基于DCS的自动配料监控系统设计与应用
摘 要：精细化工的自动配料监控系统，采用DCS集散控制方式分析监控系统的结构和功能，研究其控制过程，实现人机对话自动控制、集中管理、实时记录、显示与报警等功能。
关键词：自动配料；监控系统；控制过程；人机界面
0 引言
在精细化工生产工艺中，自动配料系统是一道非常重要的工序，它由前、后配料两个子系统组成。前配料系统在总控微机系统的控制下，将五钠、芒硝、纯碱等固体原料与烧碱、磺酸、泡花碱、水等液体原料在配料锅里搅拌后形成料浆。料浆经老化、暂存后被高压泵打人喷粉塔内，由热风干燥后形成基粉。前配料系统主要完成主料和各种配料的称重、配比。后配料系统将前配料系统形成的基粉通过电子皮带秤和传送带送人预混器，与泵人的香精、非离子等原料混合后，由传送带送人成品仓。后配料系统实现了对输送物料流量的计量。自动配料系统采用DCS集散控制方式，选用西门子S7—300 PLC构成数据采集控制系统，模块化设计，经济实用。人机界面监控软件采用国内工控领域头牌组态软件“组态王”，具有开放性好、便于用户维护和二次开发的优点。系统所有过程控制数据及设备运行状态可集中管理、实时记录，随时打印和查阅。
1 监控系统的结构与功能
自动配料监控系统由计算机、机柜和外围设备（前配料秤、后配料秤、料位机）组成。
1．1 监控系统的结构
自动配料监控系统由两台计算机作为整个系统的人机界面。其中一台为主站，完成全部系统参数设定、过程监控、数据记录；另一台作为从站，以主站为依托，主管后配料系统的数据设定、过程监控。主站直接同西门子S7—300 PLC系统、前配料秤自动控制仪表和后配料秤相通信。图l为前配料系统监测控制框图，图2为后配料系统监测控制框图。
前配料监控系统现场采用密封型接线盒，防尘、防潮，可确保信号传输可靠。前配料秤仪表采用专用工业过程控制仪，通过RS一485总线与中控室实现通信，既可独立控制，又可实现PLC联机控制。各阀位及卸料器位置信号检测采用霍尔传感器，具有无触点、抗干扰、抗粉尘、耐潮湿的特点。料仓仓位采用重锤式料位计，可实现连续仓位检测。后配料监控系统主秤采用高精度配料皮带秤，附料采用减量秤（失重秤），非离子泵、香精泵、流量检测采用间接方式，即通过压力变送器实时检测管道压力，由压力变化判断出料口、进料口是否堵塞。
1.2 监控系统的功能
监控系统具有人机交互、通讯、显示及存储、打印等功能，并具有数据、图形显示，状态监控、数据输入、信息存储等各种有关操作的功能画面。系统可实现实时过程数据监视、模拟显示工艺流程、实时数据记录查阅、系统操作员权限设定、工艺参数设定、设置运行过程事件报警及手动与自动控制切换。监控系统中现场控制仪表实时显示流量、载荷、累计值、温度等。温度指示通过现场温度显示仪表、压力指示通过现场压力显示仪表及电机的电流经现场显示仪表远传至中控室集中显示。变频器调节配备自动切换开关，与主控计算机通讯。
2 监控系统控制过程
2．1 前配料监控系统的控制过程
2．1．1 自动称料
自动称料控制单元主要为l0台称重控制仪表，PLC作为辅助控制系统，计算机人机界面显示配比参数（配方）及监控记录实时数据。在自动控制方式下，单击前配工艺画面中自动配料“启动”按钮，或前配控制柜“启动”按钮，称重控制仪表就按设定好的配方打开10台秤的称料阀。如果系统检测到某台秤配料阀未关，会发生报警并进入暂停状态。每台秤根据称料快慢设有提前量，当控制仪表检测到秤称料重量达到设定值时，会减去提前量，控制仪表则关闭进料阀。提前量可人为修正或自动修正，使控制仪表控制配料秤每次配料精度达到设定的目标值。
