水泥磨粉DCS控制系统包装系统项目设计方案.doc

水泥磨粉DCS控制系统包装系统项目设计方案1.1 水泥包装国内外发展概况水泥是国民经济建设的重要原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代它的地位。随着我国经济高速发展，水泥在国民经济中的作用越来越大。经过几年的快速增长，2005年我国水泥产量达9.7亿吨，占世界水泥产量的42.73%。在高速发展的同时，我国水泥行业的供求矛盾不断加剧。2005年国内水泥市场需求不到10.5亿吨，而水泥生产能力已达13亿吨，产能过剩2.5亿吨。特别是落后生产能力比重仍占60%左右。 作为国民经济的重要基础产业，水泥工业已经成为国民经济社会发展水平和综合实力的重要标志。改革开放以来，国内经济建设规模不断扩大，推动国内水泥行业快速发展。据统计，1978年我国水泥产量为6524万吨，2005年的水泥产量达到10.60亿吨，我国水泥年产量净增9.95亿吨。自1985年起我国水泥产量已连续21年位居世界第一位，现如今已占世界水泥总产量的48%左右。水泥产量的迅速增长，从数量上已经基本满足我国大规模经济建设的需要。包装系统是水泥生产工艺线上的最后一个重要环节。现阶段的水泥包装可分为水泥散装和水泥袋装，我国散装水泥经过30多年发展，有了一定进展，但与世界发达国家相比较，不仅散装量上存在很大差距，且发展速度也相对迟缓。发展散装水泥具有节约资源，保护环境，促进水泥工业结构调整，提高水泥使用效率，改善劳动条件等方面的综合经济效益。大力发展散装水泥是我国水泥工业实施可持续发展的重要对策之一。散装水泥在我国虽然起步较晚，但属于一项新的工业，是随着人类社会进步，资源、能源、环境的要求和工作效率的提高而产生的一种新的生产方式，尤其是环境问题日益成为当今人类极为关注的敏感问题，更是全球的热门话题。世界上发达国家经过20多年的努力，到上世纪的60年代末完成了水泥的从袋装到散装的改革，实现了水泥散装，散装水泥占水泥总产量的比例(散装率)一般达到并维持在90%以上。美国、日本、法国等散装率更高且大于95%，按目前国际散装率来看，超过70%是国际水平，90%以上是国际先进水平。我国水泥在包装上主要采用落后的纸袋包装，水泥散装率仅在20%左右，与国际水平比较相差甚远。袋装水泥的纸袋全部用木材制成，不仅需要采伐大量的树木，耗费宝贵的森林资源，而且在制袋过程中消耗大量的淡水，产生大量的造纸污水。另外纸袋破损，每年有近600万吨的水泥排放到大气中，既浪费资源又污染环境。散装水泥无论是储存、运输、使用、质量保证等方面，还是在减轻工人劳动强度、提高水泥使用效率、环保等方面都体现了强大的生命力。总而言之，发展散装水泥，实现散装化，是我国现代化建设、经济发展、水泥工业可持续发展的既定目标之一1。由于技术装备落后，综合设施配套能力低，国内的散装水泥的发展还有一定的欠缺，袋装仍然占有很大的比例，并且对水泥包装进行计算机控制的厂家为数甚少，大多数生产的水泥包装微机控制系统与机械部分常常是集中于一体的模式，尤其是袋装部分甚至很多水泥厂还是进行人工包装，这样不仅费时又费力而且对人体的伤害非常大，即使是使用微机控制的水泥包装机，其所处的环境太恶劣，一台新安装的包装机，工作不到两个小时，整个包装机，电控部分，都是灰尘满面，时间一长，该机的灵敏度、计量精度就有所下降故障率就会增高，尤其电脑称的电子元件，粉尘对它的威胁是最大的，大多水泥厂使用的电脑包装机，电脑都安装在包装机上，受震动灰尘的影响，故障频繁，有时还需要天天修理微机，计量还不准确，袋重不稳，造成损失很大，这一直都是我国目前水泥行业的一个大问题。一般水泥厂对包装机系统的要求是：能适应恶劣环境，运行稳定，故障率少，计量准确，抗干扰能力强，有数据管理功能，易于为维修，同时具有良好的经济性能。因此，将计算机控制系统运用到水泥包装上，对水泥包装机进行远程监控，提高水泥包装自动化水平，一方面可使水泥使用质量和效率提高，另一方面也能使水泥对环境的污染大大减少，也为我国的散装水泥的发展奠定基础2。1.2 水泥生产的自动化控制概况目前，在新型干法水泥生产线中常用的控制手段有：可编程逻辑控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)。 可编程控制器PLC 可编程控制器PLC是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。早期的可编程控制器称可编程逻辑控制器(programmable logic controller), 简称PLC，用它来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，可编程控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以目前人们都把这种装置称作可编程控制器，简称PC3。