1、國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定維修電工高級技師論文（國家職業(yè)資格一級）論文題目: 工業(yè)自動化系統(tǒng)在油脂精煉廠的應用 姓 名： 倪科敏 身份證號： 準考證號： 所在省市： 山東省日照市 所在單位：日照市弘泰安全技術服務有限公司 工業(yè)自動化系統(tǒng)在油脂精煉廠的應用姓名：倪科敏單位：日照市弘泰安全技術服務有限公司摘要：本文介紹了工業(yè)自動化控制系統(tǒng)在我公司1000t/d的大豆油精煉廠電氣自動化控制系統(tǒng)上的應用，通過對大豆油精煉工藝流程及附屬配套系統(tǒng)的簡單介紹來對我公司電氣控制系統(tǒng)體系結構、硬件設計、下位機程序設計和上位機監(jiān)控組態(tài)界面的設計做一個詳細的說明。關鍵字：大豆油精煉 PLC InTouch EMC 工

2、業(yè)以太網(wǎng)隨著我國近年來糧油工業(yè)的飛速發(fā)展，自動化程度在糧油工業(yè)生產(chǎn)中要求越來越高，手動、半自動控制已退出歷史的舞臺。我公司采用了全自動化系統(tǒng)控制生產(chǎn)，將工業(yè)自動化技術應用其中，以西門子PLC作為自動化控制系統(tǒng)核心，InTouch10.0和Wincc6.0作為上位機操作界面，取代了傳統(tǒng)的繼電器控制和人工現(xiàn)場手動操作。通過利用PROFIBUS現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)組成的工業(yè)自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠的雙向傳輸。下面詳細介紹工業(yè)自動化技術在我公司1000t/d的大豆油精煉廠上的應用。1、 工藝流程及附屬工程：大豆油精煉線是將毛油通過中和脫酸脫堿、脫色、脫臭、公用工程等主要工序煉成可以食用的成品

3、油，附屬的配套設施有污水處理工程及油脂發(fā)放工程，污水處理工段是將油脂精煉線上產(chǎn)生的工業(yè)廢水以及公司的生活廢水通過曝氣、沉降分離等流程轉換成符合排放標準的水進行排放。油脂發(fā)放工程是接收汽車運輸過來的毛油和發(fā)放通過精煉生產(chǎn)出來的成品油。全廠用到的主要電氣設備有冷凍機、空壓機、高壓鍋爐、泵、控制閥、流量計、傳感器、雷達、變送器等。 2、 電氣控制系統(tǒng)結構：精煉生產(chǎn)線整個電氣控制系統(tǒng)是由現(xiàn)場電氣設備、MCC（電機控制中心）、下位機PLC控制層和上位機管理操作層組成?，F(xiàn)場電氣設備到MCC線路連接采用強弱電嚴格隔離，動力電纜和控制電纜分橋架分管敷設。MCC采用目前比較先進的抽屜式開關柜，現(xiàn)場每個電機都具有

4、其獨立的控制單元，可以進行遠程控制及由PLC進行控制，也可以在本抽屜上進行就地控制。遠程控制通過三個中間繼電器讓PLC實現(xiàn)遠程控制，分別為啟動中繼、停止中繼和故障中繼，運行狀態(tài)通過接觸器上的一套輔助無源觸點直接引至PLC的DI模塊。整個MCC系統(tǒng)具有較高的可靠性、安全性和互換性。現(xiàn)場控制儀表通過屏蔽電纜分管走弱點橋架接入PLC柜。下位機PLC控制層由CPU，通訊模塊和I/O模塊組成，PLC采用西門子的S7-400系列。上位機管理層由兩個功能完全相同的操作站構成，上面裝有InTouch10.0監(jiān)控組態(tài)軟件及用它們語言編制的應用軟件。操作人員可在控制室內實現(xiàn)對整個大豆油精煉系統(tǒng)的啟/?？刂?、設備運

5、行監(jiān)視、異常報警、歷史曲線、報表查詢和打印功能。兩個操作站和PLC的連接方式采用最通用的工業(yè)以太網(wǎng)，通過TCP/IP協(xié)議進行通訊，整個系統(tǒng)具有高可靠性和優(yōu)良的擴展性，在各個層次上用戶可以自由擴展，上層可隨意增加操作站，下層可以繼續(xù)加ET200M分站，是一個典型的DCS（集散控制系統(tǒng)）。 整個控制系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示：圖1 大豆油精煉線控制系統(tǒng)拓撲結構 附屬的污水處理工程和油脂發(fā)放工程電氣控制系統(tǒng)與精煉線相仿，電機控制單元同樣采用抽屜式開關柜，PLC進行遠程控制著各個電機單元。污水處理工程和油脂發(fā)放工程PLC控制系統(tǒng)都采用的西門子S7-300系列，擴展模塊采用IM365，上位機監(jiān)控軟件都采用的

