計算機與PLC集成控制系統(tǒng)的基本組成、功能、系統(tǒng)軟硬件設計與通信技術以及該系統(tǒng)在石化行業(yè)的應用。
近年來，國際市場上石化產(chǎn)品的競爭日趨激烈。與國外同類產(chǎn)品相比，我國的石化產(chǎn)品無論在生產(chǎn)工藝上，還是產(chǎn)品質量上，都存在著相當大的差距。為改變我國石化產(chǎn)品發(fā)展嚴重滯后的局面，國內石化行業(yè)的許多廠家已開始向產(chǎn)品的多樣化、添加劑材料和配方的高科技化邁進。我們應有關廠家提出的技術要求，針對石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復雜、添加劑配比要求嚴格、品種多樣、互換性差的特點，開發(fā)研制了計算機與PLC集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制可靠、操作簡便、開放性強、性能價格比高，在國內石化系統(tǒng)的數(shù)家企業(yè)推廣應用后，受到好評。
1、系統(tǒng)組成
計算機與PLC集成控制系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)二部分組成(如圖1)。生產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型機、適配器、PLC、執(zhí)行機構及現(xiàn)場儀表等部分組成。非生產(chǎn)系統(tǒng)主要由工藝流程模擬顯示屏、電視監(jiān)視設備、現(xiàn)場通話設備、質量檢查系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等部分組成。中央控制室負責處理來自生產(chǎn)系統(tǒng)和非生產(chǎn)系統(tǒng)的大量信息。通過計算機與PLC集成控制系統(tǒng)，將潤滑油廠的各生產(chǎn)車間、附屬部門以及總廠廠部聯(lián)成了密不可分的整體，從而最大限度地利用了信息資源。

圖1 計算機集成控制系統(tǒng)的組成

2、　系統(tǒng)功能　　
為滿足用戶提出的技術要求和現(xiàn)場的工況，此控制系統(tǒng)的設計具有以下功能：
　　1.根據(jù)用戶提出的技術要求，按照添加劑配方的比例精確地配制生產(chǎn)各種型號的石化產(chǎn)品，并且通過微型機和現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化。
2.通過自行開發(fā)的計算機軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控。良好的人機界面、清晰的組態(tài)圖形，使得操作人員通過計算機屏幕，對于現(xiàn)場的各種工況變化一目了然。
3.在現(xiàn)場生產(chǎn)中，為提高整個控制系統(tǒng)的精確性，在攪拌器、電動機、電動閥、電磁閥等設備上均設計了局部反饋功能，這些相互獨立系統(tǒng)的局部反饋功能構成了對總系統(tǒng)反饋控制的有力支持。
4.當系統(tǒng)出現(xiàn)壓力報警或油面報警時，一方面通過PLC程序實現(xiàn)自動停車，另一方面借助于語音卡，在控制間的操作人員可以立即聽到報警信號，及時采取相應措施。
5.考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場某些部位屬于高溫、有害氣體殘留處，技術人員不宜靠近，在現(xiàn)場設置了電視監(jiān)視設備，讓技術人員實現(xiàn)遠程監(jiān)控。為便于管理，還安裝了現(xiàn)場通話設備。
6.在中央控制室設置了1個大屏幕模擬顯示屏，在屏幕上不僅可以顯示總廠所有管道線路，而且能夠動態(tài)顯示油的液位、流向，讓高層管理人員從宏觀上掌握全廠的生產(chǎn)狀況。
7.通過微機聯(lián)網(wǎng)，質量檢查部門可以直接得到工業(yè)現(xiàn)場的信息，各管理部門之間也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)共享。
3、　硬件與軟件設計
3、1　硬件設計
在本系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場控制是核心，而工業(yè)現(xiàn)場控制主要由PLC系統(tǒng)完成，所以如何合理有效地使用PLC技術就成了設計的關鍵。PLC的特點是控制可靠，編程簡單，但程序內存不大，不能進行復雜的編程；而石化產(chǎn)品的特點是生產(chǎn)工藝復雜，產(chǎn)品型號繁多，往往1條生產(chǎn)線就能夠生產(chǎn)幾十種型號的產(chǎn)品。這就形成了一對矛盾。如果設計時采用常規(guī)的PLC控制系統(tǒng)，那么1條生產(chǎn)線就需要20幾臺PLC基本模塊和A/D轉換模塊。投資巨大，而且按照現(xiàn)代控制理論，在1個控制系統(tǒng)中配置的控制模塊越多，控制越不可靠。為了減少投資和增強控制的可靠性，在PLC控制系統(tǒng)的硬件配置上進行了多項創(chuàng)新。
　　以潤滑油生產(chǎn)線為例，在潤滑油生產(chǎn)車間，有攪拌溫度、添加劑溫度、輸油泵壓力、油罐的液面等共計32路模擬信號需要檢測。如果按常規(guī)設計，需要8塊FX-4AD模塊。為減少投資，設計了多路開關切換電路，只用2塊FX-4AD模塊就完成了全部功能。圖2為FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖。

