新型PLC生產控制系統(tǒng)的設計及其在中型規(guī)模水泥廠的應用
摘要：本文總結蘇州南新水泥有限公司日產700噸余熱發(fā)電水泥生產線新型PLC生產控制系統(tǒng)的應用實踐，通過比較全面的調查研究，選擇當今世界上最優(yōu)秀的軟硬件，構成高性能價格比的實用系統(tǒng)，具有良好的人機界面，完善的操作功能，實現(xiàn)對工藝設備和生產過程的實時監(jiān)控，符合中型規(guī)模水泥廠裝備水平的實際需要，對當前為數(shù)眾多的地方水泥廠擴建改造具有普遍的指導意義。本文在系統(tǒng)網(wǎng)絡功能、組態(tài)軟件運用、與成套電控設備的連接與通信、提高系統(tǒng)抗干擾性能等方面，做出了較為詳細的論述。
關鍵詞 PLC系統(tǒng)設計 網(wǎng)絡功能 組態(tài)軟件 生產線控制 微機配料
進入九十年代以后，在我國水泥工業(yè)中占居重要地位的地方水泥企業(yè)，已經(jīng)開始進入一個新的發(fā)展階段。大批有實力的立窯廠，正在逐步改造成為日產700～1000噸規(guī)模的新型干法窯廠。這些廠原有電氣系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)方式，單機控制設備開停，或有簡單的“轉換開關──繼電器”聯(lián)鎖，而在生料配料和預加水成球等關鍵工藝環(huán)節(jié)，也采用了一些技術比較成熟的單項微機控制，除此以外的自動化儀表都比較少。
隨著預分解窯、五級旋風預熱器窯和余熱發(fā)電窯等新型干法窯的普及，對工藝參數(shù)和設備運行實現(xiàn)全方位的監(jiān)控，已經(jīng)成為非常必要的管理手段。新生產線的建設者們正越來越重視生產控制系統(tǒng)的設計，要求達到更高的水平，計算機應用的普及勢在必行。因此，盡快摸索出一套適合地方水泥廠實際條件、技術先進、實用可靠、投資較省的新一代控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為當務之急。新型PLC生產控制系統(tǒng)的開發(fā)和應用，必將對企業(yè)的技術進步起到重要的促進作用，因而具有很好的推廣價值。
一、系統(tǒng)總體設計原則
近幾年來，由國家投資建設的日產2000噸以上新型干法窯水泥廠，已經(jīng)普遍采用全套從國外引進的集散型計算機控制系統(tǒng)，包括對設備的監(jiān)控、報警，堆場管理、磨機配料、窯的模糊邏輯控制等各項功能，趕上了當代國際水平。但其控制系統(tǒng)的投資費用過高，調節(jié)控制功能要求與國產裝備不相適應，對大多數(shù)地方中型水泥廠來說并不合適。在建材行業(yè)推廣計算機應用的熱潮中，有一些廠投資了近百萬元，嘗試利用STD總線或PC總線組成局部網(wǎng)絡，融生產過程監(jiān)控和管理為一體，進行計算機應用示范，實際效果并不理想。特別是系統(tǒng)的抗干擾性能較差，在遭受雷擊等意外沖擊后硬件極容易損壞，不能適應水泥廠的現(xiàn)場使用條件，因此推廣比較困難。
我們對新一代控制系統(tǒng)提出最基本的要求是實用、可靠，根據(jù)地方水泥廠的實際情況，系統(tǒng)以實現(xiàn)設備順序控制、工藝流程顯示、實時數(shù)據(jù)采集、多種功能的報警為主。在進行廣泛調查研究和充分比較的基礎上，我們選擇當今世界上最優(yōu)秀的軟硬件，將它們組合起來構成新型PLC生產控制系統(tǒng)。
我們把硬件配置的重點，放在提高它的可靠性和便于檢修維護之上，而對軟件功能要求的重點，則放在加強它的實用性和方便操作之上。系統(tǒng)應當具有靈活的組態(tài)方式，完善的監(jiān)控功能，可靠的現(xiàn)場適應性能，同時要求它的開發(fā)過程快捷，使用操作方便，日常維護簡單。
二、系統(tǒng)硬件的選擇和網(wǎng)絡功能
系統(tǒng)硬件的選擇包括操作員站和現(xiàn)場控制站兩大部分組成，其總的依據(jù)是系統(tǒng)所要求達到的功能、系統(tǒng)的可靠性、對環(huán)境的適應性、系統(tǒng)今后的可擴展性，以及至關重要的價格因素等多方面來考慮。
作為人機界面的操作員站（監(jiān)控站）硬件的選擇比較簡單，采用通用的工業(yè)型計算機，其性能一般都能滿足要求。為進一步提高可靠性以適應長期連續(xù)運行，我們選用美國Intel公司的工控機和日本EIZO名牌大屏幕顯示器組成高品質的監(jiān)控站，就能實現(xiàn)各項操作功能，清晰顯示復雜的工藝流程畫面�？晒┈F(xiàn)場控制站選擇的PLC硬件品種繁多，我們必須根據(jù)水泥廠應用的實際需要以及現(xiàn)場條件，重點考慮其網(wǎng)絡功能的特點，相比較而優(yōu)選出具有高性能價格比的硬件配置。
1. 水泥廠生產過程控制的現(xiàn)場特點
