基于DCS和PLC的腈纶纺丝生产线混合控制系统.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第6 期 自动 控 制 系统 与装 置 Au t o m a t ic C o n t r o l S y s t ems＆ E q u i p me n t s 基于 D C S和 P L C的腈纶纺丝生产线 混合控制系统 葛锁 良袁业剑 合肥工业大学 电气与 自动化工程学 院， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 D C S系统采用分散控制 、 集中管理的形式提 高了控制系统的管理能力 ； P L C以其优秀 的逻辑控制能力和抗干扰能力 ， 适合工业现 场应用。 采用 D C S和 P L C混合控制系统 ， P L C负责生产线逻辑控制 ， D C S通过和 P L C通信 以及直接采集 现场仪表数据 ， 构建全厂 生产数据库 ， 并在此基础上组 态监控 画面和分析生产状况。本 系统将 D C S和 P L C两者优 势结合 ， 形成 “ 车间一控制室～监控室 ” 三级管理网络 ， 提高 了腈纶生产线的 自动化水平 。 关键词 D C S P L C 监控现场总线 【 中图分类号】 T P 2 7 3 [ 文献标识码] B 【 文章编号】 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 6 0 0 3 8 0 3 Mi x e d Co n t r o l Sy s t e m o f Ac r y l i c Fi b e r S Pr o d u c t i o n L i n e Ba s e d o n DCS a n d PL C Ge S u o l i a n g Yu a n Ye j i a n S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ，H ef e i U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ，H e f e i A n h u i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a Abs t r a c t Di s t r i b u t e d Co n t r o l S y s t e m i mp r o v e s ma n a g e me n t a bi l i t y o f t h e s y s t e m b y d i s t r i b ut e d c o n t r o l a n d c o n c e n t r a t e d ma n a g e me n t ．P r o g r a mme r Lo g i c Co nt r o l l e r s u i t s t he c o n d i t i o n o f p l a n t s b e c a us e o f i t s e x c e l l e nt l o g i c c o n t r o l a b i l i t y a n d a n t i - i n t e r f e r e nc e a b i l i t y ．A mi x e d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n DCS a nd PL C i s us e d i n o ne a c r y l i c fib e r s f a c t o ry ．I n t h i s s y s t e m，l o g i c o pe r a t i o n o f t he pr o du c t i o n l i ne i s c o n t r o l l e d b y PLC． DCS b ui l ds da t a ba s e o f t h e f a c t o ry b y c o mmu n i c a t i o n wi t h PLC a n d c o l l e c t i n g d a t a o f me t e r s d i r e c t l y 。t h e n f r ms mo n i t o r i n g pi e t ur e s a nd a n a l y z e s p r o d u c t i o n s t a t e b a s e d o n t he d a t a b a s e ． Th i s s y s t e m c o mb i ne s bo t h a d v a n t a g e s o f DCS a n d PLC， a n d b ui l ds ma n a g e me nt ne t wo r k o f “ wo r ks h o p c o n t r o l r o o n l mo n i t o r r o o m” ．