PLC集中控制「plc与计算机通信要进行什么设置」

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摘 要：本文主要介绍在多种配方条件下工艺生产中的PLC与仪表设备的集中控制应用，探讨如何使用PLC控制技术来完成不同的配方条件下，对仪表设备的控制以实现对生产工艺的检测、控制、计量、保护等，既增加生产的控制性、多样性，又提高系统的性能和生产效率，以实现车间生产的经济实用、安全可靠、易于维护的控制方案和生产模式。

关键词：配方生产;PLC;计量;集中控制;工艺

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引言

面对目前国际工业化生产大潮的影响，我国针对性的提出了“中国制造2025”及“工业4.0”的概念及方案。同时，随着市场需要的个性化和多样化，要求工业自动控制对智能化的要求越来越高，以满足工业生产需要。在当前技术更新、瞬息万变的环境中，工控领域内自1986 年美国GM（通用汽车）开发生产第一代可编程控制器以来，PLC 以其高速度运算、高可靠运行、易于学习维护等独特的特点始终占据着重要地位。

受当前经济形势、人力资源、运营成本等条件的影响，在一些中小企业或者某些控制单元中，选择DCS 往往显得有些不合事宜。但改善生产环境、提高生产效率的愿望非常强烈，如何能互为兼顾，本人认为除了从工艺上优化的同时，选择一套合理可靠的控制方案，才能事半功倍。因此，本文从具体项目出发，探讨项目需求，技术方案路线以及项目正式运营后带来的效益，并最终实现生产过程的实用化、集中化、信息化[1]。

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项目概况

1.1 项目原况

该项目以生产各种路面摊铺材料为主营业务，在车间分为很多生产点，以4 个人左右为1 个生产点。在有生产任务时，分别准备好各种材料，依各种配方原料的多少分为以铲车方式或按钮输送机方式将各种原料分时间、温度等条件倒入1 个搅拌罐内进行搅拌生产，并进行抽样检测合格，若不合格再次加入某种原料，至合格后待之冷却后装车或装桶。生产环境恶劣，效率低下。

1.2 项目改造的必要性

1.2.1 安全生产的要求

生产中因有大量的粉尘类原料，故在生产时，车间内粉尘漂浮；搅拌罐内反应温度平均在180℃左右；只有少部分的电气机械设备，大部分的依赖人工生产，对工人的工作强度、身体健康损害是不可避免的，生产过程已经无法满足安全生产的要求。

1.2.2 生产精度的要求

在生产中，各原料的投加量都是严格按照不同的配方进行投加的，投加量的不精准直接导致抽样检测不合格。在反应的高温下，就不得不再次投加某种原料，已经无法满足当前生产过程的信息化及数字化时代。

1.2.3 生产效率的要求

如今是一个追求效率和质量社会，效率和质量的高低可以直接决定一个企业的发展及生存。在企业的生产中大量的依赖人工，从原料的投加到成品的出炉，耗费了大量的时间，是很难提高生产效率的。如果采用当前的测控设备，集中化管理控制，对生产效率是会有大大地提高。因此，就生产效率来说，必须改变当前局面和模式。

1.2.4 生产成本的要求

采用目前成熟的集中控制技术完全可以解决以上问题，但若按照传统的生产方法，就1 个生产点需要的人力物力，加之在投加过程中对原料的浪费，成本是相当高的。故想安全经济的完成项目改造，需要一个可行、稳定的方案。

1.3 项目改造的可行性

1.3.1 安全的应用

过程的集中管理控制已经有几十年的实际应用，从检测仪表、执行设备到控制器到集中管理平台，可以实现一键式的生产过程，在其生产前会自动检测各原料的重量、温度等状态自动投加。当出现温度、液位及其他紧急情况，人工急停按钮时，当前出现报警的工艺生产线会自动暂停，待之满足条件确认后按照暂停之前的工艺流程继续生产，完全解决了生产工程的各种不安全因素。