地方中型水泥廠的生產管理模式，一般是按工藝流程將全廠劃分成3～4個主要生產車間，以車間為單元進行生產控制和管理。每個車間都包括大小數(shù)十臺設備，分散在前后各道工序，距離較遠，且電氣設備的裝機容量大，高壓電動機多，現(xiàn)場干擾強，這些都是比較典型的大型工業(yè)集中──分散控制系統(tǒng)的共同特征。
選擇一個合適的局部網(wǎng)絡對控制系統(tǒng)設計的成功顯得十分重要，因為工業(yè)計算機網(wǎng)絡不同于一般的辦公室自動化聯(lián)網(wǎng)，響應時間可在幾秒鐘的范圍內，操作和控制某些設備的過程往往需要在幾個毫秒內完成。網(wǎng)絡技術是集散型控制系統(tǒng)的基礎，對工業(yè)控制的系統(tǒng)網(wǎng)絡而言，必須要求它具有快速的實時響應能力和極高的可靠性，能適應在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中連續(xù)運行。
網(wǎng)絡功能是PLC可編程控制器的一項重要品質指標，無論是分車間控制的相對獨立小系統(tǒng)，或全廠集中控制的大系統(tǒng)，往往都需要由一個以上的現(xiàn)場控制站連接而成，現(xiàn)場總線如采用主控站──遠程站的結構形式，可以充分發(fā)揮PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，節(jié)省大量電纜，減少故障隱患，但同時對系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能提出了更高的要求。
2. 幾種局部網(wǎng)絡的拓樸結構和性能
網(wǎng)絡拓樸結構是集散型控制系統(tǒng)中的一個非常重要的概念，它是系統(tǒng)網(wǎng)絡功能的決定性因素之一。根據(jù)構成網(wǎng)絡中的節(jié)點和站之間互連方式的不同，局部網(wǎng)絡常見有三種拓樸結構。
星型結構：以一個PLC主控站或其它智能主機作為控制通信中心，所有其它節(jié)點都作為終端通過點對點與之相連接，每個接點可隨時發(fā)送和接收信息，這種網(wǎng)絡結構簡單、清晰。但它有如下缺點：作為星的控制中心一旦出現(xiàn)故障就會引起整個網(wǎng)絡的癱瘓。兩個節(jié)點之間信息的傳遞都必須通過中心，從而導致只有低的數(shù)據(jù)吞吐率，當需要組成大規(guī)模系統(tǒng)時連線費用昂貴等。早期某些公司的低檔PLC采用了這種結構，一般不適宜在集散型工控系統(tǒng)中應用。
圖1 星型結構網(wǎng)絡
公共總線：在一條主干線上以多掛點的形式將各個節(jié)點互相連接在一起，與星型結構相比，通信可不經(jīng)過網(wǎng)絡中心控制器，而能在任意兩個節(jié)點之間傳遞信息，總線拓樸結構一般使用同軸電纜或雙絞線電纜加適當?shù)挠布涌凇Ｋ膬?yōu)點是在網(wǎng)絡上增加或減少站點都比較容易，網(wǎng)絡結構也很簡單。其缺點也是顯而易見的，即在主干線上如出現(xiàn)斷路，就可能影響較多的節(jié)點。同時，在這種總線結構下的各個節(jié)點，是以并列的形式連接到一條共享的傳輸總線上，必須規(guī)定某種控制協(xié)議才能避免信息沖突，增加了軟硬件技術的復雜性。
圖2 公共總線網(wǎng)絡
網(wǎng)絡中控制通信的方式一般可分為兩種類型：其一是主從方式，即網(wǎng)絡是由一個作為主機的網(wǎng)絡控制器和多個PLC從站組成，在這種方式下由主機統(tǒng)一控制通信，向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，如果需要接收從站信息，主站可查詢每個從站并等待響應。主從方式的硬件結構簡單，但存在通信瓶頸，一旦主站故障也可能引起網(wǎng)絡阻塞。其二是無主從方式，由所有節(jié)點按一定的規(guī)則相互協(xié)同控制總線，在工業(yè)網(wǎng)絡中一般以令牌傳送（Token passing）的方法，使各個節(jié)點輪流取得通信控制權。無主從方式的傳輸效率較高，實時響應性能較好。新型總線拓樸結構更進一步采用了冗余技術，綜合性能指標達到了比較高的水平，但需要增加較多的硬件開銷。
環(huán)形網(wǎng)絡：所有節(jié)點都通過點對點連接，形成一條長鏈并首尾相通構接成一個封閉的環(huán)，網(wǎng)絡中的信息按點至點的方式只傳送到其相鄰的點，如果不是信息的目的站，就再接力傳送至下一個站。環(huán)形網(wǎng)絡雖然存在某個節(jié)點故障容易引起信息阻斷的缺點，但它是一種技術上非常成熟的網(wǎng)絡結構，通過雙環(huán)冗余和其它附加功能，硬件結構仍比較簡單，但可靠性方面卻能略勝一籌，因此在PLC控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。
局部網(wǎng)絡的另一個重要指標是它的通信速率，特別在網(wǎng)絡節(jié)點較多的情況下，較高的波特率對提高系統(tǒng)的實時響應能力十分有利。通過多方面的比較，我們選用日本三菱公司的Ａ系列大型PLC各功能模塊，組成車間主控站和現(xiàn)場遠程站。
