基于PLC及组态软件的气力输送监控系统的设计

廖晓军

摘 要：随着气力输送系统的应用日渐广泛，与之配套的控制系统的设计合理性越显重要，根据对200多个项目方案的研究、总结，归纳出了工艺系统对控制系统的要求，以及硬件、软件系统设计与具体选型的原则与方法，从而据此设计出较合适的气力输送系统的控制系统。

关键词：可编程序控制器（PLC）；组态软件；数据采集与监视控制系统（SCADA）

1 引言

气力输送装置是在管道内利用气体作为承载介质，将物料从一处（或几处）输送到另一处（或几处）的设备，因其具有输送效率较高、占地少、成本较低、无污染及易于对整个系统实现集中自动控制等特点，广泛应用于港口装卸、石化、建材、机械生产中的原料输送、电力、冶金的工艺物料输送和废弃物回收等领域，其应用前景极为广阔。

上世纪80年代以来随着技术的发展，PLC的数据采集处理能力、运算能力、人机接口及网络通信能力得到大幅度增强，PLC与DCS逐渐融合与互连（亦得益于DCS的开放性发展），PLC不断渗透并蚕食DCS的某些应用领域。由于PLC具有通用性强、可靠性高、易于使用、性价比高等特点，使它在工业控制机系统市场中继续保持上升的势头。

工业监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。由于组态软件具有开发时间短，效率高，可靠性高以及开放性、可扩展性、一致性、易维护性等特点，得到了广泛的应用。

由于气力输送系统具有系统规模（组成）多变性、辅助设备多样性、分散性等特点以及PLC和工业监控组态软件具有的优异特性，气力输送监控系统大多采用上位机（PC）+PLC的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）模式。本文介绍了正压气力输送系统的基本工艺及其对监控系统的要求和监控系统的选型设计。

2 工艺简介

一套典型的正压气力输送系统由四部分工艺部分及控制装置组成，分别是提供输送气体的动力装置（气源）、将物料与输送气体混合并喂入管道的装置、输送管道和弯头、气固分离装置和控制装置。其中提供输送气体的动力装置有空压机、罗茨风机等；将物料与输送气体混合并喂入管道的装置有仓泵、螺旋泵、给料机等等；气固分离装置则是装于料仓上的布袋除尘器之类的设备。此外，还有气化风系统、卸料设备等辅助系统和设备。

3 气力输送系统对监控系统的要求

气力输送系统的设备主要有阀门、空压机、干燥机、风机、加热器、料仓设备等。

在电力系统有时亦将除尘器、除渣、石灰石等周遍设备和系统纳入气力输送监控系统组成灰网。

系统的检测仪表主要有：压力、物位、温度、到位等开关；压力、温度、电压、电流、连续料位计等变送器；称重、温度等传感器。

3.1 控制系统信号类型及对象

3.1.1 开关量输入（DI）：压力、物位、温度、到位、联锁等开关。

3.1.2 开关量输出（DO）：电磁阀、电动执行器、变频器、接触器、故障输出等。

3.1.3 模拟量输入（AI）：压力、温度、料位、重量、电机转速、阀门开度、电压、电流等。

3.1.4 模拟量输出（AO）：电机转速、阀门开度等。

3.1.5 温度传感器输入（RTD）：温度。

3.2 监控系统基本要求

3.2.1 对整个工艺系统进行集中监视、管理、调节控制和自动顺序控制以及报警。

3.2.2 按照P&ID设计监控画面，被监控的信号能打印记录。

3.2.3 系统设计时应考虑具备软、硬件结构模块化组态及修改的能力，并具有可扩展其功能的可能性。

3.2.4 料仓距离较远时，应设置远程站控制料仓处的设备。

3.2.5 应根据系统组成及与其它系统连接的需要考虑网络的类型与数量。

3.2.6 具有自动、软手操、就地三种方式。

4 硬件设计

4.1 总体设计

气力输送监控系统典型的组成如附图1。具体到每个项目应根据系统的规模、控制功能的要求、扩展性及网络互连的要求等来选取或增加系统的组成。

4.2 上位机的设计选型

4.2.1 任务

上位机系统需要完成的任务主要有：a） IO数据采集、控制，b）监控画面的显示，包括显示工艺流程及测量参数、控制方式、顺序运行状态、控制对象状态，能进行参数的成组显示、趋势显示和棒状图显示及报警信息的显示等，c）报警、登录、历史数据记录及WEB等服务，d） 程序开发、系统诊断、系统组态、数据库和画面修改等功能，e）报表打印，f）与其它系统互连等。

