1、国家职业资格全国统一鉴定维修电工高级技师论文（国家职业资格一级）论文题目: 工业自动化系统在油脂精炼厂的应用 姓 名： 倪科敏 身份证号： 422103198309231212 准考证号： 所在省市： 山东省日照市 所在单位：日照市弘泰安全技术服务有限公司 金蓝领维修电工高级技师论文1工业自动化系统在油脂精炼厂的应用姓名：倪科敏单位：日照市弘泰安全技术服务有限公司摘要：本文介绍了工业自动化控制系统在我公司 1000t/d 的大豆油精炼厂电气自动化控制系统上的应用，通过对大豆油精炼工艺流程及附属配套系统的简单介绍来对我公司电气控制系统体系结构、硬件设计、下位机程序设计和上位机监控组态界面的设计做
2、一个详细的说明。关键字：大豆油精炼 PLC InTouch EMC 工业以太网随着我国近年来粮油工业的飞速发展，自动化程度在粮油工业生产中要求越来越高，手动、半自动控制已退出历史的舞台。我公司采用了全自动化系统控制生产，将工业自动化技术应用其中，以西门子 PLC 作为自动化控制系统核心，InTouch10.0 和 Wincc6.0 作为上位机操作界面，取代了传统的继电器控制和人工现场手动操作。通过利用 PROFIBUS 现场总线和工业以太网组成的工业自动化网络系统，实现数据高速、可靠的双向传输。下面详细介绍工业自动化技术在我公司 1000t/d 的大豆油精炼厂上的应用。1、 工艺流程及附属工程
3、：大豆油精炼线是将毛油通过中和脱酸脱碱、脱色、 、脱臭、公用工程等主要工序炼成可以食用的成品油，附属的配套设施有污水处理工程及油脂发放工程，污水处理工段是将油脂精炼线上产生的工业废水以及公司的生活废水通过曝气、沉降分离等流程转换成符合排放标准的水进行排放。油脂发放工程是接收汽车运输过来的毛油和发放通过精炼生产出来的成品油。全厂用到的主要电气设备有冷冻机、空压机、高压锅炉、泵、控制阀、流量计、传感器、雷达、变送器等。 2、 电气控制系统结构：精炼生产线整个电气控制系统是由现场电气设备、MCC（电机控制中心） 、下位机 PLC 控制层和上位机管理操作层组成。现场电气设备到 MCC线路连接采用强弱电
4、严格隔离，动力电缆和控制电缆分桥架分管敷设。金蓝领维修电工高级技师论文2MCC 采用目前比较先进的抽屉式开关柜，现场每个电机都具有其独立的控制单元，可以进行远程控制及由 PLC 进行控制，也可以在本抽屉上进行就地控制。远程控制通过三个中间继电器让 PLC 实现远程控制，分别为启动中继、停止中继和故障中继，运行状态通过接触器上的一套辅助无源触点直接引至 PLC 的 DI 模块。整个 MCC 系统具有较高的可靠性、安全性和互换性。现场控制仪表通过屏蔽电缆分管走弱点桥架接入 PLC 柜。下位机PLC 控制层由 CPU，通讯模块和 I/O 模块组成，PLC 采用西门子的 S7-400系列。上位机管理层
5、由两个功能完全相同的操作站构成，上面装有InTouch10.0 监控组态软件及用它们语言编制的应用软件。操作人员可在控制室内实现对整个大豆油精炼系统的启/停控制、设备运行监视、异常报警、历史曲线、报表查询和打印功能。两个操作站和 PLC 的连接方式采用最通用的工业以太网，通过 TCP/IP 协议进行通讯，整个系统具有高可靠性和优良的扩展性，在各个层次上用户可以自由扩展，上层可随意增加操作站，下层可以继续加 ET200M 分站，是一个典型的 DCS（集散控制系统） 。 整个控制系统拓扑结构如图 1 所示：图 1 大豆油精炼线控制系统拓扑结构附属的污水处理工程和油脂发放工程电气控制系统与精炼线相仿
6、，电机控制单元同样采用抽屉式开关柜，PLC 进行远程控制着各个电机单元。污水处理工程和油脂发放工程 PLC 控制系统都采用的西门子 S7-300 系列，金蓝领维修电工高级技师论文3扩展模块采用 IM365，上位机监控软件都采用的是 Wincc6.0 组态软件，操作站与 PLC 通过 CP343-1 工业以太网连接 。在油脂发放工程里面，我们在每个油罐装有一条测温电缆，每根测温电缆上带有 15 个测温点，而油罐数量较多，如果直接传输到 PLC 里面将需要大量的模拟量输入模块，而且加大了程序的编写量，为了方便有效的检测到每个点的油脂温度情况，通过 Modbus 通讯协议让上位机采集每一个测温点的信
7、号，此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言,通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准，有了它我们可以将各个罐内的测温电缆和 PLC 连成工业网络，进行集中监控。3、 EMC 电磁兼容的应用由于整个生产线控制系统模拟量占有相当大的比重，如：控制阀的开度，各个工序油的温度和流量，各条管线的压力，大功率电机的电流，雷达液位等等，而且要求模拟量信号能准确无误的传递给操作者进行指导生产和保护好设备。然而实际生产现场的干扰源可以说很多，有来自工作电源的谐波干扰，变
