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    一、前言

　　隨著工業自動化程度的日益提高，可編程序控制器（PLC）的使用越來越普遍，PLC使用簡單方便，故障率低，對現場環境要求不高，因而倍受青昧。在目前的很多自控系統中，常常選用PLC作為控制設備，用于數據采集和控制，而在系統上位機上利用組態軟件來完成工業流程及控制參數的顯示，實現生產監控和管理等功能，KDON300／5000空氣分離裝置中自控系統就是采用PLC控制方式。

　　二、系統概況

    1.工藝流程

　　KDON-300／5000型空分設備的工作原理是利用空氣中各組分沸點不同，先使之液化再進行精餾，從而獲得純氧、純氮產品。空分流程為原料空氣在離心壓縮機中被壓縮至0.78MPa（G），經冷氣機組將空氣冷卻，進入HXK-15000／8.0型純化器，去除H2O、CO2、C2H2等，凈化后的空氣進入分餾塔，通過主換熱器及液化器與返流的低溫廢氣、產品氮氣進行熱交換，然后進入精餾塔底部，經過精餾分離為產品氮氣和富氧液空，塔底液空經過冷后節流進入冷凝蒸發器，在0.38MPa（G）壓力下與氮氣相變換熱，氮氣液化作為分餾塔回流液，液空蒸發為廢氣。廢氣經過冷器、液化器升溫至－151℃，再經透平膨脹機，絕熱膨脹至0.03MPa（G）給裝置補償冷量。產品氮氣從精餾塔頂引出，經液化器、主換熱器復熱至常溫，送至用戶。

    2.自動控制

　　自動控制系統采用美國GE-Fanuc公司的90-30 PLC控制器和VersaMax I／O模塊組建成控制站，采用Cimplicity HMI人機界面軟件和高性能的上位機建成系統的操作站。該自動控制系統實現對空分裝置的空氣壓縮機系統、預冷系統、分餾塔系統、透平膨脹機系統、純化系統等工藝過程的監視和控制.

　　該自動控制系統的控制站和操作站一個以太網，支持“TCP／IP”協議。PLC控制站由兩套90-30 PLC控制器和三個VersaMax I／O模塊組及兩個操作站組成。控制站的90—30系統采用機架式結構，I／O模塊組采用具有緊湊和開放式結構的VersaMax I／O系統。控制站通過GBC模塊與I／O模塊組的Genius接口模塊以Genius總線方式連接，從而實現對I／O模塊點的采集和控制。系統的所有控制站、操作站將通過以太網連接，控制站中配置具有10Mbit／s雙絞線以太網接口的主處理器IC693CPU364模塊，操作站上位機配置10／100Mbit／s自適應以太網卡，來共同實現局域網連接。

　　三、網絡結構

    整個控制系統分為兩層網絡

    （1）最底層使用CE的Genius總線，實現90—30PLC控制器對I／O模塊組控制。

    （2）上層90—30 PLC控制器通過10Mbit／s以太網與上位機聯接，操作站的通過以太網卡與相應的PLC通訊，實現對空分系統的實時監控。

    （3）該控制系統以后能夠很方便的與其他計算機網絡聯接，上位機通過以太網能與工廠管理網聯接，上位機中冗余的Cimplicitv HMI通過Web服務器功能，實現與工廠遠程調度的通信。

　　四、控制站和操作機

    1.控制站

　　PLC控制站由兩套90—30 PLC控制器和3個VersaMax：I／O模塊組組成，每個控制器和I／O模塊組通過一條自己的Genius網絡和I／O模塊組通信，當主控制器出現故障時，備用的控制器立即自動投入控制，不會影響對I／O模塊組的控制，仍能進行數據采集、數據存儲、模擬控制、順序控制等功能。

　　GE-Fanuc90—30 PLC特點：該PLC結構小，配置靈活，提供了開放的網絡結構，提供多種網絡接口和先進的編程特性。內置RS232／RS485通信口，用于硬件組態和邏輯編程或串性通信。后備電池存儲器和多級口令保護和存儲器保護功能，大范圍模塊診斷功能，診斷到網絡和通道級故障，并提供PLC和I／O故障表，便于定位故障時間和目標以排除故障。