4.2.2 配置

◆处理器（CPU）：若是商用机其主频按当前主流配置，而工控机则主频低一档配置。要求较高的系统（或服务器配置）则每台上位机可能需要配置双处理器，甚至更多处理器。

◆内存：其容量应按系统的规模、所配软件及其它要求确定（如配置了SIEMENS WINCC或PCS7软件对内存容量要求1G）。

◆显存：一般选用共享式即可。如果系统较大且画面较复杂（如显示三维画面）则最好配置较大容量的独立显存并配置独立显卡。

◆硬盘：一般选用单个常规硬盘即可。要求较高的系统（或服务器配置）则可能还需配置双硬盘（甚至更多）的磁盘阵列。另外有些服务器（或pc）为获得高传输率和高可靠性还要求采用SCSI硬盘。

◆网卡：根据网络配置要求配置以太网卡或PROFIBUS-DP、ControlNet、MODBUS（485）等现场总线适配卡，如果是双网冗余系统还应配置双网卡或双口网络适配卡。

◆主板：根据上述配置选择支持所要求的性能和功能的主板，此外还应考虑将来可能需要扩展插板（PCI或ISA卡）的插槽数，一般不考虑升级配置的问题。

◆光驱、软驱、键盘、鼠标及其它（包括UPS、打印机等周遍设备）：根据实际要求选配。

4.3 PLC（下位机）的设计选型

每个PLC厂家都有一个或几个系列的产品，其结构型式、运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能、容量（IO和存储器）、指令系统、处理速度、价格等各有自己的特点，适用场合各有侧重。因此，合理选择PLC，对提高PLC系统的技术经济指标起重要的作用。

PLC机型的选择

4.3.1 PLC容量

PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。

（1）I/O点数的估算：根据被控对象的IO信号分类汇总后的总点数，加上10～20%的备用量。需根据制造厂商PLC的产品特点，对输人输出点数进行圆整。

（2）用户存储器容量的估算：用户应用程序占用多少内存与许多因素（如IO点数、控制要求、运算处理量、程序结构等）有关。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，在实际项目中可根据经验为每个产品调整估算公式。

此外，对于中大型PLC还应考虑装载存储器容量，装载存储器保存用户程序、标签数据（符号表）、组态信息等数据，一般容量按用户程序容量的两倍考虑。

4.3.2 开关量输入输出模块

开关量输入模块是用来检测压力开关、物位开关、温度开关、到位开关等信号，其工作电压应根据信号的远近来选择不同电压规格的模块，气力输送控制系统以直流24V的模块最为普遍。考虑抗冲击能力和更换维护方便一般采用晶体管外接中间继电器的输出方式。

4.3.3 模拟量输入输出模块

模拟量输入输出模块有接口量程、信号形式、通道数、分辨率的差别，还有是否隔离、是否带诊断功能等不同规格，应根据所接设备信号规格和其它要求加以选择。

4.3.4 通信模块

一般PLC的处理器（CPU）模块已集成数量不等、类型不同的通讯口，但许多时候不能满足网络连接的需要，这时就要根据网络连接的要求扩展一定数量和类型的通讯适配模块，如，以太网模块及PROFIBUS、ControlNet、DeviceNet等通讯适配模块。

4.3.5 冗余配置

在需要高可靠性的时候，PLC系统的重要部件如CPU、电源、通讯模块、网络、机架等可选择1：1冗余配置。气力输送监控系统大多采用双电源、双CPU、双网络的热备冗余系统。

