PLC和HMI控制技术在SO2风机控制中的应用.pdf

仪 表 自动化 硫 酸 工 业， 2 0 1 1 5 4 5 4 7 S u l p h u r i c A c i d I n d u s t r y P L C和 H M I 控制技术在 S O 2风机控制中的应用 郭 勇 云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂 ， 云南昆明 6 5 0 1 0 2 摘要 介绍了可编程序控制器和人机界面的技术特点和功能。可编程序控制器和人机界面控制系统具有 安全、 保护全面、 操作简便等优点， 我厂 2 4 5 0型 s 0 风机控制系统采用该系统改造后， 实现了自动监控、 历史趋势 和报警等功能， 大大提高了S O 风机运行可靠性。 关键词硫酸生产冶炼烟气 二氧化硫风机 可编程序控制器人机界面应用 中图分类号T Q1 1 1 ． 1 6 2 ； T Q o 5 6 ． 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 21 5 0 7 2 0 1 1 0 5 0 0 4 5 0 3 S O 风机是硫酸装置最关键的设备之一， 其 运行状况好坏直接关系到整个硫酸装置能否长周 期、 稳定运行。对 S O 风机进行安全保护和控制 以避免由于工艺故障或机械故障而造成 的损坏 ， 对大型硫酸装 置显 得尤 为重要 。我 厂 2 4 5 0型 S O 风机投用时间较早， 其状态监测和转速调节 装置使用落后的动圈式仪表和手动操作器， 操控 困难， 对操作人员操作技能和经验要求很高； 加上 监测设备存在缺陷、 控制线缆老化严重 ， 无法利用 风机运行过程参数对风机进行联锁保护控制 ， s O 风机存在较大安全隐患。 可编程序控制器 P L C 和人机界面 H M I 技 术在工业 自动化 控制 中的应用 非常广 泛 J 。针 对 2 4 5 0型 S O 风机控制要求和特点， 我厂通过 合理设计控制程序 、 硬件控制回路和供配电驱动 回路 、 更换控制线缆等措施 ， 以最小的投入实现风 机自动控制， 提高了S O 风机运行的可靠性、 安全 性和稳定性。 1 P L C与 H MI 的特点和功能 P L C是计算机技术与继 电器逻辑控制概念相 结合 的一种新型控制器 。其标准的积木式硬件结 构与模块化的软件设计， 使 P L C不仅适应大小不 同、 功能繁杂的控制要求 ， 而且适应工艺流程变化 较多的场合。P L C是为直接应用于工业环境而设 计的， 具有非常高的可靠性。基本功能包括逻辑 运算 、 定时、 计数、 数制换算、 数值计算、 步进控制 等 ， 扩展功能还有 A ／ D、 D ／ A转换 、 P I D闭环 回路 控制、 高速计数、 通信联网、 中断控制及特殊功能 函数运算等。可以通过上位机进行显示、 报警、 记 录、 人机对话 ， 使控制水平大为提高。 H MI 又称触摸屏监控器， 是一种智能化操作 控制显示装置 。H MI的主要 功能有数据 的输入 与显示、 系统或设备的操作状态方面的实时信息 显示、 在 H M I 上设置触摸控件可把 H M I 作为操 作面板进行控制操作、 报警处理及打印， 此外， H MI 还具有 简单 的编程 、 对输入 的数据进 行处 理、 数据登录及配方等智能化控制功能。 2 4 5 0型风机控制系统以逻辑控制 、 联锁控制 为主， 从这个方面考虑 ， 具备较强逻辑控制功能的 P L C系统是一个理想的选择。从性能上来看， P L C 产品已经具备了很强的模拟量处理能力和稳定性， 能够满足控制系统对模拟信号处理和稳定性的要 求。从系统结构来看 ， P L C和 H MI 相结合 的结构 方式能够充分发挥各 自优点。选择 P L C系统作为 控制系统主体兼顾了设备投资和控制效果。 2 系统的硬件结构设计 2 4 5 0型风机 P L C控 制系统硬件 采用 日本 0 MR O N公司 主流 的 中型 C J系 列 P L C控 制 系 统C J I M作为控制系统主体架构 ， 实现对风机 系统 的启动、 调整、 调节、 停机及安全保护等主要 功能。上位监控部分采用海泰克的 P WS 6 A 0 0 T 触摸屏实现对风机的操作 、 监视 、 管理等功能。针 对风机本体温度监测 点较多且温度分度号不统 一 ，既有有源4 2 0 m A的电流输入信号， 也有无 收稿日期i 2 0 1 1一 o 31 7 。 著者简介郭勇， 男， 云南铜业股份有限公司冶炼加工 总厂硫酸分厂电器工程师， 主要从事仪器仪表和 自动 化控制系统的维护管理工作。电话 0 8 7 1 8 3 9 0 8 8 8 2 8 8 1 6， 1 3 0 9 5 3 2 1 2 6 5； E- ma i l g u o y o n g l 21 6 1 2 6 ． o o m。 