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计算机与 PLC 集成控制系统在石化行业的应用
陈 勇 张华平 赵显红
摘 要：计算机与 PLC 集成控制系统的基本组成、功能、系统软硬件设计与 通信技术以及该系统在石化行业的应用。关键词：计算机 PLC 可编程序控制器 控制系统 通信技术 关键词 近年来，国际市场上石化产品的竞争日趋激烈。与国外同类产品相比，我国 的石化产品无论在生产工艺上，还是产品质量上，都存在着相当大的差距。为改 变我国石化产品发展严重滞后的局面，国内石化行业的许多厂家已开始向产品的 多样化、添加剂材料和配方的高科技化迈进。我们应有关厂家提出的技术要求，针对石化产品生产工艺复杂、添加剂配比要求严格、品种多样、互换性差的特点，开发研制了计算机与 PLC 集成控制系统。该系统控制可靠、操作简便、开放性强、性能价格比高，在国内石化系统的数家企业推广应用后，受到好评。1 系统组成计算机与 PLC 集成控制系统由生产系统和非生产系统二部分组成(如图 1)。生产系统主要由微型机、适配器、PLC、执行机构及现场仪表等部分组成。非生 产系统主要由工艺流程模拟显示屏、电视监视设备、现场通话设备、质量检查系 统、管理信息系统等部分组成。中央控制室负责处理来自生产系统和非生产系统 的大量信息。通过计算机与 PLC 集成控制系统，将润滑油厂的各生产车间、附属 部门以及总厂厂部联成了密不可分的整体，从而最大限度地利用了信息资源。
图1 计算机集成控制系统的组成 2 系统功能
为满足用户提出的技术要求和现场的工况，此控制系统的设计具有以下功 能： 1.根据用户提出的技术要求，按照添加剂配方的比例精确地配制生产各种型 号的石化产品，并且通过微型机和现场 PLC 控制系统实现整个生产过程的自动 化。2.通过自行开发的计算机软件，实现生产现场的动态监控。良好的人机界面、清晰的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕，对于现场的各种工况变化一目 了然。3.在现场生产中，为提高整个控制系统的精确性，在搅拌器、电动机、电动 阀、电磁阀等设备上均设计了局部反馈功能，这些相互独立系统的局部反馈功能 构成了对总系统反馈控制的有力支持。4.当系统出现压力报警或油面报警时，一方面通过 PLC 程序实现自动停车，另一方面借助于语音卡，在控制间的操作人员可以立即听到报警信号，及时采取 相应措施。5.考虑到生产现场某些部位属于高温、有害气体残留处，技术人员不宜靠近，在现场设置了电视监视设备，让技术人员实现远程监控。为便于管理，还安装了 现场通话设备。6.在中央控制室设置了 1 个大屏幕模拟显示屏，在屏幕上不仅可以显示总厂 所有管道线路，而且能够动态显示油的液位、流向，让高层管理人员从宏观上掌 握全厂的生产状况。7.通过微机联网，质量检查部门可以直接得到工业现场的信息，各管理部门 之间也可以实现数据通信与数据共享。硬件与软件设计
3.1 硬件设计 在本系统中，工业现场控制是核心，而工业现场控制主要由 PLC 系统完成，所以如何合理有效地使用 PLC 技术就成了设计的关键。PLC 的特点是控制可靠，编程简单，但程序内存不大，不能进行复杂的编程；而石化产品的特点是生产工 艺复杂，产品型号繁多，往往 1 条生产线就能够生产几十种型号的产品。这就形 成了一对矛盾。如果设计时采用常规的 PLC 控制系统，那么 1 条生产线就需要 20 几台 PLC 基本模块和 A/D 转换模块。投资巨大，而且按照现代控制理论，在 1 个控制系统中配置的控制模块越多，控制越不可靠。为了减少投资和增强控制的 可靠性，在 PLC 控制系统的硬件配置上进行了多项创新。以润滑油生产线为例，在润滑油生产车间，有搅拌温度、添加剂温度、输油 泵压力、油罐的液面等共计 32 路模拟信号需要检测。如果按常规设计，需要 8 块 FX-4AD 模块。为减少投资，设计了多路开关切换电路，只用 2 块 FX-4AD 模块 就完成了全部功能。图 2 为 FX-4AD 模块的多路开关切换示意图。
图2 FX-4AD 模块的多路开关切换示意图
图 2 中，FX-4AD 模块为 12 位 4 通道模拟量输入模块，Y0、Y1、Y2、Y3 为 PLC 的任意输出触点。FX-4AD 模块的多路开关切换电路的设计实质上是通过 1 个多路开关控制 FX-4AD 模块分别去完成搅拌温度检测、添加剂温度检测、输油 泵压力检测及油罐液面检测 4 项功能，其中多路开关的 4 个转换触点接 PLC 的输
出触点，由 PLC 编程控制。这个多路开关切换电路简单实用，而且节省了大量投 资，实践证明，该电路在控制精度上完全满足用户的需要。软件设计 在计算机与 PLC 集成控制系统的软件设计中，也采用了许多新的设计思想。仍以润滑油生产车间为例，按照用户提出的 72 种润滑油的生产工艺和技术 要求，如果用常规方法编程，需要 12 台 PLC 基本模块。为节约投资，我们充分 利用 PLC 的文件寄存器(2000 点)，用逐项查表的方法编写了 1 个 72 种润滑油的 通用程序，用 1 台 PLC 基本模块带 2 台 PLC 扩展模块的方式完成了过去需要 12 台 PLC 才能实现的功能。我们选用了三菱公司生产的 FX 系列的可编程序控制器，文件寄存器共计 2 000 点(D1000～D2999)。为节约程序内存，充分利用 PLC 本身提供的指令资源，我们选用了字传送方式，用 1 个 16bit 的字来控制 PLC 触点的 16 个输出触点，而不必像过去那样，1 条指令只能控制 1 个输出触点。例如在图 3 中，首先 X0 导通，十进制数 K6 送入数据寄存器 D0，接着 X1 导通，数据寄存器 D0 的数值 K6 转化为二进制数“0000 0000 0000 0110”送入 K4Y0，控制输出 Y0～Y17 共 计 16 个触点的动作，其开关动作和数据寄存器 D0 的数值 K6 一一对应。如图 4 所示，“1”控制输出触点导通，“0”控制输出触点关断。在此例中，Y1、Y2 触点导通，其余输出触点关断。3.2 图3 字传送方式控制输出触点示意图