PLC具有以下特点: PLC最初就是为了进行逻辑控制而设计，因此在逻辑控制方面拥有计算机无法比拟的优势。 PLC在控制装置一级实现三电一体化，配置灵活，结构紧凑。 PLC在硬件上采取了一系列抗干扰措施，在软件上采用了故障诊断技术及在系统一级的冗余配置工作方式采用周期循环扫描，对输入输出集中进行，因而具有很高可靠性。 PLC仅在关键部位选用冗余结构，在价格上大大低于DCS系统，性能价格比高。但是由于PLC功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，一般只用一个PLC站进行控制，很少有通过联网或其它途径对相关的设备进行控制3。 综上所述，PLC控制的优势主要是适合于现场局部控制，弱点主要表现在网络和复杂控制方面，因而仅使用PLC不适宜控制新型干法水泥生产。 集散控制系统DCS 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统， 它是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。其主要特征是：集中管理，分散控制。DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统，拥有自主性、协调性、在线性与实时性、高可靠性、适应性、灵活性、可扩充性和友好性等优越性。但集散控制系统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。 现场总线控制系统FCS 现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式4。 FCS具有以下技术特点： FCS采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。 FCS的现场总线网络是开放式互连网络。 FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。 FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。 总的来看，FCS终将代替DCS。但是现场总线发展到今天，标准不够统一，价格昂贵，而广大用户对DCS比较熟悉，加上DCS尚有潜力可挖，其本身也在不断的发展之中，其性能也在不断地完善，DCS也在朝开放系统的方向发展，并实现了与现场总线的结合。DCS是结合了各类控制功能的完整系统，是目前应用最广泛、结构最先进、性能最高、功能最完整的系统，因此在目前的水泥自动化生产控制中，集散控制系统成为了人们的首选。1.3 选题的目的、意义及指导思想本次设计是想通过水泥粉磨DCS控制的研究，实现对水泥包装生产线的自动控制，克服原有包装机的缺点，既能节省人力、物力，又可以降低生产成本，同时还能提高水泥的产量和质量，通过对包装机系统的远程监控，可以避免粉尘对人体和微机设备造成的影响，直接在中控室就可以监控水泥包装的全过程，这样可使故障率降到最低，计量准确、稳定可靠，袋重的合格率也能达到99100。该选题的控制系统主要采用了ABB的Industrial IT系统。ABB Industrial IT系统融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。系统具有高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，该系统都能应付自如。所以基于对课题的深入考察研究，选用这套系统不仅能满足要求，更大程度上是将国内DCS系统更加完善化，特别是在水泥行业的运用，更提高了国内DCS的控制水平。2方案论证2.1 集散控制系统的简介集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。集中控制系统是进行集中管理的，而系统的体系结构是分布式的，总体上是一种分布结构的控制系统。DCS控制系统有以下特点： DCS系统作为计算机控制系统中较为完善和成熟的技术，能够对分布于较大范围内的执行机构进行控制，并采用集中管理、分散控制的策略。 DCS系统编程灵活，可以方便地实现历史数据存储、动态显示、报表打印等功能。 DCS可采用组态软件，容易组态，系统集成方便，可靠性高。2.2 IndustialIT控制系统简介Industrial IT系统是ABB公司推出的一种全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，同时又具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O，又可连接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，Industrial IT都能应付自如。