1.3.2 仪表设备、PLC 的特点

采用的智能化仪表部分为进口设备，部分为国产设备，其均具有高稳定性、高可靠性、高精度、易于维护的特点。

其中，重要工艺部分仪表传感器能够实时对数据进行非线性的校正，对滞后及复现性进行补偿[2]、信号输出更准确。在流量和温度的测量中，精度可达±0.1%，数字信号可达±0.075，加之其完善的自诊断功能，通过其变送器自诊断的故障代码查看其故障信息。现场所有变频器、阀门均采用DP 总线通讯控制方式。因此，多种通讯方式例如MUDBUS、HART、Profibus DP 等，以实现数据的现场总线通讯、节省项目成本等奠定了条件。

选择PLC 作为控制系统，因其可靠性高，抗干扰能力强，运算速度快，灵活性好，价格相对便宜等优点。与传统的继电器控制系统相比，PLC 在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，其以毫秒级的快速运算能力在提高其可靠性的同时，其功能也更加强大，可完成大量的开关量逻辑控制、模拟量的闭环控制、数字量约智能控制、运动控制、数据采集和监控、通信及集散控制等多种控制功能，并且其扩展性和维护性极为方便。有人提出“网络就是控制器”的观点说法。PLC 具有灵活的多种通讯方式，在整个通讯控制网络中为实现分散集中控制[1] 担负着重要作用。

1.3.3 创新的控制工艺系统

本系统方案的创新点是在满足项目多种产品多种配方的生产条件下，利用集中控制系统对所有工艺生产线进行合理、高效、安全地控制。当生产任务下达，操作者选择生产线，选定录入好的配方，计算机管理系统发出生产指令，PLC 根据编写好的程序指令，要求实时监控相关仪表并控制设备的动作，从而实现了从原料投加条件、顺序到各反应要求，并且实时在计算机管理系统反应出工艺进程，并给操作员以提示，从而实现了全程跟踪、监视自动生产过程。并通过计算机管理系统对每种原材料的使用、生产时的条件、成品产量等进行日报、月报、年报的自动生成。

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项目配置、功能及方案

图1 某项目自动控制系统解决方案图

Fig.1 A project of automatic control system solution map

2.1 上位机系统的配置及功能

参考图1 的整体配置框图，在中控室配置1 台服务器，3 台操作员站，1 台A4 喷墨报表打印机,1 台工业以太网交换机。

服务器主要作为数据采集的OPC 服务器以及数据存储服务器，兼作工程师站，具有PLC 的编程，监控软件的开发等功能。

操作员站具有监控画面的浏览，参数设置，相关设备启停等操作。

喷墨打印机主要是用于文件、报表打印。

工业以太网交换机实现整个系统的局域网联网。

2.1.1 服务器配置

服务器是计算机系统的核心，运行OPC 及大型数据库等软件，实时采集生产过程中的各种数据，担负着整个控制系统的各种数据交换、管理和存储等重要工作。数据库主要的服务器采用热备冗余配置，并且储存所有现场仪表的数据以及为操作员站等管理系统提供数据访问接口，提供OPC、MODBUS 从站协议等通讯接口，可方便地实现与其他系统的数据交换（包括IE 浏览功能）。

另外服务器兼作工程师站，还具备如下功能：

1）画面组态和编辑功能。

2）点组态和定义功能。

3）控制回路组态功能。

4）报警、趋势图等定义和编辑功能。

5）通讯定义和组态功能。

6）设备定义和组态功能。

2.1.2 交换机

网络设备（交换机）采用3onedata 公司的工业以太网产品，支持局域网（LAN）网络上连接的所有设备的10/100M 以太网数据交换。采用标准的、开放型局域网络结构，是整个系统网络通讯的“交通枢纽”。

2.1.3 操作站的功能

1） 画面显示功能

① 登陆、索引画面。登陆画面为操作员换班进行登陆或退出，是进入系统的前提条件，设置有不同的权限级别；索引画面按工艺分区的所有画面总览，鼠标点击相应的按钮切换到相应的画面或画面组。

② 工艺流程画面。以类似工艺设计蓝图的形式，形象清晰地呈现各生产工艺流程，在每个画面中具有工艺的操作窗口，可以对相应的工艺进行控制方式（手动/ 自动）、暂停/ 恢复、启动/ 停止等操作控制。单个流程图上显示的过程信息最多可达20000 多条，信息的最低刷新速度≤ 2s。