图4 数据寄存器 DO 的值与 16 个触点的对应关系
通过字传送方式，我们用 1 条指令就可控制 16 个电动阀及输油泵的动作，大大节省了程序空间。在这种设计思想下，我们把 72 种润滑油的工艺流程全部 用字方式编写，然后输入文件寄存器，并在此基础上，编制了 72 种润滑油的通 用程序。在通用程序运行时，根据某一润滑油的型号，通过查表的方式，在文件 寄存器中调出对应的数据段(这些数据段也就是该种润滑油的工艺流程)，然后该 数据自动输入 PLC 的控制程序，使得 PLC 按照规定的工艺流程控制整个执行机构 工作。如图 5 所示之例，润滑油品种 LSO-1 的工艺状态字存于文件寄存器 D1050～ D1060 10 个字节中。程序运行时，首先根据润滑油型号在文件寄存器中寻址，查到正确的地址后，调出 D1050～D1060 10 个字节的数据，然后输入到通用程序 的相应寄存器，参与工业控制。
图5 文件寄存器示意图计算机与 PLC 的通信技术
在计算机与 PLC 集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与 PLC 的通 信。若在整个系统设计中全部采用进口器件，软件也选用相应的进口产品，那么，整个工程造价惊人。针对这种情况，我们自行开发了计算机与 PLC 的串行通信技 术。该技术设计思想先进，软硬件简单实用，可靠性高，性能价格比好，兼容性 强，可适用于市场上多种型号的计算机与 PLC。从硬件上讲，现在中国市场上使用的 PLC，在通信接口上多采用 RS422 接口 或 RS485 接口；而微型机多采用 RS232 接口。这样在计算机与 PLC 通信时就不可 避免地要选用 RS422-RS232 转换模块，同时考虑到恶劣工况下的抗干扰要求，这 个转换模块必须具有良好的隔离功能和放大功能，而选用高性能进口模块，必定 提高工程造价。针对这种情况，为降低工程造价，我们在硬件上用 1 根普通的通信电缆代替 进口的通信模块，在电缆的接口处采用先进的电路设计技术和单片机技术，以完 成信号的隔离和放大功能。实践证明，通信的可靠性完全可以和国外的进口模块 媲美，而且造价极低。从软件上讲，计算机和 PLC 的通信技术属于保密技术，长期为国外公司垄断。这就使得我们只要选用了该厂家生产的 PLC，就必须选用它开发的工控软件，提 高工程造价。针对这种情况，我们开发了自己的工控软件。下面以三菱公司生产 的 FX 系列可编程序控制器为例，介绍我们的软件设计。FX 系列可编程序控制器 命令格式如表 1 所示。表1 FX 系列可编程序控制器的命令格式 命令 命令号 日标设备 功 能 设备读 命令‘0’ X/Y/M/S/T/C/D 读位设备或字设备状态 设备写 命令‘1’ X/Y/M/S/T/C/D 强制开 命令‘7’ X/Y/M/S/T/C 强制关 命令‘8’ X/Y/M/S/T/C 写位设备或字设备 打开位设备 关闭位设备
每一个字符都以 ASCII 码形式串行传输，传输格式如图 6。
图6 字符传输格式
例如，字符‘F’(ASCII 码是 46H)的传输格式如图 7。
图7 字符“F”的传输格式
一般文本数据的传输格式如图 8。
图8 文件数据传输格式
图 8 中，STX 为文本的开始，其 ASCII 码定为 02H；ETX 为文本的结束，其 ASCII 码定为 03H；CMD 为命令字符，取‘0’、‘1’、‘7’、‘8’。在 STX 之后，被传送数据的 ASCII 之和，也被作为 2 个字符码发送。例如，实现从地址 10F6(10F6 为寄存器 D123 的地址)处读取 4 个字节数据，执行传输格式如图 9。求和： 30H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+03H ＝74H 图9 传输格式之例
通过改变命令号和地址号，就可以实现计算机与 PLC 之间的读、写、强制开 关等基本功能，用户可以使用我们研制的通信软件，也可以在该软件基础上，根 据实际情况灵活地用 C 语言开发自己的通信程序，这正体现了该软件的开放性特 点。5 结束语
计算机集成控制系统采用了先进的系统集成的设计思想，投入运行后，为企 业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在 PLC 控制方面，独树一帜，以其卓越的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的 广泛赞誉。
作者单位：机械部洛阳拖拉机研究所计算机室(471039)参考文献 1 2 赵海.现场总线网络控制系统与领域自动化.微计算机信息，1996；15(1)李瑜详.微机数据通信技术.上海：上海科学技术文献出版社，1992
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