圖2　FX-4AD模塊的多路開關切換示意圖

圖2中，F(xiàn)X-4AD模塊為12位4通道模擬量輸入模塊，Y0、Y1、Y2、Y3為PLC的任意輸出觸點。FX-4AD模塊的多路開關切換電路的設計實質上是通過1個多路開關控制FX-4AD模塊分別去完成攪拌溫度檢測、添加劑溫度檢測、輸油泵壓力檢測及油罐液面檢測4項功能，其中多路開關的4個轉換觸點接PLC的輸出觸點，由PLC編程控制。這個多路開關切換電路簡單實用，而且節(jié)省了大量投資，實踐證明，該電路在控制精度上完全滿足用戶的需要。
3、2　軟件設計
在計算機與PLC集成控制系統(tǒng)的軟件設計中，也采用了許多新的設計思想。
　　仍以潤滑油生產(chǎn)車間為例，按照用戶提出的72種潤滑油的生產(chǎn)工藝和技術要求，如果用常規(guī)方法編程，需要12臺PLC基本模塊。為節(jié)約投資，我們充分利用PLC的文件寄存器(2000點)，用逐項查表的方法編寫了1個72種潤滑油的通用程序，用1臺PLC基本模塊帶2臺PLC擴展模塊的方式完成了過去需要12臺PLC才能實現(xiàn)的功能。
　　我們選用了三菱公司生產(chǎn)的FX系列的可編程序控制器，文件寄存器共計2 000點(D1000～D2999)。為節(jié)約程序內存，充分利用PLC本身提供的指令資源，我們選用了字傳送方式，用1個16bit的字來控制PLC觸點的16個輸出觸點，而不必像過去那樣，1條指令只能控制1個輸出觸點。例如在圖3中，首先X0導通，十進制數(shù)K6送入數(shù)據(jù)寄存器D0，接著X1導通，數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6轉化為二進制數(shù)“0000　0000　0000　0110”送入K4Y0，控制輸出Y0～Y17共計16個觸點的動作，其開關動作和數(shù)據(jù)寄存器D0的數(shù)值K6一一對應。如圖4所示，“1”控制輸出觸點導通，“0”控制輸出觸點關斷。在此例中，Y1、Y2觸點導通，其余輸出觸點關斷。

圖3 字傳送方式控制輸出觸點示意圖

圖4 數(shù)據(jù)寄存器DO的值與16個觸點的對應關系

通過字傳送方式，我們用1條指令就可控制16個電動閥及輸油泵的動作，大大節(jié)省了程序空間。在這種設計思想下，我們把72種潤滑油的工藝流程全部用字方式編寫，然后輸入文件寄存器，并在此基礎上，編制了72種潤滑油的通用程序。在通用程序運行時，根據(jù)某一潤滑油的型號，通過查表的方式，在文件寄存器中調出對應的數(shù)據(jù)段(這些數(shù)據(jù)段也就是該種潤滑油的工藝流程)，然后該數(shù)據(jù)自動輸入PLC的控制程序，使得PLC按照規(guī)定的工藝流程控制整個執(zhí)行機構工作。如圖5所示之例，潤滑油品種LSO-1的工藝狀態(tài)字存于文件寄存器D1050～D1060 10個字節(jié)中。程序運行時，首先根據(jù)潤滑油型號在文件寄存器中尋址，查到正確的地址后，調出D1050～D1060 10個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后輸入到通用程序的相應寄存器，參與工業(yè)控制。