4 6 硫 酸 工 业 2 0 1 1年第 5期 源 42 0 m A 的电流输人／ 输 出信号 和众多 D I ／ D O信号的情况， 将 中央处理器 C P U 和输入／ 输 出单元等做成各自相对独立的模块。通过无母板 的相互插接方式进行连接 ， 整个 P L C系统为模块 式结构的设计 。该系统结构见图 1 。 L 2 4 V直流电 图 1 P L C控 制 系统硬 件 结构 其中， 控制核心 C P U采用 C J I M． C P U 1 3 ， 温度 信号采集单元采用 P T S 5 2模块， 模拟量输入采用 A D 0 8 1 ， 模拟量输出采用 D A 0 2 1 ， 开关量输入采用 I D 2 1 1 ， 开关量输 出采用 0 C 2 1 1 。 3软件编程设计 软件 由2部分组 成 ， 一部分是 P L C程 序 ， 另 一 部分是触摸屏画面。 3 ． 1 风机控制逻辑方案设计与 P I G程序开发 作为硫酸厂的心脏设备， 大型高压风机的启 动和运行都非常关键， 要求在启动前对启动条件 进行启动确认 ， 在 电机启动过程结束后再通过转 速调节装置慢慢调节风机运行 。在风机控制系统 中实现对风机的轴承温度 、 油温 、 油压 、 转速及液 力耦合器油压等参数进行监测和联锁控制。主要 控制如下 a ．风机启动条件控制程序。设置启动条件联 锁控制系统的目的是为了保证风机安全正常的开 机， 只有当风机监测参数不超报警和联锁极限值 、 转速控制勺管处于最小位置、 高压供电装置准备就 绪、 供油油压正常等所需条件全部满足后， 控制系 统才发出“ 允许启动” 的信号 ， 否则开机操作无效。 b ．油系统控制程序。风机油路系统包括供 油站主油泵和液力耦合器辅助油泵， 其中供油站 主油泵设置为 2台， 互 为备用。通过 开关 电控 盘操作开关 可选择其中一台作为主运行泵， 另 一 台为备用泵。当运行过程中主运行泵故障停机 时， 备用泵则自动启动， 保证油压正常。如果备用 泵投入运行后供油油压下降， 当小于所设置 的联 锁极限值时， 控制系统将发出停机指令。若在风 机运行过程中发生液力耦合器进 口油压低于所设 置的控制值 ， 或者是风机停机时， 系统将 自动启动 液力耦合器辅助油泵， 以维持供油正常。 C ．风机联锁保护控制程序。将风机运行过 程中的各类温度 、 压力 、 系统供 电电压等参数作为 联锁保护控制对象， 为保证现场采集信号的可靠 性 ， 在程序开发设计上设计了测量回路断线保护 、 信号超量程保护等功能 ， 使得整个控制程序更为 完善和合理。 d ．紧急停机控制程序。该控制功能是独立 于 P L C控制系统的 ， 在风机运行过程 中， 若发生 诸如润滑油压过低、 风机位移或振动过大、 油路泄 漏或P L C系统出现异常等故障情况时， 紧急停机 控制功能将能保证设备安全快速地停机。 e ．风机转速控制程序。转速调节控制方式 采用选择“ 数值” 和“ 软按钮” 互为配合的形式来 完成风机的转速调节 ， 在调节转速时程序会 自动 对设置值和输出控制量进行限幅保护。当使用 “ 软按钮” 方式调节 时， 每次调 节量 固定 为 5 ％ 。 或当使用“ 数值选择” 方式时， 每次操作时程序都 会 自动提醒操作人员进行二次确认 ， 且若单次设 定值大于 1 0 0 ％时程序将不会响应输出。 f 报警极限值和联锁极限值的在线修改和 在线屏蔽联锁控制功能。通过在触摸屏上登录相 应的管理权限， 就可根据风机运行状况和现场维 护等特殊需要情 况下 ， 方便地在线修改风机各过 程参数的报警和联锁极限值， 以及在线屏蔽报警 和联锁保护功能 。 3 ． 2 触摸屏画面组态设计 H MI 和 P L C之间通过 串 口以 D i r e c t L i n k 直 接连接 方式进行通信。在该方式 下， H MI 直 接 读入 P L C数据或将数据写入 P L C相应的地址中。 由于内装通信协议， 因此无需编制通信程序， 只要 指定所用 P L C类型和在 P L C内部设定好连接网 络类型， 运行时便可实现通信。在系统设计时， 直 接指定控制部件与其对应 P L C输入／ 输出、 寄存 器、 中间寄存器的地址， 运行时 H M I 就能自动和 P L C进行数据交换， 直接读取或改写 P L C相应地 址的内容， 并据此改变画面上显示内容。同时， 通 过对 H M I 的触摸操作， 可向P L C相应的地址输入 数据。在上位机上利用软件功能设计了标准的人 机界面 ， 主要包括 以下几个方面 a ．H MI 流程图画面设计。整个 H MI 画面由 郭 勇． P L C和 H MI 控制技术在 s 0 风机控制中的应用 4 7 主流程图主画面及相应功能子画面组成。在主流 程图主画面下端设有控制功能键 ， 按动功能键可 以依次进入相应子画面 ， 执行所需 的功能。