W i t h t hi s c o n t r o l s y s t e m．t h e a ut o ma t i o n l e v e l o f a c r y l i c fib e r s p r o d u c t i o n l i n e i s i mpr o v e d d r a ma t i c a l l y ． Ke ywo r ds DCS PLC mo n i t o r fie l d b u s U 月 U置 D C S 分布式控制系统 是集计算机技术 、 通信 技术 、 图形显示 技术 、 控制技术于一体 的控制系统 ， 它通过某种通信网络将现场控 制站 、 操作员站 、 工程师站联系起来 ， 共 同完成分散控制 、 集 中管 理。D C S 基本结构包括过程控制单元 、 数据采集器 、 C R T操作站 、 监控计算机 以及高速数据通路等 五部分组成⋯。P L C 可编程序逻 辑控制器 是一种数字运算操作的电子系统 ， 专为在工业环境下应 用而设计。它采用可编程序的存储器 ，用来在其内部存储执行逻 辑运算 、 顺序控制 、 定时 、 计数和算术运算 等操作 的指令 ， 并通过数 字式 、 模拟式的输入 和输 出， 控制各种类型的机械或生产过程 。 D C S是一个完整的控制 系统 ，能够实现生产线逻辑控制和数 据采集监控功能。而 P L C是一种控制器， 相当于 D C S中的现场控 制器 ， 要构成完整 的管理系统还需要上位监控系统与之集成 。 D C S 系统 与 P L C系统 的区别主要有 “ 1 D C S在设 计时留有 大量 的可扩展性接 口， 外接系统或扩展 系统都十分方便 ； P L C系统一般是针对某 一设备而设计 ， 系统搭建 完成 以后很难 扩展 。 2 D C S各工作站间通过通信 网络传递各种信息来协调工作 ， 以完成控制系统的最优控制和管理 ；P L C系统在通信 能力及管理 能力上不如 D C S系统 。 3 P L C更专注于逻辑控制 ，逻辑运算能力优于 D C S的现场 控制器 ， 而且 P L C采用循环扫描机制 ， 循环周期在 1 0 m s 左 右， 而 D C S 控制站 的循环周期在 5 0 0 m s 左右。 两种控制系统各有优劣 ， 如果能将 P L C优秀的逻辑控制能力 融入到 D C S系统 中去 ， 一方面能减轻 D C S的工作负荷 ， 另一方面 又能将 两种控制方式的优点充 分发挥 。 1 腈纶纺 丝工艺原理 腈纶纺丝生产分为纺丝生产线和纺丝辅助系统。 纺丝生产线是将聚合原液装置制备的纺丝原液 丙烯腈、 醋酸 乙烯脂和甲基丙烯磺酸钠的三元共聚物的硫氰酸钠溶液 加工成具 有使用性能 的腈纶长丝束 ， 供成 品装置生产短纤维或毛条装置生产 毛条 ， 也可 以丝束形式出厂。 纺丝生产线工艺流程可分为 1 纺丝成 形； 2 溶剂牵伸； 3 水洗； 4 预热； 5 热牵伸和骤冷； 6 干燥致密 化； 7 气蒸定型； 8 二次牵伸； 9 调质 k i n ； 1 0 卷曲。 自动控 制系统 与装置 电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第6 期 Au t o m a t ic C on t r o l S y s t e ms ＆ E q u i p me n t s 纺丝辅助系统主要包括溶液循环 系统和定型机系统 。溶液循 环系统又有三部分组成 1 水洗系统 水 洗液 由水洗 供料泵 经节能 器和水洗 加热器 后 ， 分送至各线水洗机 ， 各线水洗水流量 由调节阀控制。 2 凝 固浴循环系统 来 自凝 固浴循环槽中的凝 固浴 液由凝 固 浴循环泵抽出， 经盐水冷却器冷却送至各纺丝机。 3 回收液系统 凝固浴循环槽中的溶液一部分循环使用， 多 余 的溶液 自溢 流管线 溢流到 回收液贮槽并经 过滤器过滤 ， 之后在 凝 固浴节能器中和水洗水交换能量并送至 回收装置。 定型机为一压力容器 ， 链板将丝束从人 口处运送到出 口处 ， 在 链板上方向丝束喷热水，使丝束温度升至容器温度。定型机内的 温度 由压力控制阀调节通入定型机的蒸汽量来 控制 。蒸 汽从容器 底部位于冷凝液下 面的两个喷嘴喷人 ； 在链板上方 ， 蒸汽 由五个沿 定 型机 长度方 向分布 的喷嘴直接 喷入 。丝束 在链板 上完成定 型 后 ， 进入含有脱盐水 的骤冷槽 中冷却 ， 防止丝束 在高温下被额外牵 伸而抵消定型效果 。 2 腈纶纺丝生产线 D CS和 P L C混合控制系统 设计 2 ． 