ABB PLC在石灰窑监控系统中的应用

摘要：本文介绍了ABB AC500 型PLC在石灰窑监控系统中的应用。PLC除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的机械设备的连锁自动控制。此外，工控组态软件iFIX作为一种标准的人机界面(HMI)被用于监控工业生产的动态过程。

关键词： PLC  石灰窑  过程监控  iFIX组态软件

　　Abstract: In this paper, we discuss the application of ABB AC500 PLC in the process

　　monitoring and control for limekiln production. The PLC is mainly utilized for collecting process data as well as realizing auto-controlling of field mechanism. In addition, iFIX configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process. 

　　Keywords: PLC; Limekiln; Process Monitoring and Control; iFIX configuration software

　　引言

　　    活性石灰是钢铁行业必不可少的材料，近几年我国的钢铁行业发展迅速，因此钢铁行业对活性石灰的需求相当的大，石灰品质的好坏直接影响着钢铁的质量，因此，采用先进的自动控制系统，对于提高炼铁炼钢的产量和质量，有十分重要的意义。

　　    当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。 

　　1。石灰窑监控系统概述

　　    石灰窑生产的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在竖窑的加料口加入石灰石和焦碳，经过煅烧成生石灰，输出到成品料仓。控制系统主要包括石灰石和焦碳运输系统、给料系统、称量系统、上料系统、布料煅烧系统、冷却空气循环系统、助燃空气循环系统、废气除尘循环系统、成品出窑、运输系统。并要求在主控室能打印报表，显示窑体相关温度，各分系统的运行状态，电动机的运行电流等。

　　    新建石灰窑工艺设计先进，自动化程度高，所有设备具备机旁手动、主控室手动、主控室自动三种控制模式，并具备设备故障诊断报警功能。 

　　    根据用户和工艺设计的要求，石灰窑生产的过程监控部分采用典型的两级监控方式：生产管理级和现场控制级。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面(Human-Machine Interface)，为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由ABB AC500系列PLC构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。

　　（1）生产管理级

　　    面向生产操作人员，在HMI的监控画面上显示各种设备的工况参数，并通过HMI来对生产过程进行控制调节。根据生产情况可选择机旁手动、主控室手动、主控室自动工作模式。当生产中出现异常时，在HMI上显示报警信息。对生产中的各种数据进行存储、管理、产生各种生产报表。

　　（2）现场控制级

　　    面向生产过程，由可编程控制器以及现场智能I/O处理器、各种模板构成，为基础测控级。完成生产现场大量压力、温度、流量的采集和处理，对生产过程进行控制。自动控制系统通过对由振动给料筛、料斗提升机、电子秤量斗、单斗提升机，拖板出料机、卸料闸板、振动给料机构成的竖窑筛选、加料、卸料系统的自动控制，实现原料的筛选、加料、卸料的自动化。在出料过程中为保证石灰竖窑的密闭型，必须确保上下卸料闸板只有一个同时处于开启状态。通过助燃空气压力、冷却空气压力的PID调节，达到恒压控制的要求。

　　根据以上的控制要求，下面我们将详述为满足石灰窑过程监控系统所需要的硬件和软件组态。

　　2。系统硬件配置

　　    为了满足上面提到的石灰窑过程监控系统的控制要求，我们采用ABB公司的AC500系列可编程控制器，AC500采用模块化设计。

　　（1）研华的工业控制计算机（IPC），操作系统为Windows 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ处理器，2.66GHz主频，256M内存，80G硬盘

　　（2）CPU模块：ABB公司的AC500系列可编程控制器CPU有PM571、PM581、PM591三个不同的等级，本系统采用PM581，在CPU上带有：LCD的显示、一组操作按键、一个SD卡的扩展口和两个集成的串行通讯口， CPU底板集成以太网接口，并保留CS31通讯接口，具有与AC31系列PLC兼容性好的特点。

　　（3）本地扩展模块：ABB 16通道AI523模拟量输入模块2个， 8输入/8输出通道AX522模拟量输入/输出模块1个， DX531开关量输入/输出模块（可设置）4个。

　　（4）分布式扩展：ABB DC551远程扩展模块1个，带CS31接口，并有8点24V DC开关量输入，16点24V DC可设置的输入/输出，DX531开关量输入/输出模块2个，DC523开关量输出模块1个。