8、频器产生的谐波和电磁干扰，大功率电机产生的电磁干扰，导线互感产生的干扰等，模拟量传输的 420mA 信号很容易被干扰。为了减少干扰，我们采取了一系列的电磁兼容技术，首先 PLC柜电源经过电容柜和电抗器消谐滤波确保了电源的质量。其次现场所有电气仪表采用屏蔽电缆，与动力电缆桥架分开敷设单独穿管，就连仪表采用的 24V 电源线都与信号传输线分别穿管，分别敷设，同时所有电缆的屏蔽线独立接地与 PLC 接地线严格分开，柜体接地线也独立开来。最后还在数字量输出端增加 0.1A 的熔断器，以防止数字量输出所接继电器、接触器动作产生的高频杂波进入 PLC 模块，在模拟量输入和输出端都加设 0.1A 的熔断器防
9、止现场误接线导致高的短路电流进入 PLC 模块烧毁通道或者模块。同时容易产生谐波和电磁干扰的变频器我们采用目前较为先进的 ABB ACS800 系列带电抗器的变频器。通过 EMC 技术的使用确保了生产过程中信号传输的可靠性同时也给现场电气仪表和 PLC 模块增加了一道“防火墙” 。4、 PLC 控制系统的应用金蓝领维修电工高级技师论文4作为控制系统核心的 PLC，油脂精炼线 CPU 采用 4122DP 作为PROFIBUS 现场总线主站，下面连接 4 个 I/O 从站 ET200M，通讯模块采用CP443-1 实现与上位机进行工业以太网连接。PROFIBUSDP 总线是一种全分布式现场总线型现
10、场控制网络，它通过 ET200 分布式输入输出系统与现场设备之间实现双向串行多节点数字通信。单个分散的现场设备通过PROFIBUS 总线连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统和控制系统，形成控制功能彻底下放到现场的全分布网络集成式新型控制系统，它大大简化了现场布线并节省了安装费用。由于油脂生产线各种罐较多，为了精确掌握每个罐内液体实时容量，我们在每个罐上装设了 E+H公司生产的导波雷达液位计，并通过 HARD 模板接入 PLC 系统，这些液位计通过 HARD 协议进行接收和传送数据。HARD 协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通讯协议。 HART 装置提供具有相对低的带宽
11、，适度响应时间的通信，采用基于 Bell202 标准的 FSK 频移键控信号，在低频的 4-20mA 模拟信号上叠加幅度为 0.5mA 的音频数字信号进行双向数字通讯，HARD 协议已成为全球智能仪表的工业标准。硬件配置如图 2 所示：图 2 PLC 硬件配置系统程序利用西门子 STEP7 编程软件编辑，采用通俗易懂的 LAD(梯形图)编程语言，为加强程序易读性、可移植性、易维护性，采用结构化金蓝领维修电工高级技师论文5编程，对各段工序和各个逻辑单元应用不同的控制功能块来实现。如现场电机、阀门和需要进行闭环控制 PID 调节的功能单元比较多，通过编写电机控制功能 FC100、阀门控制功能 FC
12、101 和系统自带的功能块 FB41，然后在各段工序和逻辑单元的 FC（功能）里面调用这些模块同时将这些逻辑块 FC 和 FB 的数据存放在 DB（数据块）里面，最后在 OB1（循环组织块）里面依次调用这些逻辑块 FC 和 FB，这样就完成了整个系统的大体逻辑控制。系统程序除了编写了主程序循环模块 OB1 外，还编写了 OB35（循环中断组织块）来用以编辑生产中各部分流量累计和 OB80OB87（异步故障中断组织块） 、OB88（处理中断组织块） 、OB121 和 OB122（同步错误中断组织块）用以防止 PLC 系统出现错误时 CPU 不至于立即停机而去执行相应的组织块，技术人员可以在 CP
13、U 诊断中找出错误原因。污水工程和油脂发放工程 CPU 分别采用 314 和 315-2DP，污水工程扩展机架通过 IM365 与主机架连接而油脂发放工程由于控制点较少无需扩展模块，通讯模块都采用 CP343-1 以太网通讯。5、 上位机监控组态软件的应用油脂精炼线上位机监控组态软件采用 InTouch10.0 组态软件，它是由美国 Wonderware 公司推出，是世界上最早推出组态软件的公司也是最早进入我国的人机界面（HMI）设计软件。InTouch 包含三个主要程序，它们分别是 InTouch 应 用 程 序 管 理 器 、 WindowMaker 和WindowView。 InTouc