1 总体设计 某石化公 司腈纶生产线采用 D C S 和 P L C混合控制系统 P L C 负责生产线逻辑控制和速度控制；D C S负责数据采集处理和监 控。 腈纶生产线控制系统总体设计如图 1 。 P L C优秀的逻辑控制能 力和稳定性可 以很好地完成腈纶 生产线 的控制任务 ，因此用 P L C 取代 D C S过程控制单元 ，既能提高逻辑控制性能，又可以减轻 D C S的工作量 ， 使 D C S更专注于数据采集处理和系统监控 。 2 ． 2 DC S监控系统 本 系统采 用 Ho n e y w e l l 公 司 的 T D C 3 0 0 0分 布式 控制 系统 。 T D C 3 0 0 0系统主要 由三种通信 网络组成 局域控制网络 L C N 、 通 用控制网络 U C N 和高速数据通路 H W 。 每种 网络上挂有不 同功 能的模块 ， 实现控制系统的分散控制、 集中管理。本系统采用其中 两种网络 1 局 域控制 网络 L C N L C N是 T D C 3 0 0 0 的主干 网， 它是短 程 高 速 通 信 链 ， 采 用 冗 余 结 构 ， 令 牌 存 取 通 信 控 制 方 式 符 合 I E E E 8 0 2 ． 4 标准， 传输速率为5 Mb i t ／ s ， 总线拓扑结构， 其功能就是 联接 一系列 内部模块 】 。 本系 统 L C N网络上的模块有 1 通用站 U S ， 是 T D C 3 0 0 0 的主要人机接 口， 完成系统 网络组态 、 监控画面 组态 、 报警显示 、 故障显示等功能； 2 历史模块 H M ， 是 T D C 3 0 0 0 的存储单元 ， 用来存储过程 报警 、 操 作员信息 、 连续过 程历 史数据 等 ， 是通用站 和过程管理站 的数据源模块 ； 3 应用模块 A M ， 是用 控制语言来完成 U C N网络上所连接 的模块不能实现的功能 ， 并可 提高过 程控 制及管 理水平 ； 4 网络接 口模 块 N 1 M ， 提供 了 U C N 与 L C N网络 的通信 指标 ， 实现协议 问的相 互转换 ； 5 计算机接 口 C G ， 提供上位机与 L C N网络相连接的接 口； 6 可编程控制器接 口 P L C G ， 它是 L C N网络与 P L C进行通信的接口模块。 通用站对生产过程 中的数据进行组态 ， 主要包括 1 腈纶生产 过程监控画面 ， 用于显示生产流程 ； 2 辅助系统数据监控 ， 对来 自辅 助系统现场仪表的数据进行组态和监控 ； 3 生产线状态监控 ， 查看 各台变频器和电机的工作情况； 4 趋势分析 ，自动绘制各台变频器 的频率趋势 图， 供操作人员分析生产状况 ； 5 数据归档 ， 对变频器频 率值和电机启停状态进行归档 ， 生成历史数据 ； 6 报警显示 ， 当变频 器发生故障时， 提示报警信息以通知操作人员处理。 2 通用控制网络 U C N U C N采用令牌总线通信方式， 传输速 率为 5 Mb i t ／ s ， 支持 3 2个冗余设备 ， 应用层采用 R S 5 1 1 标准。 U C N是 直接与过程相连接的数据采集和设备控制的通信通道。 过程管理站由过程管理模块和 I ／ O系统两部分组成。 过程管理 模块由通信处理器和调制解调器、 I ／ O链接口处理器、 控制处理器等 三部分组成 ；I ／ O系统 由一个冗余的 I ／ 0链和最多 4 0个 I ／ 0处理 器组成 】 。过程管理站可与现场仪表连接 ， 实时采集现场工艺数据， 如预热温度 、 水洗水流量 、 供纺压力等 ， 并将这些数据送到历史模块 存储 ， 与 P L C传送过来的数据一起构成腈纶生产过程的数据库。 2 ． 3 P LC逻辑控制系统 2 ． 3 ． 1 控制系统组成 LCN 局域控制网络 一 PL CG N J I M 可编程控 创 器接口 网络接 l ] 模块 M O D BU S 87 - 3 0 0 UCN J 通用拧制嘲络 『PR OF IBU S P A 0 1 l P PR0 F 俅 I线 ⋯ 舯 。 蛾 l过 茹站j过 程 站B U S I I⋯ ⋯ l⋯ ⋯ lv 商丽 嘶 0 0 0 I I I I } I I 雯 频器 变舅 器{1 l P A O 1 I I P A 0 1 I I I 【 备用 变 频 器 l E T 2 l l 0 。 1 ．I 变 姆 器 变 帮 器 I J 度 j J 力 J 量 J 值 j 位 J 度 E T 2 0 0 M j 、 I 、 I 检 检 j 检 检 I 检 l 检 ＼ 、 测 测 测 测 { 测 i 测 M l M t 去2 一 6 群 生 产线 图 1 腈纶纺丝生产线 DC S和 P L C混合控制系统 总体设计 ． 纺丝生产线是一个复杂 的工艺系统 ， 生产线的启 停和凋速都需要严格的逻辑控制。 本系统采用变频驱 动和 P R O F I B U S 现场总线控制技术， 可以满足逻辑控 制 的要求 。