圖3 環(huán)形結構網(wǎng)絡
3. 三菱Ａ系列PLC的主要技術指標
MELSEC是日本三菱電機公司可編程控制器商品代號，MELSEC-A是其生產的高功能產品，設計選用的A3系列是當今世界上能與美國A＆B公司的PLC5/25和Modicon公司的984系列相媲美的高檔次可編程控制器。它的品種規(guī)格全、各項性能指標都很高，在世界市場銷售份額中占有很高的比重。
�。�3系列CPU微處理器為16位，有250多條高級指令，程序容量為2×30K步，每個CPU單元的最大I/O點數(shù)為2048點�？蓱糜陂_關量、模擬量控制，PID調節(jié)及步進／伺服電機驅動等。Ａ系列可編程控制器具有完善的網(wǎng)絡功能，以其為主體可構成龐大的局部網(wǎng)絡，并可與F1/F2系列小型可編程控制器、VVVF變頻調速器等連接，構成全自動的工廠控制系統(tǒng)。
整個Ａ系列外部設備都能兼容，具有共同的編程語言，通用的模塊和組件基板，易于升級和擴充。三菱公司還在不斷推出新品種，擴充新功能。如超高速運算和表決式三機冗余CPU，采樣式16通道A/D模塊、小信號輸入A/D模塊，64回路PID調節(jié)組件，以及圖象顯示CRT/LCD、數(shù)據(jù)保存打印組件等。
Ａ系列可編程控制器具有實時時鐘功能，可單步運行、設斷點運行、采樣跟蹤、狀態(tài)鎖存，調試程序方便快捷，并可在線修改，使用暫停功能可在不關斷重要輸出的情況下修改程序。同時還具有很好的自診斷功能，CPU、存儲器失效校驗，運算電路、RAM及參數(shù)校驗，自動測量掃描時間等�？煽焖俨槌龉收纤冢晕淖诛@示錯誤類型。
4. 三菱MELSEC-NET總線網(wǎng)絡功能
MELSEC-NET是三菱電機公司專為MELSEC可編程控制器，尤其是Ａ系列可編程控制器配備的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，傳輸速度為1.25Ｍbps。它具有很高的抗干擾能力，與不同裝置的可連接性和編制程序容易等特點。因為它有很好的性能價格比，因此非常適合于我們的應用場合。
它采用局部網(wǎng)絡中常見的環(huán)形結構，并雙環(huán)冗余，當發(fā)生任何通信電纜斷路或從站故障時，雙環(huán)路中的主環(huán)路和副環(huán)路能自動進行切換，在兩個環(huán)路同時出現(xiàn)故障時，還能通過回送功能（Loop back function），保持通信暢通。對網(wǎng)絡傳輸介質，MELSEC-NET提供了同軸電纜和光纜兩種不同選擇。同軸電纜的通信距離為0.5km，光纜的通信距離可達1～2km。 我們選用了同軸電纜，也即有線電視系統(tǒng)CATV中常見的75Ω電纜，它的成本比較低，同時抗干擾性能也較好，能滿足使用要求。
MELSEC-NET還具有通信軟元件Ｂ&Ｗ的獨特功能，即在所有站之間共享的通信數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡提供了1024個通信繼電器Ｂ和1024個16位的通信寄存器Ｗ，Ｂ與Ｗ在編程時如同一般的內部軟元件一樣使用，每個站只可對在通信參數(shù)初始化時指定的Ｂ和Ｗ進行寫操作，而任意站均可對Ｂ和Ｗ的全部儲存區(qū)進行讀操作，也就是說Ｂ的 ON/OFF狀態(tài)和Ｗ中的數(shù)據(jù)，能實時自動分布至所有其它的站。這個新功能不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，同時還使我們在處理這些數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時，不再需要通過特殊的編程，調用極其方便。
利用MELSEC-NET的環(huán)形網(wǎng)絡功能，我們可以很方便地把各車間主控站和遠程站之間的通信小環(huán)路打開，將全廠所有的站就近連接起來，構成一個環(huán)形的大網(wǎng)絡，從而升級成為一個名副其實的集散型系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠的計算機集中控制。MELSEC-NET還發(fā)展了幾種更加新型的現(xiàn)場和PLC－PLC通信網(wǎng)絡，采用32位專用處理芯片，具有無主從方式令牌傳送功能，冗余性更好，通信速率可高達10Ｍbps甚至更快。在有條件時我們可以適當增加投資，提高選用檔次。
5. 對輸入輸出模塊的`具體要求
MELSEC-A系列可編程控制器提供了多種規(guī)格的輸入輸出模塊，可以從使用條件和節(jié)省投資兩方面考慮作出選擇。針對一般水泥廠現(xiàn)場粉塵較多的特點，很容易造成繼電器接點接觸不良，故選用220V交流輸入模塊，提高其可靠性。輸出模塊選用繼電器輸出形式，便于通過中間繼電器實現(xiàn)與現(xiàn)場隔離連接。