系统分为两级：操作管理级(操作站OS、工程师站ES及网关GS)和过程控制级(过程站PS及现场控制器AC800F)。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能(预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等)，而且完成配方管理及数据交换等管理功能。过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节（各种PID、比值、Simith）和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。每个过程站PS支持5个机架单元，可配置44个I/O模件(1408个I/0点)，PS过程站的CPU模件、电源及系统网络接口均可冗余。AC800F是现场总线控制器，它为用户提供了使用现场总线技术的灵活性。AC800F采集来自4条现场总线(类型可以不同)的过程数据和诊断信息，并完成与PS相同的控制任务。AC800F通过以态网(Ethernet)与整个系统(如OS、PS或其它FC)通迅。系统控制站硬件均为全金属外壳封装。设备既可安装于机柜中，也可装于墙上。系统符合所有当前EMC标准并具CE标志。系统采用两种普遍的工业总线。用于过程控制站PS内部通迅的是DigiNetP/CAN(DIN/ISO11898标准)总线。PS/FC与OS/ES之间的通迅由DigiNetS网络(以太网/IEEE802.3标准)实现，用户可选择通迅传输介质(普通电缆或光纤)和网络拓朴结构。Industrial IT系统的操作站OS、工程师站ES及数据网关GS以MS WindowsNT为运行平台，从而确保了系统的通用性、开放性和易用性，并对将来的技术升级和维护带来很大方便。PC机的具体配置可由用户按照需要自行选择(不低于系统基本要求)。系统组态语言基于IEC1131_3工业标准，提供功能块图(FBD)、梯形图(LAD)、指令表(IL)和顺序功能图(SFC)、ST(结构化文本)等图形化组态手段。系统还带有包含近170多个功能块的算法库和具有200多个图形符号的基本图库和内含大量3D图符的扩充图库。系统使用同一套组态工具软件完成过程级和操作级组态及调试，并使用同一个全局数据库。Industrial IT系统规模具备很强的伸缩性，每个系统可根据工艺或功能划分为若干个自动化域，每个域基本配置为10个操作员站OS、10个过程控制站PS或现场控制器FC，整个系统扩展规模可达100个操作员站、100个控制站(140800个I/O) 。Industrial IT系统的网络架构见图2-1。图2-1 ABB IndustialIT控制系统网络架构图Industrial IT系统优点： 集成DCS、PLC及FieldBus功能； 全局数据库； AC800F冗余； 支持FDT/DTM组态及HART协议，支持Operate IT； 通用性，标准化，灵活性，开放性； 工程容易，界面友好，维护简单。2.3 设计方案2.3.1 水泥包装控制系统工艺流程简介水泥包装是在水泥粉磨之后，将成品水泥运至水泥库并取出包装发运。课题包括水泥散装和袋装两条包装线。来自水泥粉磨站的成品水泥由提升机入库后分成两部分，一部分由提升机运至水泥散装车，散装输送；另一部分送至袋装区，由提升机，再经振动筛，筛出的水泥经过中间仓送入包装机，水泥袋装后由输送机送至成品库，散灰由螺旋输送机再送入提升机，然后再经振动筛重复前面所说的流程。包装工艺流程设计的基本要求是：操作方便，提高包装工作效率，降低操作人员的劳动强度；能够准确称量，以确保袋装水泥的重量误差在允许范围内；减少水泥粉尘飞扬损失。本课题水泥包装的流程图见图2-1。图2-1水泥包装流程图包装控制系统完成两条水泥包装输送线散装线和袋装线，每条水泥包装输送线控制方式基本相同。每组中由若干设备共同完成特定功能, 各组间又有一定的联锁关系。单台设备控制分为一个个子模块, 按模块顺序依次处理。在单台设备控制模块内完成对单个设备的条件检查、联锁控制、状态显示等功能；在组控制功能模块中完成组检查、组起动、组停止等功能。将生产顺序有连续关系和连锁关系的设备分成一组，包装控制系统的分组情况如图2-2至2-9所示。 图2-2入库提升组 图2-3入库输送组 图2-4入库卸料组 图2-5库料输送提升组 图2-6库料散装组 图2-7袋装组 图2-8主收尘组 图2-9散料输送组其中2-2至2-6是泥散装流程的分组情况，2-7至2-9是水泥袋装流程的分组情况。整套包装系统的工艺流程大致示意图见图2-10。