s 7 3 0 0 P L C是模块化 的中型 P L C ， 适合于 中等性 能的控制要求 。 用户可以根据系统的具体情况 选择合适的模块 ， 当系统规模扩大时 ， 可以增加模块 ， 对 P L C进行扩展。E T 2 0 0 M是多通道模块化的分布式 I ／ O ， 最多可以扩展 8 个模块 ， 由于本 系统的现场控制 点数较多 ， 因此选用 4个 E T 2 0 0 M作为 P R O HB U S从 站。变频器智能从站通过总线适配器 T D S P A O 1 接人 P R O F I B U S 总线， 与 P L C控制站通信， 变频器的运行 参数和 P L C的控制参数可以通过总线相互传递 ， 从 而使系统具有较高的智能化 和 自动化 。每条生产线 有 1 7台变频器 。 2 ． 3 ． 2 P R OF I B US网络 本系统 P L C逻辑控制部分采用 级 P R O b 、I B U S 网络 第一级是各生产线 P L C及其变频器 、 E I 2 0 0 M 组成的网络 ； 第二级是备用线 P L C与各生产线 P L C 、 电 气自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第6 期 自动控 制 系统 与装 置 Au t o ma t i c Co n t r ol S y s t e ms＆ E q u ipme n t s 备用变频器组成的网络 。 P R O F I B U S现场总线 的应用 ， 将提 高控制 系统 的开放性和可靠性 。 第一级 网络 中，P L C与变频器 的通信采用 P P O1 类型作为数 据传递的格式。 P P O1 格式分为四字 P K W参数区和双字 P Z D过程 数据 区， 两者均为连续的数据 区。在组态时 ， 为每个变频器 分配一 个总线从站地址 ， 并为 P K W 和 P Z D分配连续的逻辑起始地址。 主 站通过系统读模块 S F C 1 4 和系统写模块 S F C 1 5 完成与变频器 的数据交换 ， 数据交换方式 如图 2所示。 P L C 主站 I 变频器 从 站 图 2 P L C与变频器数据交换 第二级 网络中 ， 备用 P L C做主站 ，1 ～6 生产线 P L C和备用 变频器做从站 。1 ～ 6 生产线 P L C将各变频器 的设 定频率 、 各 电 机的启停状态等数据传送给备用 P L C ，以供 D C S采集。当需要投 入备用变频器时 ， 备用线 P L C将判断该变频器是否空闲 、 是 否有 故障， 并将这些信息传送给相应的 P L C， 再判断能否投入该备用变 频器 。 2 ． 4 P L C 与 DC S通信 D C S需要采集腈纶生产过程 的全 部数据并进行处理 ， 除 了直 接采集辅助系统现场仪表的数据之外， 还要采集生产线上的工作 数据 ， 这就需要通过与 P L C的通信来 实现 。 T D C 3 0 0 0 支持两种 串口 通信协 议 MO D B U S和 A l l e n B r a d l e y j 。 S 7 3 0 0 P L C本 身不支持这 两种协议 ， 通过安装 C P 3 4 1 通信 处理器便支持 R T U格式 的 MO D B U S协议 。 此 时 T D C 3 0 0 0 就 可 以通过 L C N网络 上 的 P L C接 口、 C P 3 4 1 通信 处理器 与s 7 3 0 0 P L C进行通 信 了。 T D C 3 0 0 0 作 M O D B U S主站 ， s 7 3 0 0 P L C作 M O D B U S从站 ， 本系统 M O D B U S 议 采 用 R T U报文传输模式。 s 7 3 0 0 与T D C 3 0 0 0 通信示意图如图3 所示。 主站 从站 厂 ] 一 M O D B U S 厂 ] 厂 ] I 通 用US 站 H 口 通 器 H 。 l 图 3 S 7 3 0 0与 T D C 3 0 0 0通信示意图 通过 MO D B U S通信 ，P L C将生 产线上各 台变频器 的运行频 率 、 电机的转速和启停状态 等数据传送给 D C S ， 进行状态监 控和数 据归档 ； D C S的工程 师站可 以设定 P I c系统 中各变频器的运行频 率。P L c和变频器安装在控制室 ， D C S安装在监控室 ， 由此该睛纶 厂形成 了“ 车 间一控制室一 监控室 ” 三级 管理 系统 。 2 ． 5 变 频器 备用 方式 研究 腈纶车问共有六条生产线 ，为保证变频器发生故障时能继续 生产 ， 设计了一条备用线。备用线采用 “ 一备多 ” 的方 法， 即备用线 每个工位的变频器为 l ～ 6 线相应工位的变频器备用 ， 例如备用 线的 F 1为 l ～ 6 线 F 1 备用 ， 依次类推 。 