【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況選用離線編程方式。在電腦上通過編程軟件進(jìn)行離線編程，并通過編譯，檢查有無語法錯(cuò)誤。 系統(tǒng)參數(shù)的估算輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)的估算:I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際控制要求和系統(tǒng)特點(diǎn)估算I/O點(diǎn)數(shù)為250點(diǎn)。存儲(chǔ)器容量的估算：存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。存儲(chǔ)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，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，選用EEPROMNA存儲(chǔ)器一個(gè)，存儲(chǔ)容量26000字。 機(jī)型的選擇920R作溫度PID調(diào)節(jié)控制最佳，CPU921S作邏輯控制最佳，CPU920作統(tǒng)計(jì)管理控制最佳。PLC還具根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程和控制方案，可編程控制器采用美國(guó)AB公司SLC500系列模塊式控制器。SLC500系列是一個(gè)不斷充實(shí)的小型可編程控制器系列。該系列有兩種硬件結(jié)構(gòu)：固定式控制器與模塊式控制器。固定式將電源、輸入與輸出以該處理器集中在一個(gè)單元。而模塊式控制器使用戶在組態(tài)系統(tǒng)時(shí)具有額外的靈活性，它具有更強(qiáng)的處理能力，以及I/O容量。使得用戶能夠按應(yīng)用的需要專門地設(shè)計(jì)和建立控制系統(tǒng)。但這兩種硬件結(jié)構(gòu)的編程工具和大多數(shù)的I/O模塊都是兼容的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體系統(tǒng)情況考慮低成本和系統(tǒng)的需要選擇什么樣的模塊式控制器，SLC500系列除了組態(tài)靈活之外，SLC500可編程控制器之間還可以通過內(nèi)置的DH485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，以進(jìn)行編程和監(jiān)控。選擇可編程控制器作為現(xiàn)場(chǎng)控制核心設(shè)備。PLC硬件應(yīng)用的要求：要應(yīng)用好PLC，防止產(chǎn)生不應(yīng)有的損壞，其硬件必須符合和滿足如下應(yīng)用的要求：(1)物理環(huán)境： ①使用環(huán)境溫度：0～60℃，最好40℃，在PLC安裝處，要安裝一個(gè)通風(fēng)排氣扇散熱；②使用環(huán)境濕度：一般在35 %～85%以下并無凝結(jié)現(xiàn)象；③防止空氣中含有金屬粉塵或腐蝕性氣體以及太陽紫外線直射，將控制柜進(jìn)行封閉；④避免PLC主機(jī)直接受到震動(dòng)或撞擊，遠(yuǎn)離震動(dòng)、沖擊源。(2)電氣環(huán)境：①抗噪音措施：采取屏蔽電纜線、屏蔽層和遠(yuǎn)離帶噪音的電磁開關(guān)等；②防電磁波干擾：采取可靠接地和封閉方法。在進(jìn)行PLC的設(shè)計(jì)選型時(shí)，必須對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工作過程進(jìn)行深入調(diào)查和分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中提出來的具體要求，確定整個(gè)系統(tǒng)要完成的任務(wù)。為要完成這些任務(wù)，PLC必須具備哪些功能，需要多少輸入輸出通道，使用什么樣的外圍設(shè)備等。如在結(jié)構(gòu)上，從輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)上分為3種：小型PLC , I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下。中型PLC,I/O點(diǎn)數(shù)在256～1024點(diǎn)范圍內(nèi)。大型PLC,I/O點(diǎn)數(shù)在1024以上。在實(shí)際選型上，還要結(jié)合工程上的應(yīng)用，如開關(guān)量控制，無須考慮對(duì)其速度控制，而模擬量控制則要考慮其邏輯運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間，同一機(jī)型，CPU板不同，邏輯運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間也不同，如德國(guó)西門子SIMATIC S7200型，CPU為214～。此外，CPU板不同，控制功能也不同，如德國(guó)西門子SS135U型，CPU920R作溫度PID調(diào)節(jié)控制最佳，CPU921S作邏輯控制最佳，CPU920作統(tǒng)計(jì)管理控制最佳。PLC還具有人機(jī)對(duì)話，高速數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制，通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。