油脂生产领域中工业计算机控制系统的应用

徐 毅

(西北政法大学 商学院,西安710100)

应用技术

油脂生产领域中工业计算机控制系统的应用

徐 毅

(西北政法大学 商学院,西安710100)

根据油脂加工工艺要求，选取了基于WinCC V6.2的上位机和S7-300系列PLC控制器构成的工业计算机控制系统进行结构设计分析和功能模拟。针对该控制系统在过程控制、实时监测、数据记录和查询功能进行了验证。结果表明：采用工业计算机控制系统大大提高了油脂生产过程中的自动化水平，实现了油脂生产过程的集成化和柔性化，对于保障油脂产品品质和工业生产安全意义重大。

油脂生产；工业计算机；自动控制；PLC

Abstract：According to the requirements of oil processing technology,the structural design analysis and functional simulation of industrial computer control system were conducted based on WinCC V6.2 PC and S7-300 series PLC controller.The process control,real-time monitoring,data record and query function of the control system were verified.The results showed that the industrial computer control system greatly improved the automation level of the oil production process,and realized the integration and flexibility in oil production process,which had great significance in ensuring the oil product quality and industrial production security.

Keywords：oil production; industrial computer; automatic control; PLC

近年来，油脂市场需求不断扩大，油脂产品竞争日益激烈，技术也在不断的发展，传统以单一自动控制的技术手段已经不能满足大型油脂加工工厂的技术要求。当前，基于大中型集散计算机控制系统(DCS)结合可编程控制器(PLC)的工业计算机控制系统在电力、石油、化工等领域获得了广泛推广和应用[1]。但油脂行业的生产管理依然还是以PLC控制系统为主[2]。采用工业计算机控制系统将分散的控制室集成到一个主控台上进行管理操作，实现了油脂生产过程的集成化和柔性化，在提高产品质量，降低能源消耗的同时，改善了生产者的工作环节和劳动强度，对于保障油脂工业安全生产的意义重大[3]。因而，基于自动控制技术的工业计算机成为各油脂加工厂提高市场竞争力、降本增效的重要手段，并成为衡量现代化油脂企业的一个标志。

1 油脂生产工艺流程

现代油脂制取工艺一般包括:对油料除杂、去皮、破碎、分离、烘干等预处理，为油脂的制取提供满足出油率要求的料坯；利用压榨技术(一次压榨法、二次压榨法、预榨浸出法、冷榨法)得到毛油；对毛油进一步精炼加工，得到符合质量标准的成品油。

该制备过程中，若采用传统的人工控制，或者基于单一局部的控制技术很难满足现代化油脂大规模生产需求，如在油脂生产尾气压力、浸出器存料箱料位、毛油液位等关键点调节中[4]，利用操作经验或单循环回路控制技术很难达到工艺要求。而通过组态软件设置PID智能自控模式，利用PLC主控器对关键点的全自动控制，能大大提高传统单回路控制的关联性和可靠性。

2 工业计算机控制系统结构分析

工业计算机控制系统即利用工业控制软件和上位机组态软件，结合系统设计人员工业控制经验、系统软件水平和现场操作人员实际工作经验来达到油脂生产的自动化管理和控制效果。整个油脂制取工业计算机控制系统由上位机监控系统和下位机控制系统组成(见图1)，通过上位机接口向设备发出指令，利用PLC进行系统数据信息和指令的采集和控制，在人机交互界面上动态显示系统运行状态信息。

图1 油脂生产自控系统总体结构框图

2.1 上位机监控系统

油脂制取自控系统中，上位机监控系统是用户和计算机间的交互点。监控人员通过交互性的人机界面实现对整个生产现场的实时监视，一旦出现异常，系统发出故障报警，满足操作人员对系统的控制。同时，操作人员通过上位机监控系统与PLC、系统设备进行信息交流，向PLC、控制设备发出指令，PLC也可利用通信模块将设备运行数据信息反馈给上位机，从而满足监视人员对现场工况的实时了解和数据查询、归档。

图2为采用西门子的WinCC V6.2组态和编程软件STEP7构建的上位机监控系统结构和功能框架图。

图2 上位机监控系统框架图

上位机监控系统组态软件各不相同，目前应用较多的有各类界面编程软件、WinCC、组态王。从图2可以看出，WinCC组态软件提供了各类变量管理器、图像处理器、报表编辑器、交叉引用表、文本库等满足工业控制中的界面显示、数据归档、报表管理控制等功能。其中包括油料预处理、压榨、浸出、油脂精炼、碱炼、脱色、脱酸脱臭、脱脂等工段的实时监控和报警，历史数据的查询，系统报警记录，相关温度、压力、高低液位的PID调节和设定，电机频率设定及启停操作。此外，系统还设置了系统登录、退出、运行，系统总报警，系统时间等指示视窗。