备 用线 P L C与 1 ～ 6 生产线 P L C之间通过 P R O F I B U S总线 进行通信 ，备用线 P L C做主站 ， 备用变频器和 1 ～ 6 生产线 P L C 做从站 。当某一变频器发生故障时 ，先判断该工位备用变频器是 否被占用 ， 如果未被 占用 ， 则选择该工位变频器 以备用方式运行 ， 此时电机将切换到备用变频器的控制下继续运行。这种备用方式 既保证 了系统的可靠性 ， 又使投资 比较 经济 。 3小结 本系统结合 D C S和 P L C两种控制系统 的优点 ， 构成 了效率更 高 的混合控制系统 ，提高 了生产线逻辑控制性 能和全厂的 自动化 管理水 平。随着 D C S和 P L C各 自的发展 ，两者的 区别正逐渐减 小 。D C S提高了 自己的逻辑控制能力 ， 其性能逐渐接近 P L C的水 平 ；而 P L C也逐渐与上位监控系统集成 ，提高了对系统的管理水 平 ，如西 门子公 司的新一代过程 控制 系统 P C S 7就是在其 s 7系列 P L C基础上提出的 。 随着 自动化技术 的发展 ， 工厂 的信息化管理 水平将 大大提高 。 参考文献 【 1 ] 王常力 ， 罗安． 分 布式控 制系统 D C S 设计与应用实例 【 M] ． 北京 电子 亡 业 出版社 ， 2 0 0 4 2 2～3 6 ． [ 2 ] 廖常初 s 7 ． 3 0 0 ／ 4 0 0 P I C应用技术 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 l～9． [ 3 ] 高敏 ， 夏安邦．对 P L C、 D C S、 F C S三大控制 系统特点和差异的探讨f J ] 应用能源技术 ， 2 0 0 8 ， 1 1 4 2～4 5 ． f 4】 刘奋 强． D C S与 P L C的区别和应用 [ J 1 ． 湖北 电力 ， 2 0 0 5 ， 2 9 1 2 7 4～ 7 4 ，1 0 8 ． [ 5 ] 张 岳 集 散控制 系统及现 场总线 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 5 2～8 0 ． [ 6 ] 吴波 ， 冯 地斌 ， 邱 文邦． F D C 3 0 0 0 系统 和三菱 P L C系统之间的通信[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 1 3 9～ 4 1 ． [ 7 】 丁 明华 ， 王建 明， 凌立 国．P C S 7 控制 系统在 甲烷氯 化物项 目中的冗余 应用 [ J 1 ．化工 自动化及仪表 ， 2 0 0 9， 3 6 3 8 7～8 9 f 作者简 介] 葛锁 良 1 9 6 4一 ， 男 ， 副教授 ， 研究方 向为现代控 制理论 、 P L C 和 I C S控制技术 ； 袁业剑 1 9 8 5一 ， 男， 硕士 ， 研究方向为现代控 制理 论 、 P I C控 制技 术 。 上接第 3 7页 允许额定负载额不同。其 中， 2个起升机构在未知 负载的前提 下做到位置同步是双起升系统的核心功能 。 由于负载的未知 ，系统必须在起 吊债载时计算出电机可运 行的最 大速度 ， 并 比较主副起 升允许运行的最大速度 值 ， 以较小速 度起升 为基准运行 ，这样才能保证 主副起升的同步运行 。对起升 同步控制流程图如下 圈 8所示 4结束语 小 舣 4 0英 尺桥 吊 采用 了 目前 最 先 进 的 西 门子 运 动 控 制 S i m o t i o n系统后 ． 稳定性更高 功能更加强大， 系统更标 准化 。在岸 桥t 已完全可替代 Ma s t e r D r i v e 开辟 出新的时代。 参考文 献 [ 1 】 田洪 ， d J 建 国． 可 吊双4 0 fi箱的岸边集 装箱起 重机 f J 】 ． 港 口装 卸 ， 2 0 0 5 2 1 3 f 2 ] S i e me n s ．S i m o c r a n e B a s i c T e e h n o l o g r f M] ．N a R NB E R G ，2 0 0 8 [ 3 ] S i e me n s ．S i n a mi e s S 1 2 0 c o m m i s s i o n i n g ma n u a l [ M] ． 2 0 0 6 [ 4 I S i e me n s ．S i n a mi c s S 1 2 0 f u n c t i o n ma n u a l f M1 ． 2 0 0 7 [ 作者 简介 ] 王 立俊 1 9 8 3一 ， 男， 上海人 ， 本科 学历 ， 电气工程师 ， 主要从 事桥 吊电控 系统调 试设计工作。 陈萍 1 9 6 8一 ， 女 ， 上海人 ， 本科 学 历 ， 电气工程师 ， 主要 从事西门子 自动化产品的技术支持 。