在進(jìn)行PLC的設(shè)計(jì)選型時(shí)，必須對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工作過程進(jìn)行深入調(diào)查和分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中提出來的具體要求，確定整個(gè)系統(tǒng)要完成的任務(wù)。為要完成這些任務(wù)，PLC必須具備哪些功能，需要多少輸入輸出通道，使用什么樣的外圍設(shè)備等。如在結(jié)構(gòu)上，從輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)上分為3種:小型PLC , I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下。中型PLC,I/O點(diǎn)數(shù)在256～1024點(diǎn)范圍內(nèi)。大型PLC,I/O點(diǎn)數(shù)在1024以上。在實(shí)際選型上，還要結(jié)合工程上的應(yīng)用，如開關(guān)量控制，無須考慮對(duì)其速度控制，而模擬量控制則要考慮其邏輯運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間，同一機(jī)型，CPU板不同，邏輯運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間也不同，如德國(guó)西門子SIMATIC S7200型，CPU為214～。此外，CPU板不同，控制功能也不同，如德國(guó)西門子SS135U型，CPU有人機(jī)對(duì)話，高速數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制，通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。在本系統(tǒng)中的PLC的CPU選用1747L532一個(gè), 12k字及4k附加的數(shù)據(jù)存貯，功耗是5Vdc～,24Vdc～。機(jī)架選用具有13槽的基本單元和13槽的擴(kuò)展單元一個(gè)。數(shù)字量輸入（DI）與數(shù)字量輸出（DO）模塊選用16點(diǎn)的（220VAC電壓）輸入/輸出模塊。模擬量輸入（AI）模塊選用4通道（標(biāo)準(zhǔn)電壓）的輸入模塊。（一）PLC的類型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。根據(jù)前面對(duì)美國(guó)AB公司的SLC500特點(diǎn)的和實(shí)際情況，按控制功能和輸入輸出點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)選用美國(guó)AB公司的SLC500類型的PLC。（二）輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。對(duì)輸入模塊，考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等。根據(jù)應(yīng)用要求選用輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。因此本系統(tǒng)中的輸入模塊選用1746IN16，輸出模塊選用1746OW16(RTB)。（三）電源的選擇一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。本系統(tǒng)屬于中型PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)要求可靠性比較高，并且考慮系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，因此本系統(tǒng)電源選擇西門子產(chǎn)品的6EP13361SH01的開關(guān)電源一個(gè)，電源模塊也選擇西門子產(chǎn)品的1746P2。四）存儲(chǔ)器的選擇由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。本系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器模塊選用1747L532一個(gè)。（五）冗余功能的選擇（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)采用雙冗余技術(shù)（2）本系統(tǒng)中PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)采用機(jī)架13擴(kuò)展槽擴(kuò)展，然后根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)和特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝冗余。