　　VetsaMax I／O模塊的特點：該系統的產品為模塊化和可擴展結構，是現代開放式控制系統最佳的解決方案。I／O模塊和通信模塊都可帶電插拔，自動配置I／O地址，真正的即插即用，無機架的緊湊結構，模塊安裝方便，可靈活地水平或垂直安裝在I／O底座上，I／O底座安裝在DIN導軌上，無電纜連接，I／O模塊裝卸時無須變動現場接線，易擴展，系統具有高可靠性和連續性，先進的故障診斷，可診斷網絡狀態錯誤信號、強制信號和電源狀態，可恢復的電子短路過載保護，拔掉模塊的狀態可預先設定，開放的結構，支持多種網絡通信協議（Modbus、RTU、Profibus、Genius總線、Ethernet等）。

    2.操作站

　　操作站配置性能優良的兩臺奔騰工業機型，采用Windows NT操作系統，安裝Cimplicity HMI組態軟件。兩個操作站都通過配置的以太網卡連接在系統網絡上，兩臺上位機均可以通過網絡獲取網絡上所有PLC的數據，實現對現場的監控。

　　中控室的兩套操作站組成冗余服務器系統，一套安裝Cimplicity HMI 300點監控軟件開發版，另一臺安裝Cimplicity HMI 300點運行版軟件，正常工作時兩臺上位機可以同步操作，可以進行監控畫面的組態、數據點的建立功能，并始終保持數據同步，當一臺上位機故障（軟硬件或通訊故障），它將自動被切除，由另一臺執行所有的功能，當故障的上位機恢復后，可以自動切回執行控制。兩臺上位機通過以太網直接從PLC讀取各類數據，從而實現對工藝過程的狀態監控和報警、趨勢的顯示功能。可以將實時數據錄入ACCESS數據庫，形成通用的數據庫格式，實現整個裝置數據的集中處理功能，編制各類報表，繪制歷史趨勢。

　　設置一臺打印機，連接其中的一臺上位機，通過以太網共享打印機，用于數據、報警、報表、趨勢的打印。

　　以后當公司需要遠程監控時，其中作為主服務器的上位機，可以同時作為Web服務器，用于實現遠程監控，通過公司局域網絡（以太網或電話線）可以把現場的設備狀態、報警、流程圖等HMI畫面傳送到廠調度、公司調度或網絡上的任何一臺終端上，在遠程客戶端可以通過IE瀏覽到以上內容。

　　五、軟件

    1.系統操作系統

　　采用Microsoft Windows 2000 NT

　　2.PLC編程軟件

　　GE 90-30 PLC編程、實時監控和系統診斷維護軟件：VersaPro2.0，該軟件運行在Windows NT平臺上。VersaPro編程軟件的主要功能為；

    （1）具有梯形圖、順序功能圖和指令語句多種編程方式。

    （2）圖形式硬件組態畫面，離線開發梯形圖程序，在線編輯、監控和修改初始值，可以使用變量名引用I／O點；支持浮點運算、PID功能、子程序中斷。

    （3）4個等級密碼程序保護，子程序加密。

    （4）在磁盤上自動存儲程序，可打印程序和配置、變量交叉引用表。

    （5）通過串行SNP協議或以太網協議與PLC設備通訊，下載程序、在線監控內存狀態，強制I／O狀態，設置CPU實時時鐘。

    （6）強大的診斷功能，提供PLC和I／O兩個故障表，清晰地指出故障時間、部位和內容。

    3.操作站監控軟件

　　采用Cimplicity HMI開發版和運行版各一套，其中一套300點開發版支持工藝的開發的需要，另一套300點版用于中控室對空氣分離裝置進行實時控制，VersaPro編程軟件的主要功能為；

    （1）Cimplicitv HMI是基于Windows平臺的組態軟件。內部采用多線程技術，從而能完成復雜的任務。軟件的結構采用面向Web級的設計，為Client／Server結構。

    （2）Cimplicity HMI的界面編輯功能十分強大，支持OLE技術，從而可以方便的使用第三方控件。

    （3）Cimplicity HMI與SQL Server結合，能完成數據、報警和事件的自動登錄和日常的數據庫維護。通過ODBC與數據庫連接，提供與SQL數據庫操作的接口命令。