图2-10水泥包装生产线工艺流程框图2.3.2 主要被控设备及I/O点数统计1) NE板链式提升机2) 三通阀3) 链式输送机4) 离心式风机5) 气箱式袋收尘器6) 电液动平板闸阀7) 罗茨风机8) 空气分配器9) 水泥底库卸料装置10) 电动两路阀11) 斗式提升机12) 振动筛13) 胶带输送机14) 清袋机15) 螺旋输送机16) 高压离心通风机以上设备的控制信号包括备妥、运行、驱动、开关限位、正反转等等数字量触点。还包括提升机、罗茨风机的电流信号大小采集，阀门开度的给定、反馈，电机前后轴承的振动等模拟量信号采集和驱动输出信号点。此外，为保证整个系统的日后维护、扩展，系统还应具备一定的余量，一般为20%。点数统计的结果如表2-1示。表2-1 I/O点数统计表模块名称类型通道数点数块数DI801BOOL161059DO801BOOL16756AI801UINT8213AO801UINT8922.3.3 系统设计方案课题主要针对水泥的入库存储、散装及袋装系统进行设计。对于该水泥包装系统，为了有效地对生产过程实时监测、分析、管理和调度，采用DCS控制系统。在此设计中要实现对电动机、阀门等成套机电设备的开关量控制，包括分组联锁启动与停车、组内自动联锁或单机联锁控制、系统单机调试等功能；还要有完善的报警功能，开关量和模拟量报警的显示及确认、报警列表的自动记录和显示打印、模拟量报警上下限的设置和修正；生产报表的即时和定时打印8。课题设计的系统主要实现包装机、提升机、振动筛、输送机、收尘器、风机等顺序启停、故障报警、紧急停车等功能，并具备手/自动显示功能，同时完成各主要设备的电流检测和温度检测。硬件设计布局工程师站一个，操作员站一个，现场站一个，现场站采用AC800F现场控制器，兼用标准工业以太网（Ethernet）与整个系统通讯，布局见图2-11所示。 操作员站硬件平台为工业控制机,软件平台为DIGIVIS软件。OS站功能和仅限由工程师站决定，具体功能如下:可显示整条生产线的工艺流程图；在画面中,各电机、电磁阀等普通设备的运行状态均由代表它的动态图形符号表示。工程师站工程师通过工程师站对整个系统进行硬件配置和软件组态。对OS站的组态:整个系统根据厂方要求配置1个OS站,功能如上所述。对工艺流程图的配置:将整个工艺流程分为若干个画面,生成于“公用图”项目下,则各OS站均可调用此组画面,大大减少了工程设计和维护的工作量。对PS站的组态:综合对系统的性能要求、风险性要求及稳定性，经济性要求的分析,配置 1个过程站。过程站与现场远程IO站完成现场数据采集，过程控制站采用AC800F现场总线控制器与现场远程S800 IO站，AC800F控制器可安装4个多种协议类型的总线接口卡，用于实现与现场远程IO站及FF总线设备之问的通讯。IO模件具备实时检测及远程诊测功能。S800 IO站具有监控、平滑转换及故障报告功能。根据本课题的I/O点数统计，配置2个现场远程I/O站。 图2-11硬件设计布局图3系统的硬件设计3.1 项目管理器与项目树3.1.1 管理器简述Control Build F软件的启动首先进入项目管理器。Control Build F是Industrial IT系统的组态、调试和文档管理工具。Control Build F的组态是基于IEC61131-3标准，使用全局数据库。系统的组态保存在预先设定的项目子目录中的项目文件中。项目文件包含文件名和项目名，在缺省状态下，二者相同。项目名主要用于DDE通讯5。在项目管理器中，可以存储、改名和删除一个项目。实际的组态、调试和文档管理将从项目树中进行。Control Build F有两种操作方式：Configuration和Commissioning。在 Configuration方式下，进行硬件配置，软件组态和进行项目文档工作。Configuration可离线进行。在 Commissioning方式下，对系统进行调试。进入调试状态后，ES/OS自动与过程站建立通讯连接。3.1.2 生成项目树启动Control Build F：StartProgramABB Industrial ITControl Build F。软件启动后首先显示版本信息，按键进入到项目管理器，从项目管理器的项目菜单中选择新建,或按新建按钮。在对话框中，输入文件名(最大256字符)，则在 FreelanceProj目录中生成一个后缀为.pro 的文件，见图3-1。同时系统生成以下两个文件：.bak：压缩的备份文件，当不存盘退出DigiTool时，此文件存储为.pro文件。.log：是一个临时文件，用于系统崩溃时的数据恢复。图3-1项目树建立对话框项目名：最大12个字符，可不同于文件名(.pro)，课题为：bzhkzh项目管理者：最大16个字符，可不填项目号：最大6个字符，可不填项目口令：最大8个字符，最小4个字符，用于封锁项目文件页眉页脚：用于文档 按确认键存储所输入大内容并关闭对话框。 菜单栏中按组态进入组态方式。 项目树的最顶层是组态CONF，所有的系统资源和项目对象都在CONF的组织之下。