自動化控制系統(tǒng)在粉煤灰加氣混凝土生產(chǎn)中的設(shè)計與應(yīng)用

　　可編程控制器除了用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對現(xiàn)場的自動化設(shè)備的控制。

　　此外，工控組態(tài)軟件作為一種標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程。本系統(tǒng)中基于軟件和硬件的執(zhí)行情況將在文中作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。為落實節(jié)能減排方針，保護(hù)耕地，逐步淘汰粘土實心磚。根據(jù)國家墻改政策，研制開發(fā)粘土實心磚的替代產(chǎn)品，采用新型建筑材料作為墻體，已成為形式發(fā)展的必然。加氣混凝土砌塊作為一種新型建筑材料，已在我國建筑工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。青島魯能加氣混凝土建材有限公司作為一家成立較早的生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的新型環(huán)保建材企業(yè)，主要利用華電青島發(fā)電有限公司排放的粉煤灰為主要原材料進(jìn)行蒸壓加氣混凝土砌塊的生產(chǎn)與經(jīng)營。

　　為進(jìn)一步滿足企業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的要求，提高生產(chǎn)效率和管理水平，公司在生產(chǎn)中積極實施生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)，為逐步實現(xiàn)現(xiàn)場級、控制級、企業(yè)級的信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。該生產(chǎn)線主要由破碎系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、打漿系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、切割系統(tǒng)及蒸養(yǎng)系統(tǒng)來構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)需要對其中的破碎、粉磨、制漿、打漿、澆注、蒸養(yǎng)過程進(jìn)行監(jiān)測與控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計要求，生產(chǎn)自控系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面（HMI），為生產(chǎn)管理級，完成對下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機(jī)由可編程控制器（PLC）構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。

　?。?）在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、稱重等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對這些參數(shù)進(jìn)行實時采集和處理。

　　（2）加氣混凝土生產(chǎn)的自動控制，即實現(xiàn)原料制備、配料、澆注、蒸養(yǎng)等過程的自動控制。在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同時，進(jìn)行故障診斷。

　?。?）根據(jù)各原材料稱重設(shè)定參數(shù)進(jìn)行稱重配料過程控制；根據(jù)各溫度參數(shù)，調(diào)節(jié)澆注、靜養(yǎng)、蒸壓的進(jìn)汽壓力。

　　（4）自控系統(tǒng)通過加入時間日程表的控制，實現(xiàn)一天當(dāng)中不同環(huán)境溫度對應(yīng)不同的生產(chǎn)周期。

　　（5）在符合生產(chǎn)條件的情況下，對整個生產(chǎn)過程可實現(xiàn)手動/自動切換。

　?。?）對調(diào)節(jié)部分可采用手操器控制，確保進(jìn)汽的溫度、壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，使蒸汽溫度達(dá)到加溫要求，并對其故障實現(xiàn)實時報警和聯(lián)鎖啟停切換控制。自動控制系統(tǒng)配料部分流程圖，如下：為了滿足上面提到的蒸壓加氣混凝土砌塊生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計要求，我們選用西門子公司SIMATICS7-300可編程控制器（PLC）和研華公司IPC-610工控機(jī)（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進(jìn)的WinCC監(jiān)控軟件，來實現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項功能。當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機(jī)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運(yùn)行，且編程簡單，維護(hù)方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計使得各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。

　　在一塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實現(xiàn)多個機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。，電源模塊1塊。工控組態(tài)軟件WinCC(WindowsControlCenter)是一個集成的人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個集成的人機(jī)界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以??程計算機(jī)（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測量值以符號、數(shù)值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現(xiàn)了在HMI操作站（上位機(jī)）上以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設(shè)備維護(hù)人員快速準(zhǔn)確的了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及其相關(guān)信息的設(shè)計目標(biāo)。

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　?。?）工藝流程圖：在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示整個加氣混凝土生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程，并且在設(shè)備本體上實時顯示了相關(guān)狀態(tài)或參數(shù)，以便于操作者能及時準(zhǔn)確的掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進(jìn)行實時診斷。

　?。?）手操器的操作與對現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時常用自動方式，以實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。

　　（3）報警記錄：對于如稱重、釜壓、釜溫等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實時報警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時通過報警一覽表對話框可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。

　　（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進(jìn)而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的預(yù)測。另外，還具有報警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運(yùn)行報表。

　?。?）班次生產(chǎn)報表：通過對實事數(shù)據(jù)的記錄，對各生產(chǎn)班次原材料的用量進(jìn)行記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，形成班次生產(chǎn)報表及月度報表，為生產(chǎn)管理提供可靠依據(jù)。

      （6）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況。為了滿足在單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標(biāo)準(zhǔn)可供我們選擇，主要有IndustrialEthernet（IEEE802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC61158/EN50170）、AS-I（EN50295）、EIB（EN50090、ANSIEIA776）、MPI及Point-to-pointconnections等。根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點，我們選用了PROFIBUS-DP通訊方式，其優(yōu)點是CPU可以同時與多個設(shè)備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設(shè)備和其它可編程控制器可以連接在一起同時運(yùn)行，無需多次編寫通訊程序。由于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中第一層和第二層及用戶接口層，所以可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?，傳輸速率可達(dá)12Mbps。PROFIBUS-DP憑借傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及良好的可擴(kuò)展性等特點，成為目前廣大用戶普遍采用的通訊方式。

　　在一塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實現(xiàn)多個機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。，電源模塊1塊。工控組態(tài)軟件WinCC(WindowsControlCenter)是一個集成的人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個集成的人機(jī)界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以程計算機(jī)（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測量值以符號、數(shù)值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現(xiàn)了在HMI操作站（上位機(jī)）上以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設(shè)備維護(hù)人員快速準(zhǔn)確的了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及其相關(guān)信息的設(shè)計目標(biāo)。

　?。?）工藝流程圖：在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示整個加氣混凝土生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程，并且在設(shè)備本體上實時顯示了相關(guān)狀態(tài)或參數(shù)，以便于操作者能及時準(zhǔn)確的掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進(jìn)行實時診斷。

　?。?）手操器的操作與對現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時常用自動方式，以實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。

　?。?）報警記錄：對于如稱重、釜壓、釜溫等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實時報警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時通過報警一覽表對話框可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。

　　（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進(jìn)而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的預(yù)測。另外，還具有報警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運(yùn)行報表。

　　（5）班次生產(chǎn)報表：通過對實事數(shù)據(jù)的記錄，對各生產(chǎn)班次原材料的用量進(jìn)行記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，形成班次生產(chǎn)報表及月度報表，為生產(chǎn)管理提供可靠依據(jù)。（6）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況。為了滿足在單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標(biāo)準(zhǔn)可供我們選擇，主要有IndustrialEthernet（IEEE802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC61158/EN50170）、AS-I（EN50295）、EIB（EN50090、ANSIEIA776）、MPI及Point-to-pointconnections等。根據(jù)此系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點，我們選用了PROFIBUS-DP通訊方式，其優(yōu)點是CPU可以同時與多個設(shè)備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設(shè)備和其它可編程控制器可以連接在一起同時運(yùn)行，無需多次編寫通訊程序。由于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中第一層和第二層及用戶接口層，所以可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩裕瑐鬏斔俾士蛇_(dá)12Mbps。PROFIBUS-DP憑借傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及良好的可擴(kuò)展性等特點，成為目前廣大用戶普遍采用的通訊方式。