4.4 网络设计

气力输送监控系统采用多层结构，最上层是由以太网（TCP/IP）构成的监控层，并与其它系统（如DCS、MIS等）连接。第二层是控制层（如PROFIBUS /MODBUS/CONTROLNET）。第三层是设备层（如FF/DEVICENET也可以直接是控制电缆连接）。根据具体的情况可选取三层结构中的某层或某几层。

由于气力输送系统设备较分散，所以一般采用分布式控制网络结构，大量采用现场总线进行分布式控制。现场总线距离较远时还应配置中继器。无论以太网还是现场总线超过一定距离时需要采用光纤连接，配置光纤适配器。在要求高可靠性时，应采用双网冗余配置。在气力输送监控系统采用PROFIBUS和CONTROLNET较普遍。

5 软件设计

监控系统的软件包含二部分：PLC软件和上位机软件。

5.1 PLC软件

在PLC应用程序中，包含系统所监控的所有设备的控制程序，而其中仓泵的控制是气力输送系统控制的核心，每台仓泵都是一个独立体，既可单机运行，也能多台组成系统运行。每输送一泵物料即为一个工作循环，每个循环分四个阶段：1、进料阶段；2、加压流化阶段；3、输送阶段；4、吹扫阶段。其工作流程图见附图3。

5.2 上位机软件

上位机根据系统需要完成的各种任务配置各类软件，主要有下列几类

5.2.1 操作系统及辅助软件

这部分软件配置和普通PC没有什么差别，主要有操作系统（含服务器版）、文字及数据处理软件、杀毒软件等。对于数据量大、要求较高的系统还需配置SQL Server或ORACLE等数据库软件，对实时性要求高时还应配置InSQL Server或iHirstorian等实时数据库。

5.2.2 编程软件

编程软件（环境）主要功能为：建立和管理项目、对硬件和通讯作组态和参数赋值、管理符号、创建程序、下载/上载程序到控制器/PC、测试系统、诊断设备故障等。

厂家提供的编程软件中一般包括一种或几种编程语言，如Modicon公司的Modsoft编程软件只使用梯形图（984 梯形）一种编程语言，而另一个Concept编程软件可以使用5种编程语言。同一编程软件下的编程语言大多数可以互换，一般选择自己比较熟悉的编程语言。

各PLC厂家的编程软件的风格、界面、应用平台、灵活性、适应性都有差异，许多厂家编程软件（环境）都有标准版、专业版等版本或外带不同功能的选件包来达到不同功能需要，在具体项目中应根据系统的组成和功能选用不同版本或外带不同功能的选件包。

5.2.3 监控组态软件

SCADA有很多任务组成，每个任务完成特定的功能。

监控组态软件的厂家众多，大多都可采用分布式C/S结构和冗余配置，支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、DNA等标准，并具有图形开发、过程报警、历史存储、脚本语言（VBA、类BASIC、类C）、IO驱动、软PLC等功能。在气力输送监控系统中常用的几种组态软件有：InTouch；iFix；WinCC；RSView32；组态王。

6 结束语

一套气力输送系统监控系统的设计、选型，应根据工艺系统的组成、设备布置、操作要求等方面的情况，从系统规模、控制功能的要求、网络互连及可靠性、扩展性、性价比等方面确定监控系统的配置。

参考文献

[1]陈宏勋.管道网络输送与工程应用.化学工业出版社，2003年10月。

[2]陈在平、赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2003年1月。

[3]朱辰.现地控制单元在水电厂自动化中的应用和发展趋势.CONTROL ENGINEERING china，2006.6。

[4]白新庄.水工业PLC的选型探讨.www.ca800.com/updata/apply。

[5]作者不祥. 组态软件的发展和趋势（转载） 自动化网论坛 - powered by phpwind_net.htm，bbs.zidonghua.com.cn。

[6]作者不祥.[转帖]SCADA（监控组态软件）简介，bbs.zidonghua.com.cn。

[7]RSView32简介.AB公司。

[8]InTouch9.0数据手册. Wonderware公司。