表31 本系統(tǒng)中的其他硬件部分選擇如下表所示： 編號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量（個(gè)）備注1開關(guān)電源6EP13361SH011西門子產(chǎn)品2處理器（CPU）1747L5322AB公司產(chǎn)品3電源模塊1746P22西門子產(chǎn)品4通訊接口模塊1784KR15輸入模塊1746IN166輸出模塊1746OW16(RTB)7繼電器()OW168機(jī)架1746A13113基本槽，13擴(kuò)展槽9存儲(chǔ)器模塊1747L532110接口模塊和電纜Bulletin1492AB公司產(chǎn)品11連接電纜1747C101(根)12隔離變壓器BK15001符號(hào)CT13熔斷器RT186符號(hào)FU14端子板4(塊)15帶指示燈的中間繼電器24V/5AOMRON產(chǎn)品 系統(tǒng)的硬件組成氧化鋁粉的輸送系統(tǒng)的被控傳動(dòng)設(shè)備主要有羅茨風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、除塵器、振動(dòng)篩等的電機(jī)，控制部分主要有PLC、操作按鈕、指示信號(hào)燈、電動(dòng)閥、電磁閥、繼電器、氣動(dòng)閥、限位開關(guān)、變送器、料位計(jì)、就地控制柜。其它設(shè)備有：卸庫(kù)、溜槽、空氣提升機(jī)、壓力罐（本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇四個(gè)壓力罐）、氣水分離器、干燥器等。詳細(xì)設(shè)備見《預(yù)焙槽氧化鋁輸送原理圖》圖紙。離心風(fēng)機(jī)給各個(gè)溜槽提供風(fēng)力，使氧化鋁粉在溜槽中快速輸送。羅茨風(fēng)機(jī)給空氣提升機(jī)提供氣源，以便空氣提升機(jī)將氧化鋁粉提升到2000T上層緩沖料倉(cāng)。除塵器是將氧化鋁粉在輸送過程中而形成的‘灰塵’收集起來以便重新送入料倉(cāng)。2000T上層料倉(cāng)是為了輸送過程中氧化鋁粉的緩沖。振動(dòng)篩是將下層倉(cāng)出來的氧化鋁粉通過震動(dòng)選篩入溜槽以便送入壓力罐。限位開關(guān)是用來控制設(shè)備是否開到位或關(guān)到位。料位計(jì)用來檢測(cè)空氣提升機(jī)、壓力罐中的原料是否達(dá)到規(guī)定的料位，氧化鋁輸送裝置配有4－20mA模擬量輸出料位計(jì)，在值班控制室顯示氧化鋁料倉(cāng)和壓力罐的料位高度以及高、低限報(bào)警。就地控制柜主要是完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并且控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣水分離器是用來分離壓縮空氣中形成的水霧，以防水分進(jìn)入溜槽和壓力罐使原料受濕而產(chǎn)生堵料和輸送速度慢及達(dá)不到需料要求。壓力罐是濃相輸送氧化鋁系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備之一。壓力罐由壓力罐體（壓力容器）、進(jìn)料閥、進(jìn)/排氣閥、錐形出口閥及控制盤等組成。壓力罐體通過進(jìn)料管道與貯料倉(cāng)相聯(lián)，其出料口與濃相輸送管道相接。壓力容器的主要作用是將需要輸送的物料壓送到濃相輸送管道中。壓力容器是一個(gè)間歇操作系統(tǒng)，在常壓條件下，壓力容器內(nèi)裝滿將要輸送的物料，通過閥門封閉所有的開孔。輸送時(shí)，打開加壓閥，用壓縮空氣對(duì)壓力容器內(nèi)部加壓；同時(shí)打開輸送閥門，待壓力容器達(dá)到規(guī)定的壓力時(shí)，打開出料閥，壓力容器內(nèi)的物料便壓送到輸送管道，再通過輸送管道把物料輸送到指定的槽料箱。控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)置壓力罐和濃相管的高壓力極限，最大程度保證壓力罐正常打料和操作人員的人生安全?？刂葡到y(tǒng)的上位機(jī)硬件有PC工業(yè)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、操作員工作站。下位機(jī)采用美國(guó)AB公司的SLC500系列構(gòu)成。下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖34所示：圖34 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 AB的PLC的CPU雙冗余設(shè)計(jì)PLC是現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一，是可靠性高、應(yīng)用非常廣泛的工業(yè)控制產(chǎn)品。在中大型模塊化的PLC產(chǎn)品中，CPU模塊（中央處理器）是PLC的中心。一些重大的工業(yè)生產(chǎn)線往往要求連續(xù)運(yùn)行不能停頓，而可靠性再高的PLC也不能保證故障為零，因此，雙CPU的冗余控制是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求、提高系統(tǒng)可用性的有效手段?？刂破鱌LC、工控機(jī)(包括顯示器)、通訊網(wǎng)絡(luò)和電源及關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)等系統(tǒng)中的重要部件均采用冗余結(jié)構(gòu)，兩套工控機(jī)和大屏幕顯示器組成的兩套監(jiān)控操作管理臺(tái)并行運(yùn)行；兩條冗余的ControlNet高速通訊網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)；兩套直流電源同時(shí)向控制器PLC、變送器和開關(guān)量輸入模塊供電，關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)同時(shí)設(shè)置兩個(gè)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)。