    （4）可以通過給不同用戶分配不同的角色和資源來完成系統的安全授權。

    （5）界面設計 針對本生產線工段多、生產工藝復雜、監控變量多等特點，為避免用戶在監控時頻繁切換窗口和監視方便，采用Frame Container將各工段的實時界面、實時曲線、歷史曲線、報警信息和數據查詢打印報-表等界面置于一個Frame Container中。在相應的屬性頁標簽的Mouse Up事件的響應腳本中。

    （6）設備點的定義 Cimplicity的設備點用來完成I／O功能。I／O點的實現是所有組態軟件的技術核心，也是組態軟件的一個重要部分。

    （7）故障報警這里把報警分為兩類：現場報警和通信報警。現場報警，即從PLC采集到的報警點。通信報警，即上位機和PLC通信失敗。可為每種報警定義不同的聲音，并起動Alarm Sound Manager。這樣在報警發生時，將會有不同的報警聲音。

    （8）數據庫 本系統的后臺數據庫是SQL Server。通過數據源與Cimplicitv相連。

    （9）用戶授權 為了便于管理和系統安全，用戶權限為兩級進行授權：管理員和操作員。對管理員授予所有權限。對操作員，通過分配不同的角色（Roles）和資源（Resource），使這類用戶只具有瀏覽各個界面、打印報表、處理報警的權限，而沒有對工程進行重新配置、調整控制參數、停止系統運行等高級權限。

    （10）打印報表。Cimplicity HMI有很強的打印功能。

　　六、系統功能

    （1）流程圖的動態顯示功能 利用豐富的繪圖工具和控件庫及對象連接功能，很容易完成工藝過程各種流程圖畫面的組態。通過動態連接和圖形對象屬性組態，可以把流程圖與PLC設備點連接起來，在運行狀態下，實現流程的動態顯示（如顏色變化、動態填充、數據動態顯示等）。工藝生產過程狀態以流程圖的方式顯示，圖像由一系列圖例組成，并可取出每幅圖的局部進行放大，便于分分組顯示。流程圖上有實時過程動態參數顯示：

    （2）測量值顯示 儀表測量值用棒圖方式實時顯示。測量值的上下限可以組態和修改，并可以自動進行工程量轉換。

    （3）報警顯示 所有開關量點和模擬量點均可以被組態為記錄報警，所有報警和操作事件可以被登錄到數據庫中，用于記錄和打印。具有內置的報警圖例，只需要進行簡單的組態來滿足現場的要求。可組態多幅報警畫面，報警可以根據等級被分類、分組顯示在不同的報警畫面中。報警可以具有聲音、閃爍、顏色指示和確定等功能。

    （4）趨勢圖 實時趨勢和歷史曲線可以在同一張圖表上，同一張圖表上可以有來自不同數據源的數據，每個圖表的曲線不受限制，在運行時可以動態改變趨勢和增加趨勢曲線。

    （5）設定值更改操作方便可以通過鍵盤或鼠標方便地在上位機上進行現場設備控制和設定值更改操作。并可對設定功能增加權限保護，設立用戶操作口令，防止誤操作。并只允許具有設定值修改權限的操作員進行操作。

    （6）數據處理和存儲 采用Cimplicity HMI標準的ODBC接口作數據登錄。報警、事件和數據點均可以登錄到Microsoft Access數據庫文件中或其他數據庫中。可以利用符合ODBC標準的應用程序（如Excel）檢索這些數據，產生報表。中控室的上位機進行數據的集中處理。

    （7）班、日、月、年報表的產生 利用上述數據庫登錄功能和報表生成軟件及Excel、VB等工具軟件，可以產生班、日、月、年報表，并且報表可以保存為文本文件存入磁盤。

    （8）豐富的圖表和曲線 各種壓力、溫度過程變化曲線、精餾塔純氧塔液位變化過程曲線、產品氮氣、氧氣計量累計曲線、事故報警總表等，分日、月時段并銜接，以月為單位存入磁盤。

　　七、結束語

　　空氣分離PLC系統采用成熟和先進的控制技術，具有豐富和開放式的網絡接口，編程軟件包和監控軟件包技術成熟、使用方便；系統各硬件的設計符合國際標準，經過一段時間的運行，整個系統運行平穩，安全可靠，生產參數實時采集、生產異常及時報警，消除了安全隱患，PLC系統控制精度高，確保了空氣分離裝置高效經濟運行。