1 引言
隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)滲透到各行各業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中。近年來，隨著港口物流的興起，糧食港口開始使用工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行糧食的中轉(zhuǎn)調(diào)運(yùn)，使管理和統(tǒng)計(jì)方便快捷。
羅克韋爾自動(dòng)化公司的自動(dòng)化產(chǎn)品十幾年來在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是ControlLogix系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到全國各行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中。本文以某糧食港口為例，介紹了該糧食碼頭的工藝流程并應(yīng)用ControlLogix系統(tǒng)對該糧港口自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2 項(xiàng)目概況
該糧食現(xiàn)代物流項(xiàng)目規(guī)劃總倉容30萬噸，本期建設(shè)倉容10萬噸，由立筒庫、計(jì)量塔、工作塔、火車、汽車卸糧坑及轉(zhuǎn)接地溝、汽車發(fā)放站、輸送棧橋辦公樓組成。該糧食碼頭是以散糧裝卸為主，包糧為輔的糧食專業(yè)碼頭，其接卸能力為1000噸/小時(shí)，設(shè)計(jì)年通過能力為400萬噸，儲糧品種為玉米、小麥和大豆，糧食以中轉(zhuǎn)為主，由火車和汽車運(yùn)來，由汽車或船舶運(yùn)出。該港口糧流圖如圖1所示。
圖1 糧流圖
2.1 系統(tǒng)工藝描述
該港散糧系統(tǒng)輸送工藝包括了港區(qū)的裝船工藝、卸車工藝、裝車工藝、筒倉工藝等多種糧食儲運(yùn)作業(yè)。根據(jù)裝卸工藝及糧食輸送能力，儲運(yùn)流程分為四類:
入倉流程:卸火車入(筒/星)倉、卸汽車入(筒/星)倉;
出倉流程:出倉裝船、出倉裝汽車;
倒倉流程:筒倉—筒倉、筒倉—星倉、星倉—筒倉;
轉(zhuǎn)運(yùn)流程:卸火車裝船、卸汽車裝船、卸火車裝汽車。
根據(jù)對糧食的操作及所用設(shè)備不同，以上每一組又有多條路徑。整個(gè)工藝流程共八組，近300個(gè)流程(不包括倉號的變化)。
對于包糧在進(jìn)卸糧坑前加開包流程和在運(yùn)出前加打包流程。
2.2 控制對象
該港糧食系統(tǒng)主要包括大型設(shè)備(輸送糧食的刮板機(jī)、皮帶機(jī)、斗提機(jī)等)、除塵器、閥閘三類設(shè)備。需要控制設(shè)備包括氣墊式皮帶機(jī)，皮帶機(jī)風(fēng)機(jī)，斗提機(jī)，埋刮板機(jī)，除塵器，電動(dòng)閥閘，氣動(dòng)閥閘，料位器，電子秤，布料器，變頻器及其它輔助設(shè)備。
3 應(yīng)用ControlLogix系統(tǒng)對自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。
(1) 硬件系統(tǒng)
硬件部分包括現(xiàn)場傳感器、MCC(低壓配電柜)、PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、UPS(不間斷電源)。參見圖2。
圖2 ControlLogix 構(gòu)架
其中PLC控制系統(tǒng)選擇Rockwell Automation的ControlLogix系統(tǒng)，它是Rockwell Automation眾多產(chǎn)品中功能最強(qiáng)大的一個(gè)系列，能夠提供一個(gè)先進(jìn)、高效、高靈活性和高擴(kuò)展性的控制平臺。圖2為ControlLogix 構(gòu)架，它提供了各種輸入和輸出模塊，以適應(yīng)從高速離散控制到過程控制的多種應(yīng)用場合。
整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及應(yīng)用于該項(xiàng)目中優(yōu)點(diǎn):
●ControlLogix系統(tǒng)將PLC與DCS的功能結(jié)合在一起。提供順序控制，過程控制，傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制的統(tǒng)一的控制平臺。完全能夠滿足糧食物流行業(yè)對于將多種設(shè)備、多種控制方式、控制要求集中在一起的需求。
●ControlLogix具有非常強(qiáng)大的、高性能的處理器。支持多維數(shù)組和用戶定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而可以實(shí)現(xiàn)基于對象的編程，非常適合糧食工藝流程中筒倉、皮帶機(jī)、粉塵控制、閥門、閘門等控制對象的應(yīng)用。處理器的內(nèi)存可以擴(kuò)充到8M，能夠滿足未來二期、三期工程的擴(kuò)展需求。
●ControlLogix采用標(biāo)簽尋址方式(即編程與具體的I/O分配無關(guān))以及模塊化的編程方式，可以大大提高代碼的代碼的可重利用率，從而降低系統(tǒng)擴(kuò)展的編程成本。