6、是Wincc6.0組態(tài)軟件，操作站與PLC通過CP343-1工業(yè)以太網(wǎng)連接 。在油脂發(fā)放工程里面，我們在每個油罐裝有一條測溫電纜，每根測溫電纜上帶有15個測溫點，而油罐數(shù)量較多，如果直接傳輸?shù)絇LC里面將需要大量的模擬量輸入模塊，而且加大了程序的編寫量，為了方便有效的檢測到每個點的油脂溫度情況，通過Modbus通訊協(xié)議讓上位機采集每一個測溫點的信號，此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言,通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準，有了它我們可以將各個罐內

7、的測溫電纜和PLC連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。3、 EMC電磁兼容的應用由于整個生產(chǎn)線控制系統(tǒng)模擬量占有相當大的比重，如：控制閥的開度，各個工序油的溫度和流量，各條管線的壓力，大功率電機的電流，雷達液位等等，而且要求模擬量信號能準確無誤的傳遞給操作者進行指導生產(chǎn)和保護好設備。然而實際生產(chǎn)現(xiàn)場的干擾源可以說很多，有來自工作電源的諧波干擾，變頻器產(chǎn)生的諧波和電磁干擾，大功率電機產(chǎn)生的電磁干擾，導線互感產(chǎn)生的干擾等，模擬量傳輸?shù)?20mA信號很容易被干擾。為了減少干擾，我們采取了一系列的電磁兼容技術，首先PLC柜電源經(jīng)過電容柜和電抗器消諧濾波確保了電源的質量。其次現(xiàn)場所有電氣儀表采用屏蔽電纜，與動力

8、電纜橋架分開敷設單獨穿管，就連儀表采用的24V電源線都與信號傳輸線分別穿管，分別敷設，同時所有電纜的屏蔽線獨立接地與PLC接地線嚴格分開，柜體接地線也獨立開來。最后還在數(shù)字量輸出端增加0.1A的熔斷器，以防止數(shù)字量輸出所接繼電器、接觸器動作產(chǎn)生的高頻雜波進入PLC模塊，在模擬量輸入和輸出端都加設0.1A的熔斷器防止現(xiàn)場誤接線導致高的短路電流進入PLC模塊燒毀通道或者模塊。同時容易產(chǎn)生諧波和電磁干擾的變頻器我們采用目前較為先進的ABB ACS800系列帶電抗器的變頻器。通過EMC技術的使用確保了生產(chǎn)過程中信號傳輸?shù)目煽啃酝瑫r也給現(xiàn)場電氣儀表和PLC模塊增加了一道“防火墻”。4、 PLC控制系統(tǒng)的

9、應用作為控制系統(tǒng)核心的PLC，油脂精煉線CPU采用4122DP作為PROFIBUS現(xiàn)場總線主站，下面連接4個I/O從站ET200M，通訊模塊采用CP443-1實現(xiàn)與上位機進行工業(yè)以太網(wǎng)連接。PROFIBUSDP總線是一種全分布式現(xiàn)場總線型現(xiàn)場控制網(wǎng)絡，它通過ET200分布式輸入輸出系統(tǒng)與現(xiàn)場設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信。單個分散的現(xiàn)場設備通過PROFIBUS總線連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，形成控制功能徹底下放到現(xiàn)場的全分布網(wǎng)絡集成式新型控制系統(tǒng)，它大大簡化了現(xiàn)場布線并節(jié)省了安裝費用。由于油脂生產(chǎn)線各種罐較多，為了精確掌握每個罐內液體實時容量，我們在每個罐

10、上裝設了E+H公司生產(chǎn)的導波雷達液位計，并通過HARD模板接入PLC系統(tǒng)，這些液位計通過HARD協(xié)議進行接收和傳送數(shù)據(jù)。HARD協(xié)議是一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通訊協(xié)議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，HARD協(xié)議已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。硬件配置如圖2所示： 圖2 PLC硬件配置系統(tǒng)程序利用西門子STEP7編程軟件編輯，采用通俗易懂的LAD(梯形圖)編程語言，為加強程序易讀性、可移植性、易維護性，采用結構化編程，對各段工序和

11、各個邏輯單元應用不同的控制功能塊來實現(xiàn)。如現(xiàn)場電機、閥門和需要進行閉環(huán)控制PID調節(jié)的功能單元比較多，通過編寫電機控制功能FC100、閥門控制功能FC101和系統(tǒng)自帶的功能塊FB41，然后在各段工序和邏輯單元的FC（功能）里面調用這些模塊同時將這些邏輯塊FC和FB的數(shù)據(jù)存放在DB（數(shù)據(jù)塊）里面，最后在OB1（循環(huán)組織塊）里面依次調用這些邏輯塊FC和FB，這樣就完成了整個系統(tǒng)的大體邏輯控制。系統(tǒng)程序除了編寫了主程序循環(huán)模塊OB1外，還編寫了OB35（循環(huán)中斷組織塊）來用以編輯生產(chǎn)中各部分流量累計和OB80OB87（異步故障中斷組織塊）、OB88（處理中斷組織塊）、OB121和OB122（同步錯誤