圖5 文件寄存器示意圖

4、　計算機與PLC的通信技術　　
在計算機與PLC集成控制系統(tǒng)中，一個關鍵的技術問題是計算機與PLC的通信。若在整個系統(tǒng)設計中全部采用進口器件，軟件也選用相應的進口產(chǎn)品，那么，整個工程造價驚人。針對這種情況，我們自行開發(fā)了計算機與PLC的串行通信技術。該技術設計思想先進，軟硬件簡單實用，可靠性高，性能價格比好，兼容性強，可適用于市場上多種型號的計算機與PLC。
　　從硬件上講，現(xiàn)在中國市場上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口；而微型機多采用RS232接口。這樣在計算機與PLC通信時就不可避免地要選用RS422-RS232轉換模塊，同時考慮到惡劣工況下的抗干擾要求，這個轉換模塊必須具有良好的隔離功能和放大功能，而選用高性能進口模塊，必定提高工程造價。
　　針對這種情況，為降低工程造價，我們在硬件上用1根普通的通信電纜代替進口的通信模塊，在電纜的接口處采用先進的電路設計技術和單片機技術，以完成信號的隔離和放大功能。實踐證明，通信的可靠性完全可以和國外的進口模塊媲美，而且造價極低。
　　從軟件上講，計算機和PLC的通信技術屬于保密技術，長期為國外公司壟斷。這就使得我們只要選用了該廠家生產(chǎn)的PLC，就必須選用它開發(fā)的工控軟件，提高工程造價。針對這種情況，我們開發(fā)了自己的工控軟件。下面以三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程序控制器為例，介紹我們的軟件設計。FX系列可編程序控制器命令格式如表1所示。
表1　FX系列可編程序控制器的命令格式
命令 命令號 日標設備 功　　　能
設備讀 命令‘0’ X/Y/M/S/T/C/D 讀位設備或字設備狀態(tài)
設備寫 命令‘1’ X/Y/M/S/T/C/D 寫位設備或字設備
強制開 命令‘7’ X/Y/M/S/T/C 打開位設備
強制關 命令‘8’ X/Y/M/S/T/C 關閉位設備

每一個字符都以ASCII碼形式串行傳輸，傳輸格式如圖6。

圖6 字符傳輸格式

例如，字符‘F’(ASCII碼是46H)的傳輸格式如圖7。

圖7 字符“F”的傳輸格式

一般文本數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖8。

圖8 文件數(shù)據(jù)傳輸格式

圖8中，STX為文本的開始，其ASCII碼定為02H；ETX為文本的結束，其ASCII碼定為03H；CMD為命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。
在STX之后，被傳送數(shù)據(jù)的ASCII之和，也被作為2個字符碼發(fā)送。
例如，實現(xiàn)從地址10F6(10F6為寄存器D123的地址)處讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù)，執(zhí)行傳輸格式如圖9。
求和：30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H＝74H

圖9 傳輸格式之例

通過改變命令號和地址號，就可以實現(xiàn)計算機與PLC之間的讀、寫、強制開關等基本功能，用戶可以使用我們研制的通信軟件，也可以在該軟件基礎上，根據(jù)實際情況靈活地用C語言開發(fā)自己的通信程序，這正體現(xiàn)了該軟件的開放性特點。
5、　結束語
計算機集成控制系統(tǒng)采用了先進的系統(tǒng)集成的設計思想，投入運行后，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，尤其在PLC控制方面，獨樹一幟，以其卓越的控制功能和良好的性能價格比，贏得了用戶的廣泛贊譽。