2．1．2 自动配料
自动配料是将已经称好的原料按一定的顺序投放到搅拌锅中，同时开启搅拌和加热。这一控制过程由温控仪表与PLC共同完成。温控仪表控制温度上限，加热由PLC控制完成。自动配料有固定顺序和可编程序两种控制方式。在固定顺序方式下，各种原料的放料顺序是固定的，不可改变。在可编程序方式下，各种原料的放料顺序可根据配方在人机界面上人为没定。
2．2 后配料监控系统的控制过程
后配料控制以基粉秤的流量检测为基础。控制主机通过RS一485通讯方式检测到基粉秤的流量，并根据配比值给出香精泵、非离子泵的控制电流。PLC输出4～20mA控制香精泵、非离子泵变频器，使香精和非离子的出料苗随基粉秤的流量变化，香精泵和非离子泵配比控制为PID调节控制。失重秤和辅料秤的流量通过RS一485通讯采集到控制主机。主机根据工艺要求配比，计算出相应的跟踪流量传给PLC。PLC给出4-20mA控制电流，控制失重秤、辅料秤的变频器，使相应的配料流量控制在跟踪流最范围。预混器、输送皮带机、分配皮带机及除伞风机设有现场肩停按钮，经远程控制转换，连接到中控室，可通过唇配柜卜的启停按钮实现设备的启停控制，也可操纵人机界面后配工艺上的启停按钮．通过控制PLC实现启停。
2．3 监控系统报警控制过程
2．3．1 报警事件
自动称料开始时，如果某个放料阀未关，或系统检测不到放料阀关闭信号，系统会发出报警声响，暂停称重仪表的称料过程，并使运行指示灯闪烁。出现报警，自动放料不会进行，待消除故障或认为产生的报警原因不影响放料，按复位按钮后，再按“放料”按钮，则继续放料。
2．3．2 切换报警
自动放料开始时，系统首先检查每种原料切换是否到位，如果切换不到位或切换不一致，报警系统开始报警，自动放料就不能进行。通过检查，认为可以放料，按复位按钮后，再按“放料”按钮，则开始放料。
2．3.3 配料锅满报警
如果配料锅中已配原料浆未放出，仍往该锅放料，产生报警信号，自动放料就不能启动。待检查确认可以放料，按复位按钮，再按“放料”按钮，则开始进行自动放料。
2.3．4 急停
称料过程中，由于紧急情况需要停止称料，按下自锁“称料急停”按钮，各个秤的进料阀就全部关闭，停止称料。需要重新开始称料时，旋起“急停”按钮，再按“启动”按钮，则重新开始称料。自动放料时，按一下“放料急停”按钮，系统会关闭所有放料阀，停止放料、搅拌和输送。
3 系统人机界面
主站和从站的人机界面采用组态王组态软件加VB开发的通讯程序，由前配工艺、后配工艺、前配配方、参数设定、历史曲线及报警信息等组成。系统主菜单由一系列按钮组合而成（如图3所示）。当鼠标停留在菜单按钮上时，按钮凸起，单击不同的按钮可进入不同的画面。操作的功能画面主要有两类，一类是显示操作画面，即显示数据（显示方式为数字、曲线、历史趋势等）、供操作人员进行操作的功能软开关和软按钮等；另一类是工艺流程画面，显示设备的工艺布置、工艺流程及相应的检测数据。
3.1 前配工艺
前配工艺流程界面中可以实时显示前配料秤的瞬时流量、配方比例、称料配料状态、料位以及阀门关闭信号、锅的温度、电机电流等。在界面上还有其他一些操作，如自动／手动控制按钮、自动称料的单次和连续切换按钮、物料按钮及复位按钮等。
3．2 后配工艺
后配工艺流程界面可以实时显示基粉秤、辅料秤、失重秤的流量、累积值、重量，显示基粉秤的载荷、预混器电流、卸料器状态、非离子瞬时流量、香精瞬时流量等。在界面上还可以进行一些按钮控制操作，如失重秤的运行与停止、频率调节、手动与自动转换，以及几种物料的配比设定等。