冗余設(shè)計(jì)使系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性提高了一倍，而使系統(tǒng)的整體可靠性大大的提高。PLC控制器是系統(tǒng)控制的中心，采集系統(tǒng)的全部工況信號(hào)，實(shí)時(shí)控制相關(guān)的設(shè)備動(dòng)作；同時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)過程參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)危險(xiǎn)工況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)極限工況出現(xiàn)時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)備，保障生產(chǎn)過程安全。為此，我們可以選擇以產(chǎn)品可靠性高著稱的羅克韋爾自動(dòng)化公司的新一代控制平臺(tái)：AB ControlLogix系列，同時(shí)考慮采用雙CPU模塊冗余，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，避免因故障出現(xiàn)所引起的生產(chǎn)停頓或安全事故。ControlLogix提供有兩種CPU冗余解決方法，一種為純硬件冗余，另一種為軟件冗余。硬件冗余的方法，是將兩個(gè)CPU模塊插在不同的兩個(gè)機(jī)架上，每個(gè)機(jī)架上除了CPU模塊，還要有通訊模塊CNBR等。軟件冗余，是將兩個(gè)CPU模塊插在同一個(gè)框架上，利用背板通訊，進(jìn)行冗余控制。純硬件冗余的方式硬件投入較多，成本開支較大大。而軟件冗余，只需增加一塊CPU模塊，成本增加很少，因?yàn)橐话阆馛PU這種PLC的心臟，廠家都會(huì)配有備件，用備件來實(shí)現(xiàn)冗余控制，既提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性（可做到在線維護(hù)，不影響生產(chǎn)線運(yùn)行），又不會(huì)顯著增加成本開支。單純從可靠性方面分析，純硬件的冗余較之軟件冗余并無優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵黾恿溯^多的部件、模塊，這些部件和模塊的故障，也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。例如，當(dāng)兩個(gè)模塊之間的連接光纜出現(xiàn)故障，同樣會(huì)使冗余控制失效。而軟件冗余，只增加了一塊CPU模塊，而兩個(gè)CPU模塊的同時(shí)故障率幾乎為零。純硬件冗余的優(yōu)點(diǎn)之一，就是不需要軟件進(jìn)行專門的編程。而軟件冗余中兩個(gè)CPU模塊的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是通過軟件編程解決的。因此，軟件冗余編程相對(duì)比較復(fù)雜，工作量較大。3. CPU冗余控制的軟件實(shí)現(xiàn)CPU冗余控制的軟件實(shí)現(xiàn)編程主要從下面兩方面考慮：控制權(quán)的裁決和轉(zhuǎn)移兩塊CPU同時(shí)在線運(yùn)行，一塊處于主控制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主控制權(quán)的CPU具有輸出控制權(quán)，而熱備CPU同時(shí)采集數(shù)據(jù)和保持通訊連接，但輸出被禁止。兩個(gè)CPU模塊互相監(jiān)視對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)和通訊情況，一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)方故障，立即發(fā)出報(bào)警，通過ControlNet網(wǎng)，傳送給上位工控機(jī)，在操作管理臺(tái)上顯示報(bào)警。如果是主控CPU模塊故障，熱備CPU模塊自動(dòng)獲得主控制權(quán)。兩塊CPU模塊的同步控制由于熱備CPU隨時(shí)準(zhǔn)備著，一旦主CPU故障，就立即獲取主控制權(quán)而成為主控CPU，因此，主CPU必須將自己的信息隨時(shí)傳遞給熱備CPU，而熱備CPU必須跟蹤主CPU的變化，與主CPU保持同步，這樣，在兩塊CPU模塊進(jìn)行控制權(quán)的轉(zhuǎn)移時(shí)，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。 控制電路根據(jù)控制系統(tǒng)工藝流程和控制要求，可將系統(tǒng)劃分為三大控制電路：提升機(jī)裝置測(cè)控電路、濃相輸送測(cè)控電路、除塵系統(tǒng)控制電路。現(xiàn)分別敘述如下：提升機(jī)裝置測(cè)控電路在氧化鋁輸送過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是卸庫(kù)到2000T上層緩沖料倉(cāng)的輸送。而空氣提升機(jī)裝置控制部分是系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)的主要控制對(duì)象，由羅茨風(fēng)機(jī)出口差壓變送器、空氣提升機(jī)的平衡料柱上料位計(jì)和2000T上層緩沖料倉(cāng)上的料位計(jì)組成了PLC控制系統(tǒng)的檢測(cè)回路；羅茨風(fēng)機(jī)、壓