12、中斷組織塊）用以防止PLC系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時CPU不至于立即停機而去執(zhí)行相應的組織塊，技術人員可以在CPU診斷中找出錯誤原因。污水工程和油脂發(fā)放工程CPU分別采用314和315-2DP，污水工程擴展機架通過IM365與主機架連接而油脂發(fā)放工程由于控制點較少無需擴展模塊，通訊模塊都采用CP343-1以太網(wǎng)通訊。5、 上位機監(jiān)控組態(tài)軟件的應用油脂精煉線上位機監(jiān)控組態(tài)軟件采用InTouch10.0組態(tài)軟件，它是由美國Wonderware公司推出，是世界上最早推出組態(tài)軟件的公司也是最早進入我國的人機界面（HMI）設計軟件。InTouch包含三個主要程序，它們分別是InTouch 應用程序管理器、Windo

13、wMaker和WindowView。InTouch 應用程序管理器用以配置監(jiān)控界面的動態(tài)分辨率轉換同時DBDump、DBLoad數(shù)據(jù)庫實用程序也是從應用程序管理器啟動。WindowMaker是一種開發(fā)環(huán)境，用以編輯監(jiān)控界面，界面里面的每一個圖形元素也代表著現(xiàn)場的每一個設備和管線，WindowMaker通過InTouch自帶的System Management Console（系統(tǒng)管理控制臺）采集PLC程序里面的變量，并將這些變量配置給對應圖形元素的觸控式顯示窗口。WindowView是一種運行環(huán)境，用于顯示在 WindowMaker 中創(chuàng)建的圖形窗口，可以執(zhí)行 InTouch QuickScr

14、ipt、執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)記錄與報告、處理報警記錄與報告、生成生產(chǎn)日報，并同時可以充當 DDE 與 SuiteLink通訊協(xié)議的客戶端和服務器，這樣操作者通過監(jiān)控工控機里面運行的WindowView來實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線每一個設備的控制和工藝過程參數(shù)的實時監(jiān)視。大豆油精煉線使用InTouch軟件組態(tài)的中和工段監(jiān)控畫面如圖3所示。圖3中和工段監(jiān)控畫面污水工程和油脂發(fā)放工程上位機監(jiān)控軟件都是采用西門子公司的Wincc6.0軟件，監(jiān)控著設備的啟停和運行狀況和故障報警記錄，實時采集著各個工藝數(shù)據(jù)，自動生成我們所需要的日報表。Wincc作為一個監(jiān)控組態(tài)軟件具有強大功能以及高度開放性，可使用戶設計出界面良好的、功能

15、完善的監(jiān)控系統(tǒng)；且由于它能在Windows標準環(huán)境下利用各Windows的便利功能，可大為縮短開發(fā)生成過程軟件包的時間。Wincc軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理2個基本功能。數(shù)據(jù)采集是指從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并進行相應處理，采集主要由作為現(xiàn)場控制站的PLC完成。數(shù)據(jù)管理是把從現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)進行處理后并把它送到服務器的數(shù)據(jù)庫以及由數(shù)據(jù)庫訪問函數(shù)讀取數(shù)據(jù)然后再送到應用中去。6、 展望 隨著信息技術的不斷發(fā)展，信息交換技術覆蓋了各行各業(yè)。在自動化領域，越來越多的企業(yè)需要建立包含從工廠現(xiàn)場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網(wǎng)絡管控平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡技術為基礎的企業(yè)信息化系統(tǒng)。我公司油脂生產(chǎn)線和

16、附屬工程當時由不同施工方進行施工，生產(chǎn)線和附屬的污水處理工程及油脂發(fā)放工程的自動控制系統(tǒng)彼此獨立，在不久的將來我們準備將這三個工段進行集中起來管理和控制。目前這三個工段PLC與上位機都是通過以太網(wǎng)連接的，而且都是采用S7系列PLC這為集中控制做下了很好的基礎，只需統(tǒng)一上位機監(jiān)控組態(tài)軟件在同一個工業(yè)以太網(wǎng)絡里面即可，我們可以利用西門子工業(yè)以太網(wǎng)SMATIC NET將操作員站、工程師站和下位機PLC通過TCP/IP協(xié)議連接起來進行高速傳輸，SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)符合IEEE 802.3標準并提供10Mbit/s以及100Mbit/s快速以太網(wǎng)技術。而且每個工段能夠進行數(shù)據(jù)相互讀寫，通過調用功能FC5“AG_SEND”和FC6“AG_RECV”，這樣三個原來彼此分離的自動控制系統(tǒng)，能夠進行高速可靠地相互通訊，從而實現(xiàn)了從現(xiàn)場設備層到控制層再到綜合管理層集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的DCS控制系統(tǒng)。將三個控制室集中到一個控制室，原本至少需要三個操作人員可以減少到一至兩個，不但節(jié)省了空間還減少了人力，最關健的是將原本各自獨立的系統(tǒng)進行統(tǒng)一起來提高了整個系統(tǒng)的高可靠性、開放性、靈活性、易于維護和協(xié)調性。7、 結語我公司大豆油精煉廠電氣控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)，不僅保障了我公司生產(chǎn)的安全性、可靠性而且減輕工人勞動強度，降低企業(yè)生產(chǎn)