●ControlLogix的I/O為高性能，智能化I/O模塊，所有的模塊都具有高性能的微處理器，全部通過軟件組態(tài)就可完成I/O配置。同時(shí)具有I/O掉線檢測、無負(fù)載檢測、模塊級的工程單位轉(zhuǎn)換，雙重高低報(bào)警。時(shí)間標(biāo)簽記錄等內(nèi)置的超強(qiáng)的診斷和工程調(diào)試功能，減少了現(xiàn)場調(diào)試的周期，大大方便了維修、維護(hù)人員整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式方式，對于銜接各個(gè)分布控制站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(如圖3所示)，筆者采用Rockwell Automation的NetLinx 開放性網(wǎng)絡(luò)集成框架中DeviceNet(設(shè)備網(wǎng))，ControlNet(控制網(wǎng))和信息層網(wǎng)絡(luò)Ethernet(以太網(wǎng))來實(shí)現(xiàn)無縫連接，參見圖3。
圖3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
●將生產(chǎn)應(yīng)用中的現(xiàn)場控制、傳感設(shè)備賦予智能化，通過設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)上的網(wǎng)絡(luò)總線完成現(xiàn)場設(shè)備與控制器之間的控制，信息，診斷數(shù)據(jù)的傳遞，提供現(xiàn)場設(shè)備的可靠性和易維護(hù)性和智能化，降低安裝費(fèi)用和工期。本設(shè)計(jì)中對于智能MCC是通過設(shè)備網(wǎng)DeviceNet連接到主控制系統(tǒng)中來。
●直接對生產(chǎn)過程進(jìn)行的控制，包括連鎖和循環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)控制和測量的監(jiān)控。不同的控制器通過具有實(shí)時(shí)性，確定性和可重復(fù)性的主干控制網(wǎng)(ControlNet)(實(shí)時(shí)5Mbps帶寬)完成，ControlNet具有預(yù)定信息和非預(yù)定信息的傳遞。統(tǒng)一的硬件和軟件控制平臺將順序控制，過程控制和傳動(dòng)控制有機(jī)的結(jié)合起來。本設(shè)計(jì)中對于不同的三個(gè)配電中心的PLC工作站之間以及各個(gè)工作站的不同I/O框架之間采用冗余的控制網(wǎng)(ControlNet)來實(shí)現(xiàn)智能化的高速的實(shí)時(shí)控制，并共享數(shù)據(jù)和信息。
●在工業(yè)控制中EtherNet以太網(wǎng)常用于程序的維護(hù)，對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行監(jiān)控和給以操作指導(dǎo)，以及將工廠級的數(shù)據(jù)傳入或傳出到更高的級別的MIS管理信息系統(tǒng)或MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，完成批量數(shù)據(jù)的存儲，分類，管理及優(yōu)化事件登錄等功能。本設(shè)計(jì)中上位監(jiān)控RSViewSE的服務(wù)器和客戶端之間以及控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)之間的通訊是通過EtherNet來完成的。
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、彩色顯示器、激光打印機(jī)等。上位機(jī)系統(tǒng)的配置原則是能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(防磁、防塵、防震)，直觀方便地監(jiān)視和控制設(shè)備并且可以打印報(bào)表與文檔。本系統(tǒng)采用SERVER-CLIENT結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CLIENT端的多臺圖形工作站(CGP)均可作為監(jiān)視及操作平臺，使操作員在中央控制室(CCR)即可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場全線設(shè)備的監(jiān)控。系統(tǒng)操作方式分為“就地”和“遠(yuǎn)程”兩種。其中“就地”又分為TEST和LOCAL，“遠(yuǎn)程”分為集中手動(dòng)和自動(dòng)，而只有“遠(yuǎn)程”方式才是操作員在CCR可以操作的方式。
(2) 軟件系統(tǒng)
軟件部分選用的是RSLogix5000、RSViewSE、PLC應(yīng)用程序、上位機(jī)監(jiān)控軟件。其中RSLogix5000是與ControlLogix系統(tǒng)配套的編程環(huán)境，提供了易于使用的標(biāo)準(zhǔn)接口，采用結(jié)構(gòu)和數(shù)組的符號化編程，以及專用的順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)控制和過程控制場合的指令集，用來進(jìn)行PLC應(yīng)用程序的編寫、下載、調(diào)試、修改，大大提高了編程效率。