3．3 其他人机界面
参数设定界面显示前配料秤的瞬时重量、物料的料位、前配料秤使用状态及各种物料的配料顺序。前配料配方界面是对前配料配方的一些管理，既可以选择已经设定好的任一种配方，也可修改已拟好的配方，或者新拟配方。报表界面可完成成型车间配料工序生产记录，包括各个班的前配报表和后配报表。前配报表记录每种物料秤的重量、时间、锅号，后配报表记录每个班生产的正品量和次品量、每天生产的正品总量和次品总量，并且通过时间框可任意随时查看每天3班的情况。从历史曲线界面上可查看前配料秤的瞬时重量。报警界面可以显示阀门关闭及下料超时、放料超时等报警信号。
4 结语
自动配料监控系统具有运行可靠、功能齐全、投资低、升级方便等特点，采用全汉化操作界面，在线组态，形象直观，易于操作。监控系统提供了较完善的系统运行信息和产品信息，为现场操作人员创造了高效率的工作环境，实现了较为先进的过程控制和管理技术水平，并减轻了系统维护的工作量。本系统投入运行以来，各项指标均满足技术要求，并极大地改善了操作员的劳动强度，明显地提高了生产效率
参考文献：
[l]古 鹏，田际平．分布式计算机实时监控系统【J】．计算机时代。2007（2）：46—47．
[2]徐淑萍，苏小惠．水泥厂DCS监控系统的设计与实现【J】．微计算机信息，2o05（1）：78—80．
[3]任永昌，王 昊，刘鸿沈．煤矿变电所数据自动采集与实时监控方法的研究【J】煤矿机械，2006（1）：84-86．
[4]包建华，丁启胜，张兴奎．工控组态软件MCGS及其应用【J】．工矿自动化．2007（3）：92-94．
[5]何熠，吴爱国．监控组态软件卖时数据库系统体系结构的研究【J】制造业自动化，2007（1）：81—83．
关键词：自动配料；监控系统；控制过程；人机界面
0 引言
在精细化工生产工艺中，自动配料系统是一道非常重要的工序，它由前、后配料两个子系统组成。前配料系统在总控微机系统的控制下，将五钠、芒硝、纯碱等固体原料与烧碱、磺酸、泡花碱、水等液体原料在配料锅里搅拌后形成料浆。料浆经老化、暂存后被高压泵打人喷粉塔内，由热风干燥后形成基粉。前配料系统主要完成主料和各种配料的称重、配比。后配料系统将前配料系统形成的基粉通过电子皮带秤和传送带送人预混器，与泵人的香精、非离子等原料混合后，由传送带送人成品仓。后配料系统实现了对输送物料流量的计量。自动配料系统采用DCS集散控制方式，选用西门子S7—300 PLC构成数据采集控制系统，模块化设计，经济实用。人机界面监控软件采用国内工控领域头牌组态软件“组态王”，具有开放性好、便于用户维护和二次开发的优点。系统所有过程控制数据及设备运行状态可集中管理、实时记录，随时打印和查阅。
1 监控系统的结构与功能
自动配料监控系统由计算机、机柜和外围设备（前配料秤、后配料秤、料位机）组成。
1．1 监控系统的结构
自动配料监控系统由两台计算机作为整个系统的人机界面。其中一台为主站，完成全部系统参数设定、过程监控、数据记录；另一台作为从站，以主站为依托，主管后配料系统的数据设定、过程监控。主站直接同西门子S7—300 PLC系统、前配料秤自动控制仪表和后配料秤相通信。图l为前配料系统监测控制框图，图2为后配料系统监测控制框图。