③ 配方设置、选择画面。 每种工艺对应多种配方，每种工艺画面中都有另外2 个独立的重要窗口画面：配方设置和配方选择画面。在配方设置画面中，操作员可对此条生产工艺的所有配方（包括配比条件）进行增加、删除、修改、打印等操作，并且系统具有自动识别错误的功能。

当设置好配方后准备生产时，选择一个配方，确认好总生产量后此条配方的所有数据自动传送至PLC 中的寄存器，等待生产指令。

④ 生产参数设置画面。每种生产工艺都有对应的参数设置画面，对任一指定控制点（或工艺）的生产参数进行设置，如设定值、输出值、操作方式，以及整定参数、报警值、PID 等由工程师修改的参数，并且可对模拟和数字回路进行操作。

⑤ 趋势图画面。 趋势画面的X、Y 坐标可选择自适应和设定2 种，相邻分辨点的时间可设定为1s，最大趋势记录时间可在一年。另外趋势画面有1 个可移动的光标和数据区，显示当前曲线与光标线相交处的数值。趋势图有平均值显示、最大值显示、最小值显示等多种数据形式。可显示单个或同时显示多个测点的实时趋势和历史趋势； 可显示8h、24h、1 周、1 月、半年等历史趋势； 趋势图上设置拖动功能，可详细显示某时刻具体值。

2） 报警功能

系统可以产生并显示以下几类报警：

① 过程报警：包括偏差报警、变化速率报警等。

② 故障报警：包括自诊断报警和各设备、硬件故障报警等。

③ 紧急停车报警：当发生紧急情况按紧急停车按钮时报警。

④ 限值报警：当生产中实际数据超过（或低于）参数设置数据的报警。

报警可以根据其重要缓急划分不同的级别，不同级别的报警具有不同的表现形式，在监控系统上可有以下几种表现方式：

●文字提示：在发生报警位置和报警画面上以显示文字提示报警信息。

●颜色变化：在发生报警位置和报警画面上以颜色变化不同的报警。

●声音报警：发生报警时，系统将以音响声音形式提示报警。

●闪烁：在发生报警的位置，其对应的测点显示闪烁。

所有产生的报警在报警产生时将自动登录到数据库。

所有产生的报警均可在报警画面上予以确认并销音。

所有报警均可在报警画面以法文显示。

可人工设定检测量的高高、高、低、低低、变化率高、设定偏差（死区可调）等限值。

3）报表生成及打印功能

上位机计算机系统可根据用户需要生成各类的生产报表并可打印及导出。系统可生成以下几类报表：

① 即时报表。由设定的某种信号触发或由操作员点击，显示或打印相应变量数据（或原料用量及成品产量）。

② 分类报表。各种查询条件可单选或任意组合，在不同的时间或条件下查询或打印出某些变量的数值（或原料用量及成品产量）。所有报表具有详细的各种数据说明，并且含有总标题、生成条件、出报表时间、工程单位、平均值、累计值等概类信息。

③ 历史报警总报表。 计算机系统可显示、打印出选定（或所有）的报警信息，包括报警时间、报警点、设备等详细信息。

④ 操作报表。计算机系统可显示、打印出选定（或所有）的登陆、参数修改、配方操作等工艺生产相关的操作。

4） 操作安全

计算机管理系统具有3 级以上操作权限，不同的操作员具有不同的操作权限和口令，口令可修改，权限只有系统管理员才可修改。控制系统的一些重要操作均要验证操作员口令，这些操作发生时系统将自动生成记录，包括操作员、操作时间和及操作内容等。

