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一、前言
随着工业自动化程度的日益提高，可编程序控制器（PLC）的使用越来越普遍，PLC使用简单方便，故障率低，对现场环境要求不高，因而倍受青昧。在目前的很多自控系统中，常常选用PLC作为控制设备，用于数据采集和控制，而在系统上位机上利用组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能，KDON300／5000空气分离装置中自控系统就是采用PLC控制方式。
二、系统概况
1.工艺流程
KDON-300／5000型空分设备的工作原理是利用空气中各组分沸点不同，先使之液化再进行精馏，从而获得纯氧、纯氮产品。空分流程为原料空气在离心压缩机中被压缩至0.78MPa（G），经冷气机组将空气冷却，进入HXK-15000／8.0型纯化器，去除H2O、CO2、C2H2等，净化后的空气进入分馏塔，通过主换热器及液化器与返流的低温废气、产品氮气进行热交换，然后进入精馏塔底部，经过精馏分离为产品氮气和富氧液空，塔底液空经过冷后节流进入冷凝蒸发器，在0.38MPa（G）压力下与氮气相变换热，氮气液化作为分馏塔回流液，液空蒸发为废气。废气经过冷器、液化器升温至－151℃，再经透平膨胀机，绝热膨胀至0.03MPa（G）给装置补偿冷量。产品氮气从精馏塔顶引出，经液化器、主换热器复热至常温，送至用户。
2.自动控制
自动控制系统采用美国GE-Fanuc公司的90-30 PLC控制器和VersaMax I／O模块组建成控制站，采用Cimplicity HMI人机界面软件和高性能的上位机建成系统的操作站。该自动控制系统实现对空分装置的空气压缩机系统、预冷系统、分馏塔系统、透平膨胀机系统、纯化系统等工艺过程的监视和控制.
该自动控制系统的控制站和操作站一个以太网，支持“TCP／IP”协议。PLC控制站由两套90-30 PLC控制器和三个VersaMax I／O模块组及两个操作站组成。控制站的90—30系统采用机架式结构，I／O模块组采用具有紧凑和开放式结构的VersaMax I／O系统。控制站通过GBC模块与I／O模块组的Genius接口模块以Genius总线方式连接，从而实现对I／O模块点的采集和控制。系统的所有控制站、操作站将通过以太网连接，控制站中配置具有10Mbit／s双绞线以太网接口的主处理器IC693CPU364模块，操作站上位机配置10／100Mbit／s自适应以太网卡，来共同实现局域网连接。
三、网络结构
整个控制系统分为两层网络
（1）最底层使用CE的Genius总线，实现90—30PLC控制器对I／O模块组控制。
（2）上层90—30 PLC控制器通过10Mbit／s以太网与上位机联接，操作站的通过以太网卡与相应的PLC通讯，实现对空分系统的实时监控。
（3）该控制系统以后能够很方便的与其他计算机网络联接，上位机通过以太网能与工厂管理网联接，上位机中冗余的Cimplicitv HMI通过Web服务器功能，实现与工厂远程调度的通信。
四、控制站和操作机
1.控制站
PLC控制站由两套90—30 PLC控制器和3个VersaMax：I／O模块组组成，每个控制器和I／O模块组通过一条自己的Genius网络和I／O模块组通信，当主控制器出现故障时，备用的控制器立即自动投入控制，不会影响对I／O模块组的控制，仍能进行数据采集、数据存储、模拟控制、顺序控制等功能。
GE-Fanuc90—30 PLC特点：该PLC结构小，配置灵活，提供了开放的网络结构，提供多种网络接口和先进的编程特性。内置RS232／RS485通信口，用于硬件组态和逻辑编程或串性通信。后备电池存储器和多级口令保护和存储器保护功能，大范围模块诊断功能，诊断到网络和通道级故障，并提供PLC和I／O故障表，便于定位故障时间和目标以排除故障。