　　（5）电源模块：ABB CP-S电源，输入AC85-264V/输出DC24V，10A、5A各1个，单独安装。

　　根据要求本系统的PLC硬件配置如图1所示：

图1  PLC的硬件配置图

    本系统的远程扩展采用CS31总线模块DC551-CS31，插在CS31总线底板上，通过RS485串口可以将模块连接到所有的CS31总线上。I/O通道的电气连接用CS31底板的40个接线端子实现的。可以实现不改变接线的情况下更换CS31总线模块。 其连接是通过端子1.0到1.7连接CS31总线。在CS31总线终端的CS31总线模块（需要激活终端电阻）接线如图2所示：

图2 在CS31总线终端的CS31总线模块接线

     在CS31总线中间的CS31总线模块（不需要激活终端电阻）接线如图3所示：

图3  在CS31总线中间的CS31总线模块接线

　　3．组态软件

　　在本系统中采用Intellution-iFIX组态软件，Intellution公司是专门从事监控软件工作的,现属GE公司, iFIX具有以下特点：

　　（1）图形功能很强，支持多种图形格式，其追加的图形库，内容丰富，解决了原来图形过大的问题。可同时使用256种颜色，其中有64种颜色可用彩虹色调色，组成各种调色方案，嵌入图形中不会因放大缩小而失真。

　　（2）iFIX提供多种数据类型，有很多现成的功能块；历史记录块、趋势块、计算块、PID块、计时块，这对于设备运行时间计算，数据转化等工作可以不必在画面中去做，同时iFIX还提供十多种信号发生器，在调试中帮助很大，实现非常方便。

　　 （3）网络功能强，iFIX只要物理上保持联结就可以自动寻找网络结点，不必人工设定，是第一个完全基于Client/Server HMI软件，具有C/S架构软件的所有功能，可以监视远程节点的所有数据点而不用增加任何的Tag可以在线增加、修改、删除远程节点中的数据库点，真正实现远程组态。

　　（4）通信功能好，iFIX是基于组件对象技术(COM、DCOM)，几乎针对工业应用的所有硬件都有接口，是专业从事监控软件的公司，更适用于现场，应用上稳定性好。

　　（5）管理方面，iFIX只要直接组态(设置)就可以不重新启动软件即可生效，其他软件有较为复杂的操作、设定，而且还要系统重新启动方起作用；iFIX采用的是控件组态方式，相对灵活一些，还提供了一个历史报警的记录阅读程序，这里同时包含着登录操作的记录；由于iFIX有内嵌的VBAiFIX还带有SQL语言，全面支持ADO，RDO，所以对于常用的办公软件如Office 以及一般的数据库软件如SQL Server、Access、Oracle、FoxPro等都能很好的访问和操作。

　　（6）加锁方法，iFIX采用硬件狗，避免由于操作系统(软件)自身的稳定性不好，使用软狗给人的一种恐慌。

　　在上位机上用iFIX软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：

　　（1）工艺流程图：如图4所示，在该画面中通过编程实现动态模拟显示整个石灰窑的现场上料和出料过程，并且在窑体上实时显示了各燃烧带的温度，以便于操作者能及时准确的掌握窑内的燃烧情况。能够对现场设备的故障进行实时诊断。
　　 

图4 石灰窑监控系统的工艺主画面

　　（2）系统操作功能：它有自动和手动两种工作方式，在故障和设备安装调试阶段一般用手动操作方式，正常运行时采用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制。

　　（3）报警记录：对于如煤气流量、压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时会自动弹出一个报警对话框，在该对话框中操作者可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。

　　（4） 实时曲线：在线监视所有重要参数的实时变化，以便提前采取维持正常参数的措施和手段。

　　（5）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。历史曲线：检查过去的数据记录，以便发生故障时，分析出故障原因。

　　（6） 报表打印：按不同的时间段实现统计与计量，以便于生产管理。

　　iFIX有多种驱动方式，本系统采用MBE驱动，很方便的进行连接、通讯。

　　4．PLC编程

　　    系统控制软件由主程序和多个子程序模块组成的，它是以ABB Codesys v2.3编程软件为开发环境，Codesys v2.3这套编程软件符合IEC61131-3的国际标准，可支持IL、LD、FBD、SFC、ST五种不同的编程语言。可完成AC500系统的全部设置，包括所有的总线接口，而且还有全面的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。另外还可在没有连接PLC硬件的情况下进行仿真，对用户程式进行调试，包括相关的手动功能。调试后的程式再下载到CPU 控制系统中使用。

