送到界面显示RevBuffer（）。
由于纸厂DCS控制系统中由上位机所承担的控制参数、工艺参数的设定和下载并不是实时发送的，只有当控制参数、工艺参数改变时，才将新值下载到PLC的相应数据储存器（DM）区，通过按压界面上的软按钮触发事件Send-DM Data，将数据通过SendPLC（），发送到PLC相应的DM区。
对于下载数据中出现的多帧数据时，按照命令帧的容量（132个字符）分配帧结构，当l帧参数-F载时，检查串口缓冲区，接收到的字符串如果节点号，识别码均与发送指令相同时，如果检查到结束码为"00"时，自行发送2帧命令。出现一台计算机与多台PLC连结的方式，在组成命令帧的格式时，节点号按照网络系统中，各个PLC的网络节点号而定。
5、结束语
在以OMRON C200系列的PLC为基础，以其开放的通讯协议为依据，自行开发主态软件，组成DCS系统中的重要组成部分-过程控制单元，将DCS系统产品化过程中，我们觉得OMRON C200系列的PLC具有较强的组态能力，不仅适用于小型DCS系统（100个控制回路以下），通过过程控制单元的形式，将其使用范围扩大到中型控制系统（500多点控制回路），而且与其他公司的PLC和操作员面板有较强的兼容性。因此，具有较高的性价比。