模擬量輸入采用多通道模數(shù)轉換A/D模塊，精度為12位二進制數(shù)，并可與多路切換模塊配合，很容易擴展。在輸入端和內部電路之間采用光電隔離，保證了抗噪聲干擾的性能良好，通道之間采用了水銀繼電器隔離，確保了在廠區(qū)尤其是電站周圍大地電平多變的條件下使用。這些模塊特別適合于要求多通道的模擬量采集和控制，而又想要價格便宜的場合。
模擬量I/O模塊的另一項指標是信號的采樣周期，要根據(jù)被測參數(shù)的工藝特點合理選用。例如，在水泥粉磨和煅燒過程中的溫度、壓力信號一般變化比較緩慢，而發(fā)電系統(tǒng)鍋爐和汽機的壓力、流量信號變化就可能快許多。在處理數(shù)據(jù)量較大而且要求較高的情況下，除了在硬件選擇方面作重點考慮外，還可配合采取軟件功能上的優(yōu)化措施，盡可能降低系統(tǒng)成本。
6. PLC可編程控制器的最新發(fā)展
目前，國內引進世界各國的PLC硬件品種規(guī)格較多，各大公司都先后推出了許多不同檔次的新產品，普遍采用表面安裝技術，芯片趨向更高的集成度，模塊小型化，增加了新功能，成本反而有所下降。其中較有代表性的有三菱公司的A系列已開發(fā)了新品種AnU和QnA系列， SIEMENS公司的S7系列，Modicon公司的Quantum系列。采用這些新型PLC可編程控制器，可以組成功能更強大，或者配置簡潔的經(jīng)濟型系統(tǒng)。我們摘錄比較適合在中型水泥廠使用的部分PLC可編程控制器網(wǎng)絡功能的主要指標，以供選用時參考。
表1 新型PLC可編程控制器網(wǎng)絡功能
制造廠商 規(guī)格型號 網(wǎng)絡名稱 最多節(jié)點 波 特 率 存取方式
莫 迪 康 Modicon984 Modbus 248 19.2K/S 主從方式
三菱電機 MELSEC A MELSEC-NET 64 1.25M/S 主從方式
西 門 子 SIMATIC S7 SINEC L2 128 1.5M/S 令牌傳送
AB公司 PCL 5 DH+ 64 57.6K/S 令牌傳送
莫 迪 康 Quantum Modbus+ 32 1.0M/S 令牌傳送
三、系統(tǒng)組態(tài)軟件的選擇
對一個應用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)來說，具有簡單、方便、實用的操作功能，有清晰流暢的工藝流程畫面，能對所顯示的各種實時信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速響應和動態(tài)刷新，是衡量系統(tǒng)品質指標的主要依據(jù)。隨著計算機硬件水平的逐步提高，高分辯率真彩色顯示器的出現(xiàn)和CPU的不斷升級，用戶對人機操作界面即應用軟件提出了更加苛刻的要求，如果我們還停留在使用程序語言直接編制過程畫面，或是依靠原先DOS方式下的圖形編輯來作圖，即使耗費大量工時也未必如愿，一旦需要進行修改，則十分繁復而且很容易出現(xiàn)差錯。我們在新型PLC控制系統(tǒng)設計中，對國內外組態(tài)軟件技術進行了調查研究。
適合三菱Ａ系列PLC及其網(wǎng)絡的組態(tài)軟件較多，例如：Paragon、Onspec和Fix等，這些通用組態(tài)軟件都已經(jīng)過了較長時間的現(xiàn)場實際使用，其可靠性和穩(wěn)定性有充分保證。但是，它們都只能在DOS環(huán)境下運行，實現(xiàn)漢字處理非常困難，而對一個中型規(guī)模的地方水泥廠來說，如果我們要求一般水平的人員，都要能面對全英文提示畫面進行操作，這將是不現(xiàn)實的。經(jīng)過反復調研，我們在當時國內還很少有人使用過，完全缺乏可借鑒經(jīng)驗的情況下，獨具一格地大膽采用了一種全新的人機接口組態(tài)軟件InTouch，此舉雖然給項目增加了一定的風險性，但卻取得事半功倍的滿意效果。
圖4 系統(tǒng)軟件構成
我們在系統(tǒng)設計中采用的新型組態(tài)軟件InTouch，是目前世界上最強有力和最先進的工業(yè)自動化人機界面設計軟件，曾經(jīng)連續(xù)三年被國際控制工程學會評為最佳人機對話軟件。研制生產InTouch軟件的美國Wonderware公司也因此而馳名于世界各國。
InTouch是第一個以Windows操作系統(tǒng)為基礎的工控軟件，作為一個實時的人機界面實用程序的程序生成器，可以產生在管理級別上的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集程序，依靠菜單驅動在Windows多任務環(huán)境下運行。它幾乎利用了Windows全部豐富的圖形和窗口功能，因而具有靈活的組態(tài)方式，使工控用戶應用程序的開發(fā)和修改，變得極為容易而快捷。它具有如下顯著的特點：
1. 動畫圖形編輯和顯示功能