项目树的第一层由系统资源组成。Industrial IT有以下资源： D-PS , D-PS/RED：过程站资源(非冗余/冗余)，包括 Rack System，FC 和AC800F。 D-OS, MAESTRO-CS：Operation Station和Maestro NT Configuration Server资源。 D-GS：Gateway Station资源，包括DDE，OPC和TRN等。 P-CD：P-CD是一个特殊的资源，它用于存储下载到各OS站的公共图形。另外，在项目文件中还有一个池对象，用于临时存储项目组件。系统不对池中的内容作语法检查5。在菜单条上选择组态(Configration)菜单项，出现项目树显示画面，见图3-2：图3-2项目树建立画面插入组态级：在项目级bzhkzh上选择插入下一级： 菜单：编辑(Edit) 插入下一级(Insert next level) 也可从工具条中选择，见图3-3：图3-3工具条中插入下级按钮出现对象选择框，选择组态级CONF，确认，见图3-4：图3-4组态级命名对话框 输入组态级名称：水泥包装控制； 选择时区按扭修改时区； 确认结束插入组态级操作。插入过程站资源过程站资源分为非冗余和冗余两种，D-PS，D-PS/RED。非冗余资源可指定到所有的过程控制器，冗余资源可指定到机架式(Rack System)控制器和AC800F控制器。指定是在硬件结构组态时完成的。插入组态级见图3-5：图3-5插入组态级画面在组态级上选择过程站资源(D-PS)并确认；出现过程站级资源对话框见图3-6：图3-6过程站资源命名对话框 输入资源名称：包装控制； 其它设置保留缺省值； 确认结束插入过程站资源。插入操作级资源，见图3-7：图3-7插入过程站后项目树画面 在过程站资源对象上选择插入下一个，或用工具条； 在资源选择对话框内选择操作员站资源D-OS； 出现OS资源参数对话框，见图3-8：图3-8操作员站资源命名对话框 输入OS资源名称：包装； 确认刷新扫描周期及颜色闪烁频率； 选择总貌画面：OVW：系统标准总貌画面FGR：将用户自定义画面作总貌画面 定义退出VIS密码； 确认结束插入操作员站资源。插入网关站资源 在操作员站资源上选择插入下一个，或用工具条； 在资源选择对话框中选择网关资源(D-GS)； 出现资源参数对话框，见图3-9：图3-9网关站资源命名对话框 输入资源名称：报表； 选择资源类型：DDE，OPC，TRN等；课题选用OPC网关； 选择存取权限，对变量操作权限进行配置； 确认结束网关资源插入。3.2 硬件结构3.2.1配置过程站硬件结构用于配置系统的硬件资源，包括网络配置，卡件分配，I/O通道的定义等，见图3-10：图3-10硬件结构图项目树中的资源必须与实际的硬件相对应。在项目树中，从系统硬件结构或按硬件结构按钮进入硬件结构管理器。左边是硬件结构的树型显示，右边是图形显示。在图形显示中，以太网的上方配置操作员站，下方配置控制站。在树型结构中(HWSYS)编辑插入或在图形显示中以太网的下方双击鼠标左键，根据实际配置情况选择相应的过程站类型。本课题选择AC800F作为控制器。3.2.2 配置操作员站在图形显示中，在以太网的上方双击鼠标左键，出现下面两种选择：GWY 网关（Gateway）VIS 操作员站（Operator Station）网关用于配置DDE、OPC、Trend Server等，操作站用于配置操作员站。3.2.3 资源分配在以太网中插入各种节点之后，要使其与项目树中的资源建立一一对应关系。在以太网两侧的灰色方块中，双击鼠标左键，出现选择对话框，从中选择正确的资源。操作员站和网关站的资源指定分别见图3-11，3-12所示。图3-12操作员站资源指定图3-13网关站资源指定给节点分配资源以后，该节点自动激活，即DigiTool在进入调试状态时，系统总线将自动搜索该节点。3.2.4 插入过程站AC800FAC800F是基于现场总线的过程控制器。它可连接CAN，Modbus，Profibus等现场总线。AC800F由底座(CPU)、电源、以太网接口卡、现场总线接口卡等组成，有冗余和非冗余两种组态方式5。AC800F既可从树型结构中又可从系统图形中插入。根据课题要求，在节省费用又不会影响工程项目的情况下使用AC800F即可满足要求，不需使用AC800FR。 在树型结构中选择系统目标(HWSYS)编辑插入选择过程站类型选择插入位置； 在图形区选择过程站位置双击鼠标左键，插入过程站AC800F之后，为其分配系统资源包装控制(双击过程站上方的灰色方块)，如图3-13所示，以便激活过程站。图3-13过程站资源指定3.2.5 定义控制器参数过程站须对应于项目树中的资源，以定义用户程序在哪个过程站中运行。定义过程站参数可采用下面两种方法： 在硬件的树型结构中选择包装控制点击鼠标右键参数 在硬件的树型结构中选择包装控制编辑参数通过此画面可定义引导参数和模件数据，见图3-14所示。