【正文】 界和平的有利時(shí)期，積極發(fā)展我國的工業(yè)(包括本課題涉及到的控制領(lǐng)域)，把PLC控制系統(tǒng)技術(shù)真正的靈活應(yīng)用到我國的各行各業(yè)中去。2 PLC控制系統(tǒng)概述 PLC PLC的定義可編程控制器，英文稱Programmable Logic Controller，簡稱PLC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC的工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為二個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新二個(gè)階段。完成上述二個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述二個(gè)階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 PLC的構(gòu)成PLC的硬件組成與微型計(jì)算機(jī)相似，其主機(jī)由CPU板、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）模塊、電源等幾大部分組成；可配備如編程器、圖形顯示器、通信接口等外部設(shè)備。從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。組成機(jī)構(gòu)簡圖如下圖21所示：圖21 PLC的硬件組成 典型的PLC產(chǎn)品 國外施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；羅克韋爾（AB公司），SLC、MicroLogix、Control Logix等；西門子公司， SIMATIC S7400/300/200系列；GE公司日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。 國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠約30家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工藝過程及控制方案 工藝過程氧化鋁粉的輸送工藝流程主要分為三大模塊：一是卸庫到2000T上層緩沖料倉的輸送；二是上層2000T緩沖料倉到下層2000T料倉的輸送，這一部分包括上層2000T緩沖料倉氧化鋁的除塵系統(tǒng)；三是壓力罐的進(jìn)料與打料的輸送過程。當(dāng)除塵系統(tǒng)啟動(dòng)后，開始啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)，同時(shí)卸庫開始向溜槽卸氧化鋁粉料，溜槽中的氧化鋁粉在離心風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)力下進(jìn)入空氣提升機(jī)。當(dāng)空氣提升機(jī)的氧化鋁粉到達(dá)規(guī)定料位時(shí)，開始啟動(dòng)空氣提升機(jī)的提升，將提升機(jī)的氧化鋁粉送入2000T上層緩沖料倉。上層緩沖料倉的氧化鋁粉到達(dá)高料位時(shí)停止提升機(jī)的輸送過程，同時(shí)停止相應(yīng)的羅茨風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)等控制設(shè)備，待上層緩沖料倉的料位下降到低料位時(shí)再繼續(xù)啟動(dòng)提升機(jī)的輸料過程。除塵系統(tǒng)在提升機(jī)停止后，開始啟動(dòng)除塵器的排灰風(fēng)機(jī)，向2000T上層緩沖料倉排出收集的氧化鋁粉。同時(shí)啟動(dòng)2000T上層緩沖料倉向2000T下層料倉的打料過程，待2000T下層料倉的氧化鋁粉到達(dá)高料位時(shí)停止。向料倉打料的整個(gè)工藝過程如下圖31所示：除塵器啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)關(guān)閉羅茨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)關(guān)閉除塵器關(guān)閉圖31 向料倉打料工藝過程2000T下層料倉的氧化鋁粉到達(dá)高料位時(shí)開始啟動(dòng)向壓力罐的打料過程。在這一過程中要先選擇要使用的哪一個(gè)壓力罐，本課題設(shè)計(jì)選用四個(gè)壓力罐（以壓力罐PV4為例），生產(chǎn)過程中需要使用和控制的設(shè)備詳細(xì)情況見《預(yù)焙槽氧化鋁輸送原理圖》圖紙。然后檢測閥閥36以及閥11是否關(guān)到位和離心風(fēng)機(jī)的出口閥NN2以及閥101是否開到位。再打開閥30，當(dāng)壓力罐的壓力滿足規(guī)定的壓力時(shí)關(guān)閉閥30，打開閥36和閥11，現(xiàn)在方可進(jìn)行壓力罐的打料。啟動(dòng)震動(dòng)篩的電機(jī)使震動(dòng)篩震動(dòng)，打開2000T下層料倉下的閥門，氧化鋁粉在離心風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)力作用下和震動(dòng)篩震動(dòng)作用下進(jìn)入壓力罐。在壓力罐中的氧化鋁粉到達(dá)高料位時(shí)停止向壓力罐的打料。關(guān)閉2000T下層倉的出料閥門，停止震動(dòng)篩電機(jī)和離心風(fēng)機(jī)，關(guān)閉閥36和閥11，待壓力罐的料位下降到低料位時(shí)再繼續(xù)啟動(dòng)以上向壓力罐的打料過程。當(dāng)電解槽有需要打料信號(hào)時(shí)，開始啟動(dòng)壓力罐向電解槽的打料過程。先檢測壓縮空氣的壓力和閥門V閥門V8是否開到位，在達(dá)到要求時(shí)然后打開閥閥2閥24以及閥25。此處在同時(shí)使用其它幾個(gè)壓力罐向電解槽打料或者某個(gè)壓力罐出現(xiàn)故障的時(shí)候可以打開閥V9或閥V1以及該路的通向電解槽的閥門進(jìn)行協(xié)調(diào)，以便設(shè)備的維修和打料的連續(xù)性及供料量需求。