靈活的繼電器梯形圖和功能塊圖編輯器，使用戶創(chuàng)建應(yīng)用程序變得輕松自如。在梯形圖和功能塊圖編輯器中，用戶能看到標(biāo)準(zhǔn)的、易于使用且直觀的操作界面。
整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于該項(xiàng)目中優(yōu)點(diǎn):
●在線幫助(包括概述信息、編程信息、屏幕信息和參考信息)和在線參考書(包括電子版的相關(guān)參考手冊和用戶手冊);
●易于使用的I/O尋址方法;
●靈活的、易于使用的功能塊圖編輯器;
●包括繼電器梯形圖和功能塊指令的指令集;
●一個(gè)自由格式操作的梯形圖編輯器，可以讓用戶同時(shí)修改多個(gè)邏輯梯級，也可以通過點(diǎn)擊界面提示輸入梯級;
●診斷監(jiān)控能力，包括控制器的狀態(tài)顯示、程序驗(yàn)證功能和強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)監(jiān)控器;
●容易組態(tài)，包括圖形化的控制器管理器，I/O組態(tài)對話框，運(yùn)動(dòng)組態(tài)工具和點(diǎn)擊組態(tài)方法;
●完善的數(shù)據(jù)處理，采用數(shù)組和用戶定義結(jié)構(gòu)，可提供必要的靈活性滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求，而不是強(qiáng)迫它去適應(yīng)特殊的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如控制器的數(shù)據(jù)表內(nèi)存;
●拖放編輯和導(dǎo)航功能，可以快速地從一個(gè)數(shù)據(jù)文件移動(dòng)數(shù)據(jù)元素到另一個(gè)數(shù)據(jù)文件，從一個(gè)子程序或項(xiàng)目中把梯級移動(dòng)到另一個(gè)，或從梯級將指令移動(dòng)到另一個(gè)梯級，或在一個(gè)項(xiàng)目內(nèi)的指令在功能塊圖之間相互移動(dòng)。
RSViewSE作為上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)和運(yùn)行平臺，要用它來完成通訊接口和驅(qū)動(dòng)程序的配置、數(shù)據(jù)庫的建立、畫面的制作、動(dòng)畫的連接，運(yùn)行過程的監(jiān)控。
上位機(jī)監(jiān)控軟件的功能及特點(diǎn):
監(jiān)控畫面上所有設(shè)備圖形都是對具體設(shè)備微縮而成的三維圖形或使用標(biāo)準(zhǔn)符號，易于辯識。運(yùn)行狀態(tài)要求動(dòng)畫顯示，直觀。
監(jiān)控軟件的主輔畫面如上所述，熏蒸、空壓、照明等系統(tǒng)對應(yīng)的圖標(biāo)放在“輔助系統(tǒng)查詢”畫面上，可以使主畫面簡潔并加快了主畫面的刷新速度。設(shè)備狀態(tài)為運(yùn)行、停止(閥門類設(shè)備為開到位、關(guān)到位)、故障，設(shè)備對應(yīng)的圖標(biāo)的顏色不同，并且故障時(shí)圖標(biāo)會(huì)閃爍。單擊設(shè)備對應(yīng)的圖標(biāo)，將會(huì)彈出設(shè)備狀態(tài)對話框，在自動(dòng)方式下，該對話框中的指示燈將顯示設(shè)備的狀態(tài);在手動(dòng)方式(集中手動(dòng)、機(jī)旁手動(dòng))下，對話框中除了顯示設(shè)備狀態(tài)的指示燈外，還有一些啟動(dòng)、停止或正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鈕。在集中手動(dòng)方式下，可以點(diǎn)擊按鈕對設(shè)備進(jìn)行操作;在機(jī)旁手動(dòng)方式下，這些按鈕點(diǎn)擊操作無效，僅用來顯示機(jī)旁按鈕的狀態(tài)。為了減少設(shè)備對話框的數(shù)量，同類設(shè)備公用一個(gè)對話框，設(shè)備切換時(shí)對話框中的按鈕和指示燈對應(yīng)的變量將重新賦值。在緊急狀態(tài)下，可以點(diǎn)擊畫面上的急停按鈕，立即停止輸送設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)關(guān)閉收糧和倉下發(fā)糧閘門，防止糧食溢出到設(shè)備外。
監(jiān)控軟件運(yùn)行時(shí)會(huì)向PLC發(fā)送操作方式、輸送路徑、啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位信號，從而影響PLC程序的運(yùn)行，改變生產(chǎn)流程。在PLC運(yùn)行時(shí)，退出監(jiān)控軟件或切斷上位機(jī)與PLC的通訊不影響PLC中程序的正常運(yùn)行。
3.2 控制策略