图3-14定义过程站控制器参数对话框3.2.7 插入AC800F的模件在AC800F中可插入下列模件： SA801F 电源115 V AC / 230 V AC SD802F 电源24 V DC AM801F 电池备份模件EI801F 以太网模件10Base2 EI802F 以太网模件AUIEI803F 以太网模件10BaseTFI810F CAN/3模件FI820F 串行接口模件FI830F Profibus模件根据课题要求，所用AC800F可插入以下模件，见图3-15所示。 SA801F 电源115 V AC / 230 V ACEI803F 以太网模件10BaseTFI830F Profibus模件图3-15插入AC800F模件示意图每个模件都有一个缺省名字代表它的安装位置。如：S：F1 FI830F (FI830F_4_F1)S：SlotFI830F：Module type, Profibus module here(FI830F1_4_F1)：Default name with station position 4, slot F13.2.8 Profibus组态 双击F1槽中的Profibus 接口模件(FI830)，见图3-16，双击红色方块插入Profibus主设备。 双击Profibus主设备，进入 Profibus从设备的配置。 点击鼠标右键，选择插入slave，见图3-17。图3-16 Profibus模件图图3-17插入Profibus从设备示意图 选择PROFI_S_DEV Profibus slave (GSD based)，然后点击确认键。 选择从设备的节点号和节点地址。节点号：1126；节点地址：0125，点击确认键。 选择从设备类型(S800/CI830)。若要使S800出现在此画面中，S800的GSD文件要拷贝到 .Freelancegsd 目录中，如图3-18。图3-18导入S800/CI830对话框选中S800/CI830，然后按“开始导入”键。 导入GSD文件之后，S800节点出现在Profibus总线上。由于课题I/O点数决定，需要两个S800节点，因此依次按照从步骤2至7插入第二个节点，则出现两个S800节点接在Profibus总线上，如图3-19。图3-19插入S800节点的示意图 S800 I/O站的配置过程：双击S800站的图标，进入图3-20所示画面。图3-20 S800 I/O站编辑画面S800站由CI830通讯接口模块和最多12个I/O模块组成，鼠标右击 0 位插入CI830模块，在其余位置依次插入DI801，DO801，AI801，AO801，系统自动为模块定义一个缺省模块名称。 定义模块参数： 定义Profibus通讯参数：鼠标右击Master节点，选择参数设置项，出现对话框，见图3-21。图3-21 Profibus通讯参数设置对话框 定义I/O模块位置：S800 I/O模块插入到S800站中后，其缺省位置号为Cluster 0，Position 1。双击I/O模块，选择User参数，修改位置号和物理位置相一致，并选择相应的量程范围。 编辑I/O：从菜单中选择I/O编辑器，进入I/O的编辑。编辑S800 I/O要参考CI830 Memory Map 手册。根据手册说明编辑S800 I/O，分别输入课题所需开关量输入信号、开关量输出信号及模拟量输入信号，同时要对每个模块设置配置字，以激活模块。部分I/O编辑变量表分别见图3-22，图3-23，图3-24，图3-25。图3-22开关量输入变量编辑图3-23开关量输出变量编辑图3-24模拟量输入变量编辑图3-25模拟量输出变量编辑本课题设计整体硬件结构项目树见图3-26。图3-26水泥包装系统CBF硬件结构项目树4过程站组态4.1 IEC61131-3编程Industrial IT 编程采用IEC61131-3 标准。支持功能块图(FBD)，指令表(IL)，梯形逻辑图(LD)，顺序功能图(SFC)四种编程语言。4.2 FBD编程4.2.1 建立FBD编程项目树FBD编程是图形化的编程方法，共有190多个标准功能块可调用。 建立用户任务列表目录：Industrial IT的任务分为系统任务和用户任务两大类。用户任务是由运行在过程站中的用户程序组成的。所有用户任务的集合称为用户任务列表。 建立用户任务：每个过程站资源可以组态9个任务，其中8个任务为周期运行方式，1个为PLC循环运行方式。对于周期运行方式的任务用户可以指定任务的执行周期行优先级。 建立程序列表：任务由程序组成，程序又分为由FBD、IL、LD组成的PL和SFC。 在程序列表PL下插入FBD，课题建立的编程项目树如图4-1。图4-1编程项目树4.2.2 编写FBD程序在项目树FBD上选择编辑，或双击FBD则进入FBD编程界面，如图4-2。