壓力罐打料的整個(gè)工藝過程如下圖32所示：運(yùn)行壓力罐程序高料位信號(hào)到，開/關(guān)閥門打料結(jié)束選擇X壓力罐檢測閥開/關(guān)是否到位圖32 壓力罐打料工藝過程其它三個(gè)壓力罐的打料過程類似，具體工藝過程詳見《氧化鋁輸送工藝流程圖》圖紙和《氧化鋁輸送操作程序》以及《輸送控制程序》圖紙。 控制方案氧化鋁粉輸送是電解鋁生產(chǎn)過程中原料供應(yīng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制，這樣不僅可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，而且還可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，降低設(shè)備的故障率，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)全過程自動(dòng)檢測和控制，具有操作簡便，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，清潔環(huán)保生產(chǎn)等特點(diǎn)。系統(tǒng)中的各電氣設(shè)備按照工藝流程的要求，自動(dòng)逆向順序啟動(dòng)和正向延時(shí)順序停車，以防系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生堵料；控制系統(tǒng)中的各電氣設(shè)備具有聯(lián)鎖和容錯(cuò)控制；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障時(shí)，具有自動(dòng)報(bào)警功能，事故設(shè)備之前的所有設(shè)備應(yīng)立即停止運(yùn)行，事故設(shè)備之后的運(yùn)行設(shè)備延時(shí)順序停止運(yùn)行；系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)切換控制，自動(dòng)控制用于正常生產(chǎn)狀態(tài)，并且可以對(duì)常見的故障自動(dòng)進(jìn)行處理，手動(dòng)控制用以滿足非常情況下的生產(chǎn)要求，以及日常維護(hù)等；對(duì)于系統(tǒng)中大容量電機(jī)啟動(dòng)時(shí)采取錯(cuò)開啟動(dòng)時(shí)間的措施，避免因啟動(dòng)電流超負(fù)荷對(duì)供電電網(wǎng)電壓的影響；控制系統(tǒng)具有多種選擇功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)選用四個(gè)壓力罐，在正常情況下要能達(dá)到可以啟動(dòng)任意一個(gè)或幾個(gè)壓力罐進(jìn)行打料，當(dāng)電解槽需料多時(shí)，可以啟動(dòng)所有的壓力罐進(jìn)行打料。當(dāng)某一個(gè)壓力罐出現(xiàn)故障時(shí)，控制各管道上的閥門，可以關(guān)閉出故障的壓力罐，而其它壓力罐可以不受影響的繼續(xù)打料。 氧化鋁粉輸送的控制系統(tǒng)分三階段：第一階段是卸庫到2000T上層緩沖料倉的氧化鋁粉輸送：卸庫內(nèi)上料后，氧化鋁氣動(dòng)溜槽輸送氧化鋁到2000T上層倉的空氣提升機(jī)使用的氣源采用MJ250C型羅茨風(fēng)機(jī)提供，空氣提升機(jī)裝置由一個(gè)電磁閥和羅茨風(fēng)機(jī)連鎖控制。第一階段(加料過程)的測控電路如下圖33所示：圖33 加料系統(tǒng)測控電路第二階段是2000T上層緩沖料倉到2000T下層料倉的輸送；第三階段是壓力罐的濃相輸送過程：壓力罐的進(jìn)出料和濃相輸送的氣源采用空氣壓縮站提供的壓縮空氣，每個(gè)罐采用6個(gè)電控氣動(dòng)閥控制罐體的進(jìn)料，出料和輸送。上層倉到下層倉輸送系統(tǒng)測控電路如下圖所示：圖34 2000T上層倉到下層倉輸送系統(tǒng)測控電路濃相輸送技術(shù)是由壓力罐系統(tǒng)、濃相管和PLC自動(dòng)控制設(shè)備等組成，它的工作原理是：物料進(jìn)入壓力罐中后經(jīng)壓縮空氣加壓呈沸騰狀態(tài)，并維持這一狀態(tài)，確保物料進(jìn)入特制的濃相管中被壓縮空氣分割成一段一段的料栓向前流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的輸送。濃相輸送系統(tǒng)操作設(shè)有現(xiàn)場就地手動(dòng)控制箱和控制室控制臺(tái)及模擬顯示屏。物料進(jìn)入濃相輸送過程中，PLC控制系統(tǒng)通過對(duì)壓力罐系統(tǒng)的各個(gè)閥門和壓力變送器進(jìn)行檢測而實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制，從而達(dá)到自動(dòng)輸送物料。 PLC的選型根據(jù)前一節(jié)中的工藝過程和控制方案，下面進(jìn)行PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝過程的特點(diǎn)和控制要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型。所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。根據(jù)下面的介紹，本控制系統(tǒng)的PLC選用美國AB公司的SLC500。 美國AB公司SLC500概述作為工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中最值得信賴的品牌，羅克韋爾自動(dòng)化公司所屬的AB從1903年誕生以來已經(jīng)贏得了廣泛的國際聲譽(yù)。這一聲譽(yù)的建立非常簡單，就是始終堅(jiān)持向用戶提供高品質(zhì)、高可靠的產(chǎn)品。SLC 500TM系列可編程控制器就是其中一個(gè)最恰當(dāng)?shù)睦?。這些小巧的控制器體現(xiàn)了我們對(duì)于產(chǎn)品在穩(wěn)定可靠、技術(shù)創(chuàng)新和性能卓越等各方面，按照最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的承諾。