14、h 应 用 程 序 管 理 器 用 以 配 置 监 控 界 面 的 动 态 分 辨率 转 换 同 时 DBDump、 DBLoad 数 据 库 实 用 程 序 也 是 从 应 用 程 序 管 理 器启 动 。 WindowMaker 是 一 种 开 发 环 境 ， 用 以 编 辑 监 控 界 面 ， 界 面 里 面 的每 一 个 图 形 元 素 也 代 表 着 现 场 的 每 一 个 设 备 和 管 线 ， WindowMaker 通过 InTouch 自带的 System Management Console（系统管理控制台）采集PLC 程序里面的变量，并将这些变量配置给对应图形元素的触 控
15、 式 显 示 窗口 。 WindowView 是 一 种 运 行 环 境 ， 用 于 显 示 在 WindowMaker 中 创 建的 图 形 窗 口 ， 可 以 执 行 InTouch QuickScript、 执 行 历 史 数 据 记 录 与报 告 、 处 理 报 警 记 录 与 报 告 、 生 成 生 产 日 报 ， 并 同 时 可 以 充 当 DDE 与 SuiteLink 通 讯 协 议 的 客 户 端 和 服 务 器 ， 这 样 操 作 者 通 过 监 控 工 控机 里 面 运 行 的 WindowView 来 实 现 对 整 个 生 产 线 每 一 个 设 备 的 控 制 和工
16、 艺 过 程 参 数 的 实 时 监 视 。 大 豆 油 精 炼 线 使 用 InTouch 软件组态的中金蓝领维修电工高级技师论文6和工段监控画面如图 3 所示。图 3 中和工段监控画面污水工程和油脂发放工程上位机监控软件都是采用西门子公司的Wincc6.0 软件，监控着设备的启停和运行状况和故障报警记录，实时采集着各个工艺数据，自动生成我们所需要的日报表。Wincc 作为一个监控组态软件具有强大功能以及高度开放性，可使用户设计出界面良好的、功能完善的监控系统；且由于它能在 Windows 标准环境下利用各 Windows 的便利功能，可大为缩短开发生成过程软件包的时间。W incc软件主要
17、包括数据采集和数据管理 2 个基本功能。数 据 采 集 是 指 从 现 场 采 集 数 据 并 进行 相 应 处 理 ， 采集主要由作为现场控制站的 PLC 完成。数据管理是把从现场得到的数据进行处理后并把它送到服务器的数据库以及由数据库访问函数读取数据然后再送到应用中去。6、 展望随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。我公司油脂生产线和附属工程当时由不同施工方进行金蓝领维修电工高级技师论文7施工，生产线和附属的污水处理工程及油
18、脂发放工程的自动控制系统彼此独立，在不久的将来我们准备将这三个工段进行集中起来管理和控制。目前这三个工段 PLC 与上位机都是通过以太网连接的，而且都是采用 S7 系列 PLC 这为集中控制做下了很好的基础，只需统一上位机监控组态软件在同一个工业以太网络里面即可，我们可以利用西门子工业以太网 SMATIC NET 将操作员站、工程师站和下位机 PLC 通过 TCP/IP 协议连接起来进行高速传输，SIMATIC NET 工业以太网符合 IEEE 802.3 标准并提供10Mbit/s 以及 100Mbit/s 快速以太网技术。而且每个工段能够进行数据相互读写，通过调用功能 FC5“AG_SEN
19、D”和 FC6“AG_RECV”，这样三个原来彼此分离的自动控制系统，能够进行高速可靠地相互通讯，从而实现了从现场设备层到控制层再到综合管理层集中获取数据、集中管理和集中控制的 DCS 控制系统。将三个控制室集中到一个控制室，原本至少需要三个操作人员可以减少到一至两个，不但节省了空间还减少了人力，最关健的是将原本各自独立的系统进行统一起来提高了整个系统的高可靠性、开放性、灵活性、易于维护和协调性。7、 结语我公司大豆油精炼厂电气控制系统采用现代工业自动化系统，不仅保障了我公司生产的安全性、可靠性而且减轻工人劳动强度，降低企业生产成本，减少对环境的污染，提高产品的质量及经济效益，目前虽然整个系统还没有达到最理想的控制状态，但随着后续的改进和完善定会让我公司成为现代化生产型企业。参考文献：1 廖常初.S7-300/400PLC 应用技术 M.北京:机械工业出版社，20052 王守三.电磁兼容测试技术 M.北京:机械工业出版社，20103 朱文杰.S7-300/400PLC 编程设计与案例分析 M.北京:机械工业出版社，20104 InTouch 用户指南 Z.Wonderware 公司，20065 崔坚.西门子工业网络通讯指南 M.北京:机械工业出版社，2005金蓝领维修电工高级技师论文8