图4-2 FBD编程界面 变量与常数：变量与常数可置于程序中的任何地方，并以矩形方式显示和编辑。变量的类型有：REAL实型： 32位 DINT双整型： 32位 INT 整型： 16位 UDINT 双字无符号整型： 32位 DWORD 双字： 32位 WORD 字： 16位BYTE 字节： 8位 BOOL 布尔型： 1，0 TIME时间类型： 32位 STR 字符型系统中的所有变量都组织在变量表中，变量表中系统变量以红色显示，如果用户自定义变量显示红色，则该变量没有被引用。 功能块功能块的左边为输入“管脚”，右边为输出“管脚”。功能块两侧的长管脚必须连接变量或其它功能块。每个功能块必须有唯一的名字Tag 名，所有的Tag名组织在Tag列表中。功能块两侧管脚的粗细及颜色代表不同的数据类型，见图4-3：图4-3功能块两侧管脚的数据类型对照图部分所用功能块介绍：模拟量量程转换功能块，如图4-4。图4-4模拟量转换功能块此功能块的作用是进行量程转换。各管脚介绍：a) EN当其输入为Logic_1时，表示此功能块允许执行；b) ENO输出值为Logic_1时，表示此功能块处于执行状态；c) IN表示模拟量信号输入端；d) OUT表示转化的模拟量输出端；功能块参数表见图4-5。图4-5参数表每个功能块都必须有独立的名称，若是模拟量输入信号进行量程转化，则输入量量程终点为28480.0，输出量程终点则根据设备实际情况来确定；若是模拟量输出号进行量程转化，则输出量程终点为28480.0，输入量程终点则根据设备实际情况而定。单向触发功能块，如图4-6。图4-6单向触发功能块 该功能块作用是产生脉冲输出，允许组态脉冲时间，当输入信号变化时（上升沿或下降沿触发）产生一定时间的脉冲。各管脚介绍：a) EN当其输入为Logic_1时，表示此功能块允许执行；b) ENO输出值为Logic_1时，表示此功能块处于执行状态；c) IN表示数字量信号输入端；d) OUT表示输出端；e) RES表示复位信号端。功能块参数表见图4-7。图4-7单向触发参数表脉冲宽度改变脉冲时间，可以根据实际情况选择上升沿触发或下降沿触发。开延迟定时器功能块，如图4-7。图4-8开延时定时器功能块该功能块的作用是信号改变后隔一段延时时间后改变输出信号。延时时间可根据实际需求而定。各管脚介绍与4-6示功能块相似。功能块参数表见图4-9。图4-9定时器功能块参数表延迟时间根据实际情况改变，触发情况也可根据实际情况选定。IDF单向单元功能块，见图4-10。此功能块是一个输出单一控制指令，控制单一方向电机或电磁阀设备开关的功能块。图4-10 IDF功能块各管脚介绍： a) MM手动工作方式控制信号；b) MA自动工作方式控制信号；c) FB1结束位置1的确认信号；d) FB0结束位置0的确认信号；e) PR1安全干预1；f) PR0安全干预0；g) FLT故障信号输入；h) SMA操作方式状态指示，Logic_1表示自动，Logic_0表示手动；i) FRT运行时间错误信号显示；j) FRP结束位置错误显示；k) IL0禁止输出OUT为Logic_0；l) IL1禁止输出OUT为Logic_1。手动控制方式MM和自动控制方式MA均有效：二者的优先级取决于输入信号值，当两者均为Logic_0时，表示可在手动和自动两者之间选择；当两者均为Logic_1时，手动优先级高于自动。步进调节控制功能块，如图4-11示。图4-11步进调节功能块该功能块用于PID控制运算的步进调节，能用来步进调节阀门开度。课题中用它来进行卸料阀门的PID控制。各管脚介绍：a) PV过程值；b) SP设定值；c) L1-L4报警极限值；d) OP正向驱动设备；e) ON反向驱动设备；f) ASP设定值是否为有效状态信号；此外，课题还用到了模拟量监控，开关量监控，趋势，转换，比较，位逻辑功能块，由于他们的使用比较简单，这里就不再一一列举。4.2.3 基本操作 插入变量： 在FBD编辑界面选择变量(Variables)； 选择变量类型； 双击变量框； 输入变量名，确认； 确认结束变量插入。 插入功能块：在FBD编辑界面中，选择菜单中的功能块： 选择所需要的功能块； 用鼠标移动功能块到所需要的位置； 点击鼠标左键确定位置； 点击鼠标右键结束插入操作。Industrial IT功能块库丰富，具备模拟量处理、数字量处理、回路控制、逻辑控制、逻辑功能、监控功能、数据采集功能、运算功能、Modbus功能、接收/发送功能、步逻辑接口，并且用户可以自定义应用功能块。所有功能块都可以根据以上方式调用。 变量与功能块、功能块与功能块之间要用信号线连接。信号线有横线和竖线。根据控制逻辑编制的FBD，在联机调试状态可以调试。例如开关量监控的FBD图，用开关量控制模块进行监控，实现对来自现场的数字量输出值的监控。编程见图4-12。