前配料监控系统现场采用密封型接线盒，防尘、防潮，可确保信号传输可靠。前配料秤仪表采用专用工业过程控制仪，通过RS一485总线与中控室实现通信，既可独立控制，又可实现PLC联机控制。各阀位及卸料器位置信号检测采用霍尔传感器，具有无触点、抗干扰、抗粉尘、耐潮湿的特点。料仓仓位采用重锤式料位计，可实现连续仓位检测。后配料监控系统主秤采用高精度配料皮带秤，附料采用减量秤（失重秤），非离子泵、香精泵、流量检测采用间接方式，即通过压力变送器实时检测管道压力，由压力变化判断出料口、进料口是否堵塞。
1.2 监控系统的功能
监控系统具有人机交互、通讯、显示及存储、打印等功能，并具有数据、图形显示，状态监控、数据输入、信息存储等各种有关操作的功能画面。系统可实现实时过程数据监视、模拟显示工艺流程、实时数据记录查阅、系统操作员权限设定、工艺参数设定、设置运行过程事件报警及手动与自动控制切换。监控系统中现场控制仪表实时显示流量、载荷、累计值、温度等。温度指示通过现场温度显示仪表、压力指示通过现场压力显示仪表及电机的电流经现场显示仪表远传至中控室集中显示。变频器调节配备自动切换开关，与主控计算机通讯。
2 监控系统控制过程
2．1 前配料监控系统的控制过程
2．1．1 自动称料
自动称料控制单元主要为l0台称重控制仪表，PLC作为辅助控制系统，计算机人机界面显示配比参数（配方）及监控记录实时数据。在自动控制方式下，单击前配工艺画面中自动配料“启动”按钮，或前配控制柜“启动”按钮，称重控制仪表就按设定好的配方打开10台秤的称料阀。如果系统检测到某台秤配料阀未关，会发生报警并进入暂停状态。每台秤根据称料快慢设有提前量，当控制仪表检测到秤称料重量达到设定值时，会减去提前量，控制仪表则关闭进料阀。提前量可人为修正或自动修正，使控制仪表控制配料秤每次配料精度达到设定的目标值。
2．1．2 自动配料
自动配料是将已经称好的原料按一定的顺序投放到搅拌锅中，同时开启搅拌和加热。这一控制过程由温控仪表与PLC共同完成。温控仪表控制温度上限，加热由PLC控制完成。自动配料有固定顺序和可编程序两种控制方式。在固定顺序方式下，各种原料的放料顺序是固定的，不可改变。在可编程序方式下，各种原料的放料顺序可根据配方在人机界面上人为没定。
2．2 后配料监控系统的控制过程
后配料控制以基粉秤的流量检测为基础。控制主机通过RS一485通讯方式检测到基粉秤的流量，并根据配比值给出香精泵、非离子泵的控制电流。PLC输出4～20mA控制香精泵、非离子泵变频器，使香精和非离子的出料苗随基粉秤的流量变化，香精泵和非离子泵配比控制为PID调节控制。失重秤和辅料秤的流量通过RS一485通讯采集到控制主机。主机根据工艺要求配比，计算出相应的跟踪流量传给PLC。PLC给出4-20mA控制电流，控制失重秤、辅料秤的变频器，使相应的配料流量控制在跟踪流最范围。预混器、输送皮带机、分配皮带机及除伞风机设有现场肩停按钮，经远程控制转换，连接到中控室，可通过唇配柜卜的启停按钮实现设备的启停控制，也可操纵人机界面后配工艺上的启停按钮．通过控制PLC实现启停。
2．3 监控系统报警控制过程
2．3．1 报警事件
自动称料开始时，如果某个放料阀未关，或系统检测不到放料阀关闭信号，系统会发出报警声响，暂停称重仪表的称料过程，并使运行指示灯闪烁。出现报警，自动放料不会进行，待消除故障或认为产生的报警原因不影响放料，按复位按钮后，再按“放料”按钮，则继续放料。
2．3．2 切换报警
自动放料开始时，系统首先检查每种原料切换是否到位，如果切换不到位或切换不一致，报警系统开始报警，自动放料就不能进行。通过检查，认为可以放料，按复位按钮后，再按“放料”按钮，则开始放料。
2．3.3 配料锅满报警