5）数据导出功能

计算机系统查询产生的各种数据（包括历史趋势数据）均可导出为标准的PC 格式（如*.TXT、*.DOC 及*.DBF）等文件格式。

2.2 PLC 控制站的配置及功能

PLC 选用西门子公司新推出的新一代 SIMATIC S7 －400 可编程控制器，在以下几方面进行了重要革新[3]。

S7 400 系列 PLC 成本低、性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的大中型自动化应用系统场合。CPU 最高运算速度可达0.03 , 处理能力强大，系统运行内存可达20 兆，系统容量最多可达开关量输入、输出各65536 点，模拟量输入、输出各4096 字，即4K 位的带点能力。CPU可以支持SOE 功能，部分产品内置以太网通信接口，支持精确到1ms 的网络对时。几年前需由高档PLC 完成的任务, 现在则由S7 400 系列来代替。西门子公司不断地推出新产品扩大使用范围, 显示了其技术的领先地位。其CPU 具有强大的功能，如内装PID、结构化编程、中断控制、间接寻址及各种功能模块能完成复杂的操作。另外S7400 系列具有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位模块、高速计数模块、BASIC 和C 语言协处理模块及 ModbusRTU、ProfibusDP 等通讯模块等。另外, 为了及时解决用户的需求, 西门子公司提供第3 家工业设备和软件包合作的结果, 进一步扩大了S7 400 系列 的能力, 通用的产品包括热电偶、热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块等。

2.2.1 PLC 控制站I/O 点统计

现场实际点数见表1。

表1 现场实际点数

Table 1 Actual points

系统配置点数见表2。

表2 系统配置点数

Table 2 system confi guration point

2.2.2 PLC 控制站远程I/O 配置

远程I/O 站采用ProfibusDP 通讯与主PLC 通讯相连，所选A I/O 模块接点都具有过载保护，并且具有故障自诊断功能；所选D I/O 模块各通道都有独立的隔离装置，它能在该I/O 模块与现场接线和其他I/O 模块之间，提供1500V 以上的有效隔离值[3]。其中开关量输入模块对现场某一闭合触点而需要的最小门槛电流为10mA，可防止挂载外接负载。

I/O 模块的输入、输出端均具有检测其与现场仪表设备短路或断路的自动诊断功能，并自动产生错误代码。输出模块应是故障发生时保持输出或置于预先设置的安全输出值。I/O 模块应是多通道的，但通道数量不应大于下列要求[3]：每8 个模拟量输入点至少有1 个单独的A/D 转换器，每1 个驱动用的模拟量输出点应有1 个单独的D/A 转换器，每1 路热电阻输入应有单独的桥路。此外，所有的模拟量输入、输出通道及其工作电源，均应互相隔离。

2.2.3 逻辑控制功能

PLC 系统控制站具备连续过程控制（主要有定值、比值、串级、分程、PID 调节等）、批量控制、顺序控制（执行控制逻辑、联锁逻辑、安全保护等）、配方管理等功能，完全能满足常规过程控制的功能和速度要求[4]。

2.2.4 数据采集功能

控制站和采集站将现场数据采集进系统，通过通讯网络将实时数据和报警数据传送到上位机，并存入服务器数据库和硬盘，供随意调用。

2.2.5 报警功能

PLC 控制站具有下列报警功能：

① 拟输入信号超出信号范围。

② 模拟输入信号超出高、低限值。

③ 拟输入信号变化率超出限定范围。

④ 模拟输出信号超出高、低幅值。

⑤ 字输入信号为报警状态。

⑥ 通讯中断报警和系统本身故障。

报警可以按照功能、设备、性质（如过程报警、设备报警）进行任意分组，通过组态可以实现报警自动打印，自动记录，区分第一事故报警。报警精确到秒，显示到毫秒。

2.2.6 系统诊断功能

PLC 系统具备完整的定期自诊断功能系统，并在计算机系统上显示详细状态和结果。同时，具备良好的冗错能力，即当某些模块发生故障后，不影响整个系统的有效工作，并且控制器具有掉电自动保护数据等功能。

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项目总结及结束语

项目改造完成正式投入生产后，满足了多条生产线、多种配方下的生产需要，车间生产环境得到了很好的改善，生产效率大大提高。从传统的半人工半机械生产模式中总结经验并借助当前先进、稳定、可靠的集中控制技术，对中小型复杂的生产工艺进行革新和突破，在行业内亦属典型案例。在此，衷心致谢本公司和现场业主的耐心指导和积极配合。

在这个科学技术日新月异的时代，工业制造、生产革新席卷全球，必然会有更科学更智能的生产控制理念会逐步普及并替代现有的生产模式, 一个生产管理系统的优劣，取决于是否满足客户需求，是否符合不断向前发展的科学理念。