VetsaMax I／O模块的特点：该系统的产品为模块化和可扩展结构，是现代开放式控制系统最佳的解决方案。I／O模块和通信模块都可带电插拔，自动配置I／O地址，真正的即插即用，无机架的紧凑结构，模块安装方便，可灵活地水平或垂直安装在I／O底座上，I／O底座安装在DIN导轨上，无电缆连接，I／O模块装卸时无须变动现场接线，易扩展，系统具有高可靠性和连续性，先进的故障诊断，可诊断网络状态错误信号、强制信号和电源状态，可恢复的电子短路过载保护，拔掉模块的状态可预先设定，开放的结构，支持多种网络通信协议（Modbus、RTU、Profibus、Genius总线、Ethernet等）。
2.操作站
操作站配置性能优良的两台奔腾工业机型，采用Windows NT操作系统，安装Cimplicity HMI组态软件。两个操作站都通过配置的以太网卡连接在系统网络上，两台上位机均可以通过网络获取网络上所有PLC的数据，实现对现场的监控。
中控室的两套操作站组成冗余服务器系统，一套安装Cimplicity HMI 300点监控软件开发版，另一台安装Cimplicity HMI 300点运行版软件，正常工作时两台上位机可以同步操作，可以进行监控画面的组态、数据点的建立功能，并始终保持数据同步，当一台上位机故障（软硬件或通讯故障），它将自动被切除，由另一台执行所有的功能，当故障的上位机恢复后，可以自动切回执行控制。两台上位机通过以太网直接从PLC读取各类数据，从而实现对工艺过程的状态监控和报警、趋势的显示功能。可以将实时数据录入ACCESS数据库，形成通用的数据库格式，实现整个装置数据的集中处理功能，编制各类报表，绘制历史趋势。
设置一台打印机，连接其中的一台上位机，通过以太网共享打印机，用于数据、报警、报表、趋势的打印。
以后当公司需要远程监控时，其中作为主服务器的上位机，可以同时作为Web服务器，用于实现远程监控，通过公司局域网络（以太网或电话线）可以把现场的设备状态、报警、流程图等HMI画面传送到厂调度、公司调度或网络上的任何一台终端上，在远程客户端可以通过IE浏览到以上内容。
五、软件
1.系统操作系统
采用Microsoft Windows 2000 NT
2.PLC编程软件
GE 90-30 PLC编程、实时监控和系统诊断维护软件：VersaPro2.0，该软件运行在Windows NT平台上。VersaPro编程软件的主要功能为；
（1）具有梯形图、顺序功能图和指令语句多种编程方式。
（2）图形式硬件组态画面，离线开发梯形图程序，在线编辑、监控和修改初始值，可以使用变量名引用I／O点；支持浮点运算、PID功能、子程序中断。
（3）4个等级密码程序保护，子程序加密。
（4）在磁盘上自动存储程序，可打印程序和配置、变量交叉引用表。
（5）通过串行SNP协议或以太网协议与PLC设备通讯，下载程序、在线监控内存状态，强制I／O状态，设置CPU实时时钟。
（6）强大的诊断功能，提供PLC和I／O两个故障表，清晰地指出故障时间、部位和内容。
3.操作站监控软件
采用Cimplicity HMI开发版和运行版各一套，其中一套300点开发版支持工艺的开发的需要，另一套300点版用于中控室对空气分离装置进行实时控制，VersaPro编程软件的主要功能为；
（1）Cimplicitv HMI是基于Windows平台的组态软件。内部采用多线程技术，从而能完成复杂的任务。软件的结构采用面向Web级的设计，为Client／Server结构。
（2）Cimplicity HMI的界面编辑功能十分强大，支持OLE技术，从而可以方便的使用第三方控件。
（3）Cimplicity HMI与SQL Server结合，能完成数据、报警和事件的自动登录和日常的数据库维护。通过ODBC与数据库连接，提供与SQL数据库操作的接口命令。