2.2 PLC控制器

油脂生产工艺现场环境较为恶劣，存在较大干扰信号，为保证控制系统的可靠性和安全稳定性，采用PLC作为整个油脂生产流程的核心控制部件。PLC执行压力、温度、液位、流量等仪器设备现场信号的采集，阀门的启闭，各电机设备启停操作。现场采集的模拟/数字信号通过内置通信模块实现与PLC的数据交互，满足对油脂生产的自动化控制。图3为采取循环扫描工作方式的PLC流程图，一次循环扫描将实现对输入/输出信号的采集和刷新。

图3 PLC循环扫描过程流程图

2.3 PLC与上位机通信系统

PLC与上位机以及PLC与执行机构、测试仪表等的数据传输是保证信息传输和指令下达的关键。油脂生产中常见的通信方式有串行通信、现场总线、多主站通信、工业以太网等几种类别[5]，本文针对SIMATIC NET CP343-1通讯卡进行功能分析。

采用自备处理器的SIMATIC NET CP343-1通讯卡,能有效缓解中央处理器的通讯任务[6]。CP343配备的RJ45接口能够连接工业以太网，能同时独立处理工业以太网上发生的数据拥堵情况，从而保证油脂生产过程中庞大的数据采集量和下达指令能得到及时响应，满足远距离、多用户的访问连接。集成S5在通讯方面的兼容器，在不需要编程器的条件下进行现场调试，满足了油脂生产过程中复杂环境下设备维护更新的灵活性。

2.4 PLC的I/O资源配置

PLC的I/O配置要满足现场传感器、一次仪表和现场控制设备相连接，便于数据信息的传输。根据油脂生产工艺特征和现场工况，现场信号包括对罐体液位、温度、压力检测信号，电机、油泵启停信号，电磁阀、流量阀、蒸汽阀的开度调节信号，蒸汽流量、温度调节信号，变频器频率调节等，因此整个系统应设置多路数字量输入/输出信号和模拟量输入/输出信号。表1为不同模块下部分输入/输出点的通信地址分配。

2.5 现场设备和仪表

现场采集设备和仪器主要是针对油料预处理、压榨浸出、精炼等操作过程的温度、压力、料位和流量进行数据采集和控制，采集现场温度、压力、料位等模拟信号或数字信号，如压力变送器、温度变送器、速度变送器、雷达式料位器。系统的执行机构和电子元件，包括各类气动、电动调节阀门，蝶阀、变频器等，通过布置在设备上的仪器来采集变化的信号。

3 系统的功能模拟

油脂生产中工业计算机控制系统控制对象包括了现场各类电机设备启停，各类阀门启闭；各储存罐液位控制等。交互界面上显示对象包括各储存罐、管道、阀门的温度、压力、流量等元素。通过界面监控各阀门开关、储存罐参数的变化，并调取变量的历史曲线等。交互系统画面组成包括主操作界面、监控界面、系统报警界面、数据浏览界面等。操作人员通过鼠标和键盘执行各项操作任务，并在不同画面之间进行切换，监控各运行程序的具体情况。

组态软件通过现场I/O设备获得各系统的实时数据，对数据进行加工后以图像形式在显示终端显示，另外，根据操作指令和组态要求将输入指令传输到对应的I/O设备，控制执行机构改变运行参数或运行方式。对需要存储的数据写入到历史数据库中，当接收到历史数据的查询指令时，将从数据库中调取数据在终端显示。当设备运行触动报警值时，系统以图像、声音的方式反馈给操作员，同时存取报警信息，以备缺陷的反馈追踪。

3.1 运行状态的实时监测及显示

利用控制系统对设备实时运行状况进行监控，对脱溶机、提升机、负压尾部风机等重要设备进行状态监测，一旦出现异常状况，传感器接收故障信号并通过控制器进行处理，系统人机界面发出声光报警，控制系统自动改变运行方式或运行参数调整来避免故障的扩大，与此同时，通知现场人员迅速采取措施进行调整。

油料预处理阶段，通过工业计算机控制系统来实时监控油料储存仓。利用安装在料仓底部的料位传感器保证油料的正常供应，确保油料的正常损耗率以及最大限度避免由于空仓而造成的效率降低问题。同时，监控设备上的显示屏显示各电机、泵、阀门的运行工况，便于操作员针对工况做出预判，避免可能存在的故障发生。