并且，您可以注意到SLC平臺(tái)上不斷增強(qiáng)的功能和模塊，將為您的應(yīng)用帶來更多的好處。 SLC500的性能介紹SLC500系列為存儲(chǔ)器、I/O容量、指令組和通信接口提供多種選擇，使您組成控制系統(tǒng)以滿足其嚴(yán)格的應(yīng)用要求。這些產(chǎn)品有強(qiáng)大的可靠性歷史記錄，它們覆蓋了幾十萬個(gè)各式各樣的應(yīng)用場合。SLC500處理器提供30或40個(gè)固定的數(shù)字I/O。通過增加一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，您能夠增加2個(gè)I/O模塊，使附加I/O最多達(dá)到64個(gè)。 SLC5/01處理器能讓您組成模塊化控制器，其I/O為4個(gè)到256個(gè)、指令存儲(chǔ)器為1K或4K。SLC5/02處理器能讓您組成模塊化控制器，正常情況下，其I/O數(shù)高達(dá)256個(gè)輸入和256個(gè)輸出、指令存儲(chǔ)器容量為4K。當(dāng)您選擇一個(gè)掃描器模塊，并將其插入30個(gè)模塊插槽之中的一個(gè)槽內(nèi)，您便能將通用的遠(yuǎn)程I/O或設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)I/O加入您的系統(tǒng)。它們提供19條附加指令，包括PID、可選定時(shí)中斷和起動(dòng)對(duì)等通信的信息指令。SLC5/03處理器能讓您組成模塊化控制器，其I/O數(shù)高達(dá)1024個(gè)輸入和1024個(gè)輸出、存儲(chǔ)器容量為8K或16K。除具有SLC5/02的性能以外，它們有第二個(gè)內(nèi)置式RS232C通信口，它能夠組態(tài)成ASCII或DF1協(xié)議，同時(shí)可通過1761NETAIC轉(zhuǎn)換器對(duì)DH485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息存取。SLC5/ ms的位指令，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的信息吞吐時(shí)間比與之競爭的處理器快10倍。附加功能包括浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算、在線編程與運(yùn)行期編輯、改進(jìn)型閃速存儲(chǔ)器、內(nèi)置式鍵開關(guān)、內(nèi)置式實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷。SLC5/04處理器能讓您組成模塊化控制器，其I/O數(shù)高達(dá)4096個(gè)輸入和4096個(gè)輸出、存儲(chǔ)器容量為16K、32K和64K字之一。它們具有SLC5/03的全部性能，以及一個(gè)更快的通信口和更短的執(zhí)行時(shí)間。SLC5/04有一個(gè)取代DH485口的內(nèi)裝式DH+通信口，它能實(shí)現(xiàn)與其它的SLC5/04和PLC處理器、操作員界面和編程終端的通信。DH+網(wǎng)絡(luò)的通信速度比DH485網(wǎng)絡(luò)快3倍。SLC5/。簡單和價(jià)格適中的功能強(qiáng)大的處理器，建議應(yīng)用于材料處理、HVAC控制、組裝生產(chǎn)、小型過程控制和監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程終端(SCADA RUT)應(yīng)用?；赑LC5中型處理器的高級(jí)指令集。多品種的數(shù)字和模擬I/O模塊，包括智能I/O模塊和第三供貨商提供的I/O模塊。每個(gè)SLC500或SLC5/01處理器有一個(gè)DH485口，供編程和從其它節(jié)點(diǎn)起動(dòng)處理器之間的通信之用。SLC5/0SLC5/0SLC5/04和SLC5/05處理器有能夠起動(dòng)通信的通信口(Ethernet、DH+、DH485或RS232C)。增加帶1747SN掃描器模塊的通用遠(yuǎn)程I/O。增加帶1747BSN掃描器模塊的通用遠(yuǎn)程I/O。提供CPU熱備能力。增加帶1747SDN掃描器模塊的設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)I/O。增加帶1747CSN掃描器模塊的控制網(wǎng)(ControlNet)I/O。增加帶1747BAS模塊的BASIC或C語言編程能力。 控制功能的選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。（一）運(yùn)算功能簡單PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通PLC的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。本系統(tǒng)中的定時(shí)器(計(jì)時(shí)器)，計(jì)數(shù)器(CNT)選用普通的減1計(jì)數(shù)器。（二）控制功能控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算、順序控制等，根據(jù)控制要求，本系統(tǒng)控制功能是選用順序控制。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制（在本設(shè)計(jì)中沒有模擬量輸出，只有料位、壓力的模擬量輸入）。（三）通信功能大中型PLC系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，PLC系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng)1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況，本系統(tǒng)中的通信總線選用DH netlinl。（四）編程功能PLC的編程有離線編程和在線編程兩種。離線編程方式：PLC和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供