（4）可以通过给不同用户分配不同的角色和资源来完成系统的安全授权。
（5）界面设计 针对本生产线工段多、生产工艺复杂、监控变量多等特点，为避免用户在监控时频繁切换窗口和监视方便，采用Frame Container将各工段的实时界面、实时曲线、历史曲线、报警信息和数据查询打印报-表等界面置于一个Frame Container中。在相应的属性页标签的Mouse Up事件的响应脚本中。
（6）设备点的定义 Cimplicity的设备点用来完成I／O功能。I／O点的实现是所有组态软件的技术核心，也是组态软件的一个重要部分。
（7）故障报警这里把报警分为两类：现场报警和通信报警。现场报警，即从PLC采集到的报警点。通信报警，即上位机和PLC通信失败。可为每种报警定义不同的声音，并起动Alarm Sound Manager。这样在报警发生时，将会有不同的报警声音。
（8）数据库 本系统的后台数据库是SQL Server。通过数据源与Cimplicitv相连。
（9）用户授权 为了便于管理和系统安全，用户权限为两级进行授权：管理员和操作员。对管理员授予所有权限。对操作员，通过分配不同的角色（Roles）和资源（Resource），使这类用户只具有浏览各个界面、打印报表、处理报警的权限，而没有对工程进行重新配置、调整控制参数、停止系统运行等高级权限。
（10）打印报表。Cimplicity HMI有很强的打印功能。
六、系统功能
（1）流程图的动态显示功能 利用丰富的绘图工具和控件库及对象连接功能，很容易完成工艺过程各种流程图画面的组态。通过动态连接和图形对象属性组态，可以把流程图与PLC设备点连接起来，在运行状态下，实现流程的动态显示（如颜色变化、动态填充、数据动态显示等）。工艺生产过程状态以流程图的方式显示，图像由一系列图例组成，并可取出每幅图的局部进行放大，便于分分组显示。流程图上有实时过程动态参数显示：
（2）测量值显示 仪表测量值用棒图方式实时显示。测量值的上下限可以组态和修改，并可以自动进行工程量转换。
（3）报警显示 所有开关量点和模拟量点均可以被组态为记录报警，所有报警和操作事件可以被登录到数据库中，用于记录和打印。具有内置的报警图例，只需要进行简单的组态来满足现场的要求。可组态多幅报警画面，报警可以根据等级被分类、分组显示在不同的报警画面中。报警可以具有声音、闪烁、颜色指示和确定等功能。
（4）趋势图 实时趋势和历史曲线可以在同一张图表上，同一张图表上可以有来自不同数据源的数据，每个图表的曲线不受限制，在运行时可以动态改变趋势和增加趋势曲线。
（5）设定值更改操作方便可以通过键盘或鼠标方便地在上位机上进行现场设备控制和设定值更改操作。并可对设定功能增加权限保护，设立用户操作口令，防止误操作。并只允许具有设定值修改权限的操作员进行操作。
（6）数据处理和存储 采用Cimplicity HMI标准的ODBC接口作数据登录。报警、事件和数据点均可以登录到Microsoft Access数据库文件中或其他数据库中。可以利用符合ODBC标准的应用程序（如Excel）检索这些数据，产生报表。中控室的上位机进行数据的集中处理。
（7）班、日、月、年报表的产生 利用上述数据库登录功能和报表生成软件及Excel、VB等工具软件，可以产生班、日、月、年报表，并且报表可以保存为文本文件存入磁盘。
（8）丰富的图表和曲线 各种压力、温度过程变化曲线、精馏塔纯氧塔液位变化过程曲线、产品氮气、氧气计量累计曲线、事故报警总表等，分日、月时段并衔接，以月为单位存入磁盘。
七、结束语
空气分离PLC系统采用成熟和先进的控制技术，具有丰富和开放式的网络接口，编程软件包和监控软件包技术成熟、使用方便；系统各硬件的设计符合国际标准，经过一段时间的运行，整个系统运行平稳，安全可靠，生产参数实时采集、生产异常及时报警，消除了安全隐患，PLC系统控制精度高，确保了空气分离装置高效经济运行。