图4-12部分FBD图例子4.3 编写LD程序根据以上操作步骤，在程序列表PL下插入LD，建立LD程序，如图4-13。图4-13 LD程序项目树LD（梯形图）语言源自于电磁继电器搭建的电气系统，描述电流的流向。由上图示，课题包装控制系统共有9个控制组，其中前8组是生产设备运行开停车控制组，第9组是对卸料阀门和风机阀门的PID控制组。其中设备分组情况在方案分析中已一一详述。控制规则是顺序启动，逆序停车。下面就提升入库组控制的LD程序详述控制过程。图4-14提升入库组控制LD程序如图4-14示，提升入库组控制实现409离心风机，408气箱式袋收尘器，402三通阀，401链式提升机的顺序启动与逆序停止。当组设备的备妥信号都为Logic_1时，表示组设备可进行自动控制，这是设备运行的条件之一。当按下组启动按钮时，组驱动信号SGIRK_QD为Logic_1，则延迟1秒后SG1RK_STA组开启信号变Logic_1，通过定时器开延时功能块和单向触发功能块，实现SG1RK_STA1，SG1RK_STA2，SG1RK_STA3，SG1RK_STA4四个开启信号，同时，通过设定不同的定时器延时时间值实现四个顺序时间的开启信号。这样将SG1RK_STA1作为离心风机设备的开启信号，SG1RK_STA2作为袋收尘器的开启信号，SG1RK_STA3作为三通阀的开启信号，SG1RK_STA4作为提升机的开启信号。这样可实现组设备的顺序启动。当按下组停止按钮时，组驱动信号SGIRK_QD信号变Logic_0时，单向触发功能块下降沿触发输出信号SG1RK_STP变Logic_1。通过定时器延迟功能块的延时值设定不同值，实现SG1RK_STP1，SG1RK_STP2，SG1RK_STP3，SG1RK_STP4四个停止信号，从而实现四个不同顺序时间的停止信号。这样将SG1RK_STP4作为离心风机设备的停止信号，SG1RK_STP3作为袋收尘器的停止信号，SG1RK_STP2作为三通阀的停止信号，SG1RK_STP1作为提升机的停止信号。这样可以实现逆序停止。为了保证设备在自动/手动控制时的顺序启动，所以将风机的运行信号S_ZFJ1_RN作为袋收尘器驱动信号的连锁信号。同理，袋收尘器的运行信号S_ZSCQ1_RN作为三通阀驱动信号的连锁信号，三通阀的运行信号S_STF1_FRN或S_STF1_ZRN作为提升机驱动信号的连锁信号。此外，三通阀正反转电路中必须设定互锁信号，即S_STF1_FRN的常闭信号作为三通阀正转的必要条件，S_STF1_ZRN的常闭信号作为三通阀反转的必要条件。在程序中还用到了两个用户功能块ZQD，A1G.。ZQD实现操作面板组启动控制，A1G实现组内设备手动/自动控制状态显示。关于用户功能块的编制在下一标题中会有详细的介绍。还需要说明的是，为实现对三通阀正反转的选择控制，在操作员站面板上可设置正转/反转选择按钮 ，通过按钮动作写入变量STF_SEL，将其串入三通阀控制程序中，编写的程序如上图4-14所示。这样通过操作员站的按钮控制即可实现正反转控制。具体控制在下面的面板控制总再做介绍。同时，在检修设备时，必须实现设备的单独启动，联锁设备进行解锁。所以在操作员站面板上可设置联锁/解锁按钮。通过按钮动作写入变量FJSCQ_LS。具体控制在下面的面板控制总再做介绍。此外，在整个包装生产线，对于卸料阀门的控制也是一个重点，根据生产工艺要求，可在卸料阀门控制中运用PID控制回路，生产过程中会经常出现振荡现象，由于它的控制参数比较少，采用凑试法，利用CBF软件自带调节控制功能块C_SS进行自动调节，则能够使其控制参数在最佳范围。卸料阀门控制的实现如下图4-14所示。图4-14卸料阀控制控制过程如下描述：如图4-14示，S_DKXL1GF_M为#1库底卸料装置电控阀位置反馈实际值，S_DKXL1GF_SM为#1库底卸料装置电控阀位置反馈设定值，S_DXL1_ZDR表示卸料阀正转，S_DXL1_FDR表示卸料阀反转。CSS是步进控制功能块，若S_DKXL1GF_M大于S_DKXL1GF_SM，经PID运算后，OP输出Logic_1，若S_DKXL1GF_M小于S_DKXL1GF_SM，经PID运算后，ON输出Logic_1。同时将S_DKXL1GF_M与S_DKXL1GF_SM相减并取绝对值，绝对值与1.0比较，若大于1.0输出Logic_1，这样若OP输出Logic_1，则阀正向驱动；若ON输出Logic_1，则阀反向驱动。这样，使设定值与实际值保留1.0的裕度差值，来控制阀门的正反转。4.3 用户功能块的编写用户功能块（UFB）方便用户根据各自工艺流程的需要建立自己的功能块。用户功能块类与例是不同的，用户功能块类确定了功能块的功能、面板外观和参数。类组态在项目树下P-FB，每一个功能块类有一个类名，用于被程序调用时使用。用户功能块程序可以FBD、IL、LD语言编写，并且只有通过了合理性检查后才可以被程序调用。实际应