3.2 运行参数的调整

通过PLC主控制器设定温度控制范围，对参数报警值和报警记录设定；对系统压力、真空度控制值和变化曲线设定，对参数变化范围和报警值进行设定；对系统流量值进行设定并监控等。

油脂制取过程中浸出器内部需维持一定的负压避免溶剂挥发而出现事故，要求浸出器存料箱和落料斗料位维持一定高度；为满足工艺要求，提高脱溶效果，要求蒸脱机料层稳定在一定高度范围；为保证第二蒸发器的温度值，避免温度过高或过低而造成的翻罐或不利于混合油蒸发的问题。利用工业计算机控制系统控制浸出器负压、蒸脱机料位、蒸发器温度，有效解决了人工控制存在的误差，满足了工艺要求。通过布置在设备上的测量容器负压、料位、蒸发温度，经过信号处理传输到控制器，控制器根据预先设定的参数对信号进行比较分析后，向电气执行元件发出指令调整运行方式，保证运行参数在设定范围内。

3.3 历史数据的查询

系统实时显示和记录现场监测数据，并提供设定时段的数据报表打印功能。各设备的瞬时负荷值、设备故障时间、报警响应、故障参数的时间报表，生产过程的压力、流量、蒸发量等状况报表，结合人机交互界面提供选定参数的历史曲线，生产打印报表[6]。系统数据库存入各类参数信息，以便后续统计分析。

工业计算机系统能够实时反映设备和工艺的运行数据，并及时将数据信息自动保存。一旦发生故障，操作员可通过应用界面调取相应时间点的参数信息，对故障进行分析和调整，保证安全生产需求和工艺品质标准。因此，相较于传统的人工摘录记事本的文本记录方式，采用计算机自动控制系统提供的数据记录和故障分析工具，提高了实时监测效率，且避免了人工记录和时间的制约。

3.4 传动装置的启停控制

根据油脂制取工艺，在组态软件的支持下，通过交互界面实现对设备的启停控制，并对设备过流、过载、空载、故障停车控制处理，结合设定的逻辑控制单元和报警设置对生产过程进行全面跟踪监控，满足工艺需求。

在浸出工艺中，负压蒸发中的尾气风机对真空度的要求非常高，尾气风机转速过高，则容易带出溶剂，转速过慢，则真空度下降，压力可能转为正值，影响安全生产。采用人工控制难度较大，而通过工业计算机控制则能很好解决。利用安装在尾气风机上的压力变送器获得相应的真空度信号和压力值，控制器对接收到的信号对比分析，向变频器发出指令，改变风机的转速，保证尾气风机压力和真空度保持在微小负压范围。

4 结束语

随着生产力的发展，科学技术的进步，油脂加工行业所面临的市场竞争也愈发激烈，具备先进的加工工艺、优良的设备配给，卓越的自控系统将是油脂加工企业实现大吨位高度集成生产链的追求目标，基于PLC可编程控制器结合大中型集散计算机控制系统(DCS)的工业计算机控制系统，对油脂生产加工全过程进行工艺监控和信息管理，符合现代化油脂加工厂家的自动化控制理念，也是提高油脂生产品质的必然趋势。

[1] 王德慧，崔志强，李宝昌.油厂计算机控制系统工程应用概述[J].中国油脂，2005，30(4):12-14.

[2] 袁保龙，张本东，马继征.工业计算机控制系统在油脂生产领域中的应用[J].中国油脂，2007，32(7):17-19.

[3] PAN H X,GUO Y Q.Automatic control of deep-hole chrome-plated system basing on WinCC[R].Korea: IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2009: 954-959.

[4] 黄伟军,刘传洋,钟嘉霖.新型油脂生产控制系统的研制[J].江苏电器,2007(6):19-21.

[5] 许浮萍,闫子鹏,何东平.油脂工厂安全生产[M].北京：中国轻工业出版社,2009： 19-24.

[6] CALDERON M,CALDERON A J,RAMIRO A,et al.Automatic management of energyflows of a stand-alone renewable energy supply with hydrogen support[J].Int J Hydr Energy,2010,35(6):2226-2235.

Applicationofindustrialcomputercontrolsysteminfieldofoilproduction

XU Yi

(Business School,Northwest University,Xi’an 710100,China)

TS22;TP27

B

1003-7969(2017)09-0157-04

2017-01-22

徐 毅(1978),男,讲师,硕士,研究方向为信息安全专家系统(E-mail)Xuyilv@163.com。