在每 一 个子画面中可通过前翻页和后翻页功能键在 同 一 功能组中进行画面切换， 在任一子画面都可以 通过返 回功能键退 回到主流程图主画面。在主流 程图画面 中， 控制系统将风机各轴承温度、 油温 、 油压、 电机电流、 风机转速等一些重要运行参数显 示在主画面上， 便于操作人员的观察和控制。 HM I 流程图画面见图 2 。 图 2 HMI流程 图画 面 b ．H M I 针对风机重要操作环节的特殊控制 功能设计。风机的转速调节控制方式采用 了选择 “ 数值” 和按“ 软按钮” 互为配合的形式来完成风 机转速调节。在风机启／ 停功能上， 设计了防误操 作功能。即启／ 停控制按钮在正常操作时需保持 “ 按下” 状态 3 s以上 ， 控制才会响应 ， 避免了操作 人员的误操作。此外， 对重要的设备设置参数， 为 安全起见 ， 对参数画面设置了访问权限， 通过赋予 操作人员不同的操作权限， 增加了系统安全性， 提 高了风机安全控制水平。 C ．H MI 报警和数据趋势记录功能设计。在进 行报警设计时， 将故障信息在报警编辑器中编辑 好 ， 并在报警记录子画面中设置报警记录显示部件 用于故障信息显示。当风机运行中发生故障时， H M I 根据 P L C传送的故障信号， 将报警编辑器中 对应的故障信息在报警记录子画面显示 出来。报 警灯会立即闪烁 ， 同时在流程图上会 自动弹出一 个报警 内容对话框， 在该对话框中， 操作者可以检 查报警超出范围的出处， 并对此采取相应的措施。 在趋势画面中除了实时显示变量变化趋势外 ， 操 作人员还可 以检查过去的数据记录。通过对历史 趋势的比较 ， 可对变量未来发展趋势做进一步预 测 。H MI 报警和数据趋势记录功能见图 3 。 图3 H MI 报警和数据趋势记录功能 4 结语 我厂 2 0 1 0年 8月完成 s 0 风机控制系统改造 并投人运行。该控制系统具有安全、 保护全面、 操 作简便等优点， 投入使用后监控、 历史趋势和报警 等功能的实现， 大大提高了 s O 风机运行可靠性。 生产实践证明， 用 P L C和 H MI 来控制大型高压风 机系统 比起以往采用的继电器加仪表控制模式更 精确、 可靠， 操作上更为方便， 同时也大大减少了维 护人员的工作量。该技术值得在硫酸行业内推广 应用。◆ 参考文献 [ 1 ] 马丽梅 ， 张宏波 ． A B B F r e e l a n c e 2 0 0 0控制系统在硫 酸生产中的应用[ J ] ． 硫酸工业， 2 0 1 l 1 5 1 5 2 ． [ 2 ] 栾坤 ． P L C与 H MI 在小规模控制系统 中的应用 [ J ] ． 黑龙江科技信息， 2 0 0 8 1 2 2 5 ． Ap p l i c a t i o n o f PLC a n d HM I t e c h n o l o g y i n S O2 b l o we r c o n t r o l GUO Yo n g S m e l t i n g a n d P r o c e s s i n g P l a n t ， Y u n n a n C o p p e r C o ． ， ． ，K u n m i n g ， Y u n n a n ， 6 5 0 1 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e f e a t u r e s a n d f u n c t i o n s o f P L C a n d HMI a r e d e s c ri b e d ．P L C a n d HMI c o n t r o l s y s t e m h a v e a d v a n t a g e s o f s a f e ，c o mp r e h e n s i v e p r o t e c t i o n a n d e a s y o p e r a t i o n ．Wh e n i t w a s u s e d f o r c o n t r o l o v e r 2 4 5 0 t y p e S O2 b l o we r ，a u t o ma t i c mo n i t o rin g ，h i s t o ric a l t r e n d s a n d a l a r m f u n c t i o n s we r e r e a l i z e d a n d t h e r e l i a b i l i t y o f S O 2 b l o we r wa s g r e a t l y i mp r o v e d ． Ke y wo r dss u l p h u r i c a c i d p r o d u c t i o n； o ff- g a s ； SO2 b l o we r ； PL C； HMI ； a p p l i c a t i o n