由于采用Windows的內存管理，擴大了存儲空間，使InTouch軟件對被監(jiān)控的點數(shù)和最大畫面數(shù)均不受限制。它的作圖功能完善，圖形逼真，利用鼠標器操作就能啟動軟件包中新的功能工具箱，進行字型和顏色的選擇，安排和對齊目標。InTouch對任何一個目標對象，都可以賦予不同的動畫特性，包括平移、升降、旋轉、閃光、變色、放大、縮小、隱形、再現(xiàn)，調入新的圖形窗口等，所有這些動畫特性有機地結合在一起，就能創(chuàng)造出難以置信的神奇效果。
用戶只需建立起不同種類的圖形目標，然后定義它們的動態(tài)特性并儲存到圖形數(shù)據(jù)庫中，就能在應用軟件的任何位置上復制拷貝，唯一要改變的是它與變量的連接，而原有的動態(tài)特性都能自動保留。這一特點極大地簡化了應用軟件的設計過程，大大節(jié)省了調試中程序修改的工作量。
2. 數(shù)據(jù)處理和報警功能
InTouch的實時數(shù)據(jù)庫可儲存多達32,000個變量名，包括實數(shù)、整數(shù)、邏輯數(shù)或字符串，具有多種用戶數(shù)據(jù)輸入方式，以及數(shù)據(jù)類型的轉換功能。獨立運行的DDE驅動程序直接將實時采集的現(xiàn)場過程參數(shù)，傳送到InTouch的實時數(shù)據(jù)庫中進行各種處理，提供顯示、記錄、打印和報警。
InTouch極其強大的數(shù)據(jù)圖形化功能，能在一幅畫面中同時顯示四條實時曲線圖或者歷史趨勢曲線圖，每個應用程序中、每個窗口上所能開辟的曲線圖數(shù)目則不受限制，可以由操作人員任意設置。
InTouch具有豐富的報警功能，包括數(shù)據(jù)報警、速率報警和偏差報警等，改變報警上下限和設立優(yōu)先權的操作都非常簡單。各種報警信息，包括報警目標、報警時間、報警值等都可以在屏幕上顯示、記錄、或打印，并可記錄操作者對報警的確認。
3. 快速動態(tài)數(shù)據(jù)交換
InTouch借助于動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange──DDE）與其他軟件聯(lián)合工作，Wonderware公司提供的I／O服務程序可支持許多公司生產的可編程序控制器（PLC）與InTouch通信，因而使這個優(yōu)秀的組態(tài)軟件具有了很好的通用性，能應用于任何運行Windows的兼容系統(tǒng)中，在這方面極具特色。
為了加速數(shù)據(jù)的采集和交換，InTouch提供了獨特的高速DDE通道，即所謂“Fast DDE”。“Fast DDE”數(shù)據(jù)采集和交換速度能達到一般DDE的十倍以上，擴展了對數(shù)據(jù)的利用。用戶可以直接調用這些數(shù)據(jù)在Microsoft Excel中制表作圖，極便利于產生和打印管理級別上的各類統(tǒng)計報表。InTouch在實時數(shù)據(jù)處理中，只采集和傳送所有必要的變量：正在屏幕上顯示的點，要求記錄的運行變量或報警點，正在執(zhí)行的背景目標等。InTouch只“報告”任何已經(jīng)改變了的變量，這種數(shù)據(jù)采集的最優(yōu)化設計大大加快了它的運行速度。
最近幾年來，工控組態(tài)軟件得到了極其迅速的發(fā)展，國內外一些著名大公司先后開發(fā)了不少Windows下運行的同類軟件產品，或與各自的DCS系統(tǒng)或大型PLC系統(tǒng)硬件配套推出，使我們有了更多的選擇余地。然而，InTouch工控組態(tài)軟件在很長的時期內仍然保持著它的優(yōu)越地位。
四、新型PLC生產控制系統(tǒng)應用實例
蘇州南新水泥有限公司日產700噸余熱發(fā)電窯水泥生產線控制系統(tǒng)，是一個集順序控制、過程控制、數(shù)據(jù)采集、工況監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理為一體的計算機控制管理系統(tǒng)。它包括生料制備、燒成（含煤磨）、水泥粉磨、余熱電站四個以車間為單位相對獨立的PLC控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)控制的設備總數(shù)為225臺套，開關量輸入832點，開關量輸出640點，模擬量測點輸入378點，模擬量調節(jié)D/A輸出32點。主要功能如下：
·對電動機、閥門等成套機電設備的開關量控制，包括分組連鎖起動、分組連鎖關機、組內自動連鎖控制、組內單步連鎖控制、系統(tǒng)單步調試。
·過程控制數(shù)據(jù)的采集和處理（包括開關量和模擬量）。
·完善的報警功能。開關量和模擬量報警的顯示、確認、記錄和打印。報警發(fā)生的開始時間、確認時間和恢復時間均能自動記錄。
·動態(tài)顯示工藝流程圖畫面，各畫面之間可以自由切換。
·歷史曲線圖、實時曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示和打印。
·定時打印或即時打印生產班報表、生產日報表、生產月報表。定時打印的時間間隔可修改，交接班時間可通過操作設定。
·面向目標的操作方式，友善的人機操作界面，只要具備一般水平的人員均能勝任操作。