根據(jù)該糧食物流的工藝要求，對輸送過程的監(jiān)控分10種方式:卸火車入(筒/星)倉、卸汽車入(筒/星)倉、出倉裝船、出倉裝汽車、卸火車裝船、卸汽車裝船、卸火車裝汽車、倒倉、集中手動(dòng)、機(jī)旁手動(dòng)。前八種監(jiān)控方式均為自動(dòng)，即選定路徑上設(shè)備的啟動(dòng)、停止，閥門的開、閉均可以自動(dòng)完成。正如控制系統(tǒng)的目的就是實(shí)現(xiàn)糧食的入倉、倒倉、出倉的全過程自動(dòng)化，并可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。在這一過程中，為了減小啟動(dòng)設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊，防止因同時(shí)啟動(dòng)多臺設(shè)備導(dǎo)致變壓器過載跳閘，為了防止在物料輸送過程中發(fā)生堵料、重載停車和堵料等事故。要求流程最基本的控制方式:啟動(dòng)時(shí)逆料流順序啟動(dòng);流程停止時(shí)順料流順序停止;當(dāng)流程運(yùn)行過程中，如果流程內(nèi)某一設(shè)備出現(xiàn)故障，那么流程上游設(shè)備應(yīng)該緊急停止，下游設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，以免發(fā)生物料的堵塞，從而造成糧食的撒漏或設(shè)備的損壞;當(dāng)故障排除后，再按照逆料流的順序依次啟動(dòng)流程內(nèi)的設(shè)備。選擇集中手動(dòng)方式后，在中央控制室中操作員通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的按鈕即可完成設(shè)備的啟停，閥門的開閉。為了單臺設(shè)備調(diào)試方便，要求設(shè)置機(jī)旁操作箱，在設(shè)備旁可以對設(shè)備設(shè)備進(jìn)行控制。機(jī)旁手動(dòng)時(shí)，要求解除各設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系，任何設(shè)備的動(dòng)作不依賴其它設(shè)備的狀態(tài)或動(dòng)作(輸送機(jī)和輸送機(jī)風(fēng)機(jī)除外)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地控制。
由于物料在輸送過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，為防止粉塵引發(fā)安全事故，在大型設(shè)備的兩兩連接處還安裝了除塵器。要求在流程啟動(dòng)前5min啟動(dòng)除塵器，流程設(shè)備停止后除塵器接著運(yùn)行5min。如果在流程啟動(dòng)或者運(yùn)行中除塵器發(fā)生故障，那么要求除塵器所關(guān)聯(lián)的設(shè)備要立刻停止，并且由此引發(fā)該設(shè)備上游設(shè)備立刻停止。除塵器在控制上的特點(diǎn)是每個(gè)除塵器的啟動(dòng)和停止都可以用唯一一個(gè)大型設(shè)備的運(yùn)行(選中狀態(tài))來選擇運(yùn)行。
所需要控制的閘閥包括三通閘(TW)、開關(guān)閥(AG)、和與除塵系統(tǒng)相關(guān)的氣動(dòng)、電動(dòng)閥門。閘閥控制上的特點(diǎn)是可由上下游兩個(gè)大型設(shè)備或除塵器就可以確定閘閥的開啟或關(guān)閉方向。
4 結(jié)束語
ControlLogix系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu), 通過背板實(shí)現(xiàn)模塊間信息的高速傳送;帶控制器模塊的系統(tǒng)，作為先進(jìn)的控制平臺不僅具有先進(jìn)的通訊能力和最新的I/O技術(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供了靈活的、方便的應(yīng)用。本文介紹的ControlLogix系統(tǒng)強(qiáng)大功能中的一部分(順序控制)，同時(shí)該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)控制等方面也具有卓越的功能。
該糧食控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件及主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，都實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，提高了生產(chǎn)效率。在自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循了以下原則:系統(tǒng)運(yùn)行高效、可靠，軟件操作容易、維護(hù)簡單，設(shè)備檢修快捷，系統(tǒng)擴(kuò)展方便、性價(jià)比最優(yōu)。
：鞏經(jīng)理
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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