图5  石灰窑自动配料、上料部分主流程图

　　    本文中采用的是梯形图方式编程。本系统的控制分主控室集中和机旁两种工作方式，在主控室的操作界面中，又分为手动和自动方式。整个控制程序是用ABB Codesys v2.3实现的，大致分为如下几部分：小车上料、配料、称重、布料、出灰、风量控制、电机电流、温度、压力、流量等模拟量的显示报警，其中配料称重和上料控制是本系统的控制难点，在编程中需要考虑的因素较多，并利用一些技巧，如称重时的偏差及偏差的修正，石灰石给料机的工备切换，石灰石给料、焦炭给料的连锁，给料量的设定、累计，上料与配料的连锁，各种故障及误操作的处理等，图5为配料、上料部分在自动工作方式下的主流程图。

　　    PLC的一个显著特点就是进行逻辑控制，可以把这种控制有效的应用在处理模拟量数据中，如模拟量数据的采集与变送。对于象温度、压力、流量等这样的模拟量输入输出参数必须实时在线采集和测量，检测部分由一次仪表构成，即测量温度的热电偶或热电阻，测量流量的孔板，测量压力的电动差压变送器或压力变送器等。信号处理部分包括变送器、转换器、变换器等，作用是将传感器的输出信号进行放大、线性化、转换等处理后，变换成标准信号输出给PLC，通过PLC程序的运行，转换为界面可显示的、并与实际值相符的各类值。在本文中经过变送器转换的信号为4－20mA的标准的电流信号输出。

　　5. 通讯方式

　　    ABB PM581 CPU上除了集成的两个Modbus通讯接口和可选集成的以太网或ARCNET网络接口外，还可最多扩展4个通讯接口：ProfibusDP-V1 、DeviceNet、CANopen和以太网等总线接口。两个串行接口，用于编程、ASCII通讯、Modbus通讯，或CS31通讯（只能用于主站）。

　　    CS31现场总线从1989年研发至今，一直起着承先启后的作用。通过这个总线，把前后多套系统有机的联系在了一起。CS31总线便于设置和通讯简单，总线的连接只需通过三个接线端子来实现，省去其它总线所需的额外连接成本。AC500控制系统的COM1口集成了CS31主站功能。CS31总线是一种点对多点的RS485串行通讯。每个通讯系统由一个主站和最大31个从站组成。通讯距离不加中继为500米，加中继最大可达到2000米。总线带有自诊断功能。通讯介质为: 屏蔽双绞线。

　　可通过以太网和ARCNET 网进行编程，还可通过DDE和OPC方式和外部进行数据交换。。工业以太网（Industrial Ethernet）是一个用于工厂管理和单元层的通讯系统，被设计为对时间要求不严格用于传输大量数据的通讯系统，可以通过网关设备来连接远程网络。本系统通过以太网与上位机连接，进行编程、界面操作和现实。

　　6. 结论

　　    本文讨论了基于ABB AC500型PLC的石灰窑过程监控系统的设计与实现。本控制系统是由潍坊中兴电气自动化公司设计制作，已在潍钢生产线上得到实际使用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。 这种方法对其它生产线或设备的控制有一定的参考作用。

　　    本控制系统功能全面，操作简单实用，提高了劳动生产率，避免了由于操作人员操作失误而造成的事故，改善了现场操作人员的劳动条件，对提高活性石灰生产的管理水平，保证设备安全稳定运行起到了很好的促进作用。

　　参考文献：

　　1.ABB 公司. Codesys v2.3 编程手册，2006.

　　2.GE 公司.Intellution iFIX 使用手册，2005.

　　3. John Enck & Mel Beckman局域及广域互联网络设计基础 电子工业出版社。

　　4.汤子瀛,哲凤屏,汤小丹等 .计算机网络技术及其应用成都 电子科技大学出版社。

　　5.郑晟，巩建平，张学.现代可编程序控制器原理与应用 科学出版社

　　作者简介：安宏伟，潍坊学院 信息与控制工程学院，副教授

　　王  杰，潍坊中兴电气自动化公司，工程师

　　鲍华亮  潍坊中兴电气自动化公司，工程师

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