·較強的系統(tǒng)自診斷功能，包括PLC模塊出錯顯示，在線查看開關量和模擬量條件表。
·系統(tǒng)時間、模擬量報警上下限的設置和修正。
·操作記錄、開關量報警列表、模擬量報警列表的自動記錄和顯示打印。
·燒成系統(tǒng)和余熱電站兩個系統(tǒng)的監(jiān)控機均為雙機熱備份運行，兩臺監(jiān)控機可分別控制本系統(tǒng)內的分部流程，也可以不作控制只作監(jiān)視。能人工進行控制權限的轉換，并具有故障自動切換功能。
·對系統(tǒng)的重要操作功能設置了密碼，以防無關人員隨意進入操作，提高了系統(tǒng)的可靠性。
本系統(tǒng)由建設單位提出具體使用要求并組織實施，工程項目主體設計單位與控制系統(tǒng)的軟件編程協(xié)作單位三方聯(lián)合開發(fā)。經(jīng)過近半年的共同努力，順利完成了系統(tǒng)設計、軟件編程、現(xiàn)場調試，于1994年10月投入生產使用，至今運行情況良好。
這是一個具備技術領先，功能強大，品質優(yōu)良，運行可靠，易于擴充，投資較低等許多優(yōu)點的新型PLC生產控制系統(tǒng)，它的首次應用十分成功，已經(jīng)取得有關方面的充分肯定和普遍的好評。該系統(tǒng)特別適合于在地方中型水泥廠和中小型發(fā)電廠中推廣。與采用成套引進的系統(tǒng)相比，性能完全可以做到相當，而投資金額約能節(jié)省50％左右，日常維護費用也極低。
1. 系統(tǒng)畫面安排和運行
為了使畫面整齊、美觀，各系統(tǒng)監(jiān)控畫面分別由一幅系統(tǒng)概貌圖和若干幅分畫面組成，系統(tǒng)概貌圖上只顯示重要的目標和數(shù)據(jù)。如要了解更詳細的情況可切換到分畫面上，就能看到進入PLC系統(tǒng)的所有測點目標和數(shù)據(jù)的動態(tài)實時顯示，全部使用漢字提示。
以燒成系統(tǒng)為例，按主菜單中的運行操作按鈕進入系統(tǒng)概貌圖。在主畫面的底部有一個按鈕式的子菜單，包括：煤磨系統(tǒng)、窯頭系統(tǒng)、窯尾系統(tǒng)、廢氣處理、組操作、實時數(shù)據(jù)顯示、報警列表、退出等八個操作按鈕。按動它們即可進行畫面切換和選擇其它功能操作。
在系統(tǒng)概貌圖上還設有輔助操作按鈕，可以進入班組選擇，系統(tǒng)健康圖，系統(tǒng)配電圖，系統(tǒng)試燈、試鈴，計算機試鈴等輔助操作。
在各監(jiān)控畫面和組操作中，都以不同的顏色來表示電機是否備妥、正常運行，報警和報警狀態(tài)已被確認。從運行目標是否帶有邊框，還可以區(qū)分出該設備是在集中方式下啟動，還是在現(xiàn)場機旁啟動的。
系統(tǒng)的正常運行操作以組操作為主。按下組操作按鈕，就能彈出一個標注設備名稱的流程框圖構成的組操作畫面，根據(jù)開車順序，分別起動各組電機。在組操作區(qū)中，有組開、組關、暫停、急停、退出五個按鈕供操作者選擇。各按鈕前還有一個指示燈，綠色表示正在執(zhí)行該操作。將光標直接對準組內電機也可進行組內單步連鎖操作。
上述各畫面的圖形分辯率為1024×768，顯示色彩256色。在配色上我們盡可能采用了柔和的色調，避免強烈的對比度，使操作者能夠長時間注視屏幕，眼睛也不容易感到疲勞。
2. 實時數(shù)據(jù)顯示和歷史曲線功能
實時數(shù)據(jù)顯示包括實時曲線、棒形圖、電氣儀表圖三個子功能按鈕，可分別進入不同的圖形顯示。實時曲線畫面分四個小顯示窗口，可以同時顯示四條實時曲線，由操作者從模擬量菜單中任意選擇設置。
在系統(tǒng)主菜單中按歷史曲線按鈕，屏幕上即顯示四個歷史曲線窗口，四個窗口可以分別打開，由操作者從彈出的菜單中任意選擇需要顯示的歷史曲線。并能實現(xiàn)曲線的左右移動和打印，對所顯示和打印歷史曲線的日期、起始時間和時間間隔都能進行任意設置。記錄在系統(tǒng)硬盤上的歷史曲線數(shù)據(jù)可保持一個星期。
歷史曲線對提高過程控制能力和生產管理水平兩方面都能起到重要作用，通過調用這個功能，對工藝參數(shù)波動或所發(fā)生的設備事故進行分析和判斷。
3. 故障報警功能
系統(tǒng)能對運行過程中的開關量進行動態(tài)監(jiān)視報警：如電機在運行過程中備妥消失，或啟動后沒有運行應答信號、在運行過程中有過電流、出現(xiàn)綜合故障等系統(tǒng)就會發(fā)出報警。此時屏幕上相應的目標變成紅色閃動且有聲響。對其進行操作即可確認，紅色停止閃動且聲響消失，而目標的紅色要一直保持到故障原因解除為止。如報警目標不在當前畫面上，系統(tǒng)畫面切換按鈕上會顯示紅色閃動邊框，提示操作者切換到該畫面中尋找報警目標。
模擬量報警：在系統(tǒng)概貌圖和各分圖中可以動態(tài)實時顯示模擬量數(shù)值。正常時以綠色顯示，當超出設定上下限且系統(tǒng)正處于正常運行狀態(tài)時，就會出現(xiàn)報警，此時數(shù)值成紅色閃動和發(fā)出聲響，并在屏幕頂端彈出報警窗口，提示模擬量名稱、報警的發(fā)生時間、越限值和確認按鈕。經(jīng)確認后報警窗口消失。