如果配料锅中已配原料浆未放出，仍往该锅放料，产生报警信号，自动放料就不能启动。待检查确认可以放料，按复位按钮，再按“放料”按钮，则开始进行自动放料。
2.3．4 急停
称料过程中，由于紧急情况需要停止称料，按下自锁“称料急停”按钮，各个秤的进料阀就全部关闭，停止称料。需要重新开始称料时，旋起“急停”按钮，再按“启动”按钮，则重新开始称料。自动放料时，按一下“放料急停”按钮，系统会关闭所有放料阀，停止放料、搅拌和输送。
3 系统人机界面
主站和从站的人机界面采用组态王组态软件加VB开发的通讯程序，由前配工艺、后配工艺、前配配方、参数设定、历史曲线及报警信息等组成。系统主菜单由一系列按钮组合而成（如图3所示）。当鼠标停留在菜单按钮上时，按钮凸起，单击不同的按钮可进入不同的画面。操作的功能画面主要有两类，一类是显示操作画面，即显示数据（显示方式为数字、曲线、历史趋势等）、供操作人员进行操作的功能软开关和软按钮等；另一类是工艺流程画面，显示设备的工艺布置、工艺流程及相应的检测数据。
3.1 前配工艺
前配工艺流程界面中可以实时显示前配料秤的瞬时流量、配方比例、称料配料状态、料位以及阀门关闭信号、锅的温度、电机电流等。在界面上还有其他一些操作，如自动／手动控制按钮、自动称料的单次和连续切换按钮、物料按钮及复位按钮等。
3．2 后配工艺
后配工艺流程界面可以实时显示基粉秤、辅料秤、失重秤的流量、累积值、重量，显示基粉秤的载荷、预混器电流、卸料器状态、非离子瞬时流量、香精瞬时流量等。在界面上还可以进行一些按钮控制操作，如失重秤的运行与停止、频率调节、手动与自动转换，以及几种物料的配比设定等。
3．3 其他人机界面
参数设定界面显示前配料秤的瞬时重量、物料的料位、前配料秤使用状态及各种物料的配料顺序。前配料配方界面是对前配料配方的一些管理，既可以选择已经设定好的任一种配方，也可修改已拟好的配方，或者新拟配方。报表界面可完成成型车间配料工序生产记录，包括各个班的前配报表和后配报表。前配报表记录每种物料秤的重量、时间、锅号，后配报表记录每个班生产的正品量和次品量、每天生产的正品总量和次品总量，并且通过时间框可任意随时查看每天3班的情况。从历史曲线界面上可查看前配料秤的瞬时重量。报警界面可以显示阀门关闭及下料超时、放料超时等报警信号。
4 结语
自动配料监控系统具有运行可靠、功能齐全、投资低、升级方便等特点，采用全汉化操作界面，在线组态，形象直观，易于操作。监控系统提供了较完善的系统运行信息和产品信息，为现场操作人员创造了高效率的工作环境，实现了较为先进的过程控制和管理技术水平，并减轻了系统维护的工作量。本系统投入运行以来，各项指标均满足技术要求，并极大地改善了操作员的劳动强度，明显地提高了生产效率
参考文献：
[l]古 鹏，田际平．分布式计算机实时监控系统【J】．计算机时代。2007（2）：46—47．
[2]徐淑萍，苏小惠．水泥厂DCS监控系统的设计与实现【J】．微计算机信息，2o05（1）：78—80．
[3]任永昌，王 昊，刘鸿沈．煤矿变电所数据自动采集与实时监控方法的研究【J】煤矿机械，2006（1）：84-86．
[4]包建华，丁启胜，张兴奎．工控组态软件MCGS及其应用【J】．工矿自动化．2007（3）：92-94．
[5]何熠，吴爱国．监控组态软件卖时数据库系统体系结构的研究【J】制造业自动化，2007（1）：81—83．
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