計算機自動在報警列表中記錄目標名稱，發(fā)生、確認、解除時間，以及模擬量報警的數(shù)值，分別以不同的顏色顯示。
4. 報表打印和其它輔助功能
在系統(tǒng)主菜單中可選擇報表打印功能。屏幕顯示當前時刻的生產班報表，右下角有報表選擇按鈕，可設置為定時打印和即時打印兩種方式。在設置按鈕上有指示燈，表示當前打印狀態(tài)。啟動打印功能后，打印機還能自動通電。
選擇主菜單中的系統(tǒng)維護，即彈出系統(tǒng)維護功能子菜單，對能改變系統(tǒng)運行狀況的操作，必須從鍵盤輸入密碼才能進入，各級密碼可通過操作者修改重新設置。系統(tǒng)維護功能還包括：
操作權限設置：用于雙機操作控制權的相互切換。
進入系統(tǒng)單步調試狀態(tài)：解除組操作中的順序連鎖關系，直接在各子畫面上進行單機操作。
通過鍵盤或跟蹤球校正系統(tǒng)時鐘的時、分、秒，設置早、中、晚三個班的起始時間，各個班按八小時間隔自動分配。
查看系統(tǒng)操作記錄：記錄上位機的權限轉換、狀態(tài)變化及運行操作。
開關量和模擬量控制條件表：分頁顯示系統(tǒng)開關量的電氣接線端子編號、PLC模塊地址，模擬量連接的儀表點號表、測量上下限和報警值等，以供查閱和修改。
系統(tǒng)健康圖：顯示PLC各模塊的運行狀況。當某一模塊發(fā)生運行故障時，對應的模塊能發(fā)出閃爍的紅色報警，直到故障排除為止。
五、系統(tǒng)設計中的幾個技術問題
在本項目開發(fā)過程中，我們在系統(tǒng)配置和軟件編程方面積累了不少經(jīng)驗，這里從以下幾個方面加以敘述。
1. 開關量及與電氣二次回路的連接
PLC生產控制系統(tǒng)在國內應用畢竟還不很普遍，除自身帶有小型PLC的煤磨高壓油站和單機袋收塵器以外，一般隨設備配套的電控箱， 都不具備能與PLC系統(tǒng)直接相連的接口。如果要求設備制造廠修改必將延長訂貨周期，我們只能在現(xiàn)場安裝時加以改造，針對不同情況用不同的辦法來解決：
對主機設備所配套的稀油站、高壓潤滑站等的控制箱增加機旁──集中控制轉換開關和必要的中間繼電器，經(jīng)改造后的這些設備，可以在控制室監(jiān)控機上完成對它的全部操作。原控制箱的電控性能不變，重要的故障報警信號均同時接入PLC控制。
對自成系統(tǒng)性設備如電收塵器、煤磨的防爆袋式收塵器等設備，控制過程復雜，現(xiàn)場改造困難，而且本身也需要單獨設立操作崗位。不如把它看作單機，作少量改動后可以向PLC系統(tǒng)傳送有關狀態(tài)信號，以監(jiān)視它的運行。
對自成系統(tǒng)但本身已配備了微機控制的設備，如聯(lián)想集團的配料電子皮帶秤和華海公司的核子秤，我們都為它增加了通信接口，使之與PLC聯(lián)網(wǎng)，充分利用這些系統(tǒng)原有已經(jīng)成熟的功能，避免了不必要的二次開發(fā)。
對應于每一臺單機設備的電氣二次回路與PLC模塊連接的基本開關量接點為4點，其中備妥、應答信號輸入和電機驅動、模擬圖信號燈輸出各2點。備妥信號表示低壓回路供電正常，并且設備操作權在集中控制位置。按下啟動后，PLC輸出有驅動，低壓配電柜內的交流接觸器吸合，設備投運。與此同時，該設備相對應模擬圖上的信號燈點亮，交流接觸器上的輔助觸點閉合，送出應答信號，表示設備啟動過程正常。
在這里，輸入回路采用統(tǒng)一的同相供電，輸出回路使用中間繼電器與現(xiàn)場隔離，保證了系統(tǒng)的安全性。而對成套設備的PLC開關量接點，則直接與該設備自帶電控箱的控制回路相連接，并且視需要而增加中間聯(lián)絡、故障信號、雙輸出驅動等接點，以提高系統(tǒng)的可靠性。
2. 模擬量及與儀表系統(tǒng)信號的連接
PLC系統(tǒng)對生產過程模擬量參數(shù)的監(jiān)控功能是很強的，完全可以替代傳統(tǒng)的儀表，但鑒于國內地方水泥企業(yè)采用如此規(guī)模的PLC生產控制系統(tǒng)還處于起步階段，受傳統(tǒng)觀念的制約不宜一步到位。我們用以下幾種處理方法：
對最重要的模擬量采用雙重測點，即配置兩套一次儀表分別接入計算機和常規(guī)顯示、記錄儀表，如鍋爐和汽輪發(fā)電機的主要溫度、壓力和流量測點。增加了部分一次儀表，實際上起到了互為備用的作用，提高了可靠性。
對其它重要的模擬量采用合用一路傳感器和變送器，在控制室內分別接入計算機和常規(guī)顯示儀表。利用常規(guī)儀表上的模擬顯示效果，使觀察更為醒目。當然它們之間如何正確連接是很關鍵的，我們按照國際標準信號制的規(guī)定，進行現(xiàn)場與控制室之間4～20mA電流信號的傳遞和變換，效果較好。
對一般性的模擬量則取消了常規(guī)顯示，以節(jié)省二次儀表和儀表柜，使控制室的布置更為簡潔。以余熱電站為例，我們大約減掉了近四分之三的常規(guī)二次儀表，相應的儀表操作臺數(shù)量，由同類型廠一般需要五個減少到了三個（包括兩個計算機操作臺在內）。
我們對回轉窯和余熱電站所必須的模擬量連續(xù)調節(jié)回路，則堅持少而精的原則，除了在系統(tǒng)中配置D/A接口以外，還保留了部分常規(guī)儀表。這是考慮到地方中型水泥廠都為國產設備，一般選用的調節(jié)執(zhí)行機構特別是閥門的控制精度和重復性不好，而且對復雜工藝參數(shù)進行自動調節(jié)的數(shù)學模型還正在探索，事實上即使在一些大廠，自動調節(jié)回路的投運也未必理想，一步到位必然使系統(tǒng)的調試周期延長。我們在系統(tǒng)配置中已包括有D/A輸出模塊，在有條件時就能很方便地加以擴充，使計算機的自動化控制回路能逐步投入。
3. 與配料系統(tǒng)微機的通信聯(lián)網(wǎng)
在設計生料配料和水泥磨配料系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)通信過程中，針對中型水泥企業(yè)的特點，綜合考慮系統(tǒng)的實用性和可靠性，選擇確定如下方案：
系統(tǒng)運行具有集中和分散兩種操作方式：在集中方式下，配比的設定，物料的瞬時量和累計量顯示，包括來自配料系統(tǒng)的報警和報警應答都能在主控室的監(jiān)控機上實現(xiàn)；而對不經(jīng)常使用的秤體標定、系統(tǒng)檢測等功能則仍在配料機上進行。在分散方式下，配料微機的主要運行參數(shù)能在PLC系統(tǒng)主機上進行監(jiān)視和記錄。這樣涉及的修改工作量最小，完全能滿足使用的要求。
利用PLC作為通信控制中心，主控機與配料系統(tǒng)微機通過PLC進行實時雙向數(shù)據(jù)傳輸。既充分利用了PLC通信接口的高可靠性能，又能避免InTouch軟件對系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE之間接口的限制，簡單而實用。
在通信連接上采用了自行研制的完全電隔離的RS-422長線驅動接口，使兩機之間的接地很容易處理，并能實現(xiàn)帶電插拔，在線更換。
在軟件上增加數(shù)據(jù)校驗，加強對通信出錯的診斷，保證了傳輸信息正確無誤。同時，在通信一旦出錯時，配料微機仍能按原指令繼續(xù)運行。在系統(tǒng)集中控制狀態(tài)下，還設置了實時時鐘校對功能，以保持雙機時鐘同步。
經(jīng)過幾個月的實際運用，表明上述設計是非常成功的。
4. 閥門控制與閥位調節(jié)
在水泥生產和余熱發(fā)電過程控制中，對風量、流量的調節(jié)占相當大比例，都需要使用閥門，遺憾的是在所有設備中電動閥門的可靠性最令人擔心。我們采取兩種控制與連接方式：
使用閥門電動操作器，在儀表上增加了閥門關閉到位的開關量輸出，以及表示閥位的4～20mA模擬量信號送入計算機。顯然這是傳統(tǒng)儀表調節(jié)，計算機起監(jiān)視作用。利用閥門全關時的開關量輸出，實現(xiàn)與相關設備的連鎖。
直接由計算機輸出對閥門進行正驅動或反驅動，閥門的限位信號接入計算機，在系統(tǒng)投運前進行閥門對位。計算機上只有閥門開關的到位指示，而無閥位顯示，但在相應的管路上都配備了流量檢測點。
上述兩種方式在現(xiàn)場調試和試生產中都有較好的性能，它們的長期運行可靠性已經(jīng)得到證實。我們認為在這些關鍵部位必須選用高質量、高可靠性的電動閥門執(zhí)行機構，對今后擴充模擬量D/A調節(jié)功能將是十分重要的。
5. 系統(tǒng)接地和屏蔽
系統(tǒng)的接地和屏蔽對PLC系統(tǒng)十分重要，我們主要依靠以下一些措施：
PLC系統(tǒng)，儀表系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，設備安全接地都是獨立的，在調試中我們發(fā)現(xiàn)由于不接地或者接地不可靠，可能導致機殼或PC輸入端最高有上百伏的感應電勢。這是造成系統(tǒng)死機、通信阻塞的主要原因，甚至損壞模塊。要進行反復檢測、調試，直至對計算機和儀表的干擾最低。
PLC主控站與遠程站之間采用75Ω同軸電纜連接，其長度在200m左右，而且與動力線路平行，其中包括不少6kV高壓電纜。我們用穿鐵管加接地屏蔽，與動力電纜一起敷設在電纜橋架中，要特別注意檢查所有的跨接點必須電氣連接可靠。使用證明此法對確保系統(tǒng)通信是完全有效的。
對進PLC系統(tǒng)的4～20mA模擬量信號，在不同情況下分別使用單屏蔽或分屏蔽電纜，在PLC模塊選型上作了特別考慮，全部使用了帶水銀繼電器隔離的多路器，避免了信號通道之間的干擾。
由于我們在這方面有充分的考慮，措施在前，防患于未然，在調試中幾乎沒有遇到什么困難。在系統(tǒng)正式投運之后，又經(jīng)歷了長時間的現(xiàn)場考驗，在曾經(jīng)遭受過嚴重的雷擊干擾，電氣回路意外故障跳閘引起大電流沖擊等情況下，連續(xù)兩年多來一直保持無故障運行。
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