摘 要：本文主要介紹在多種配方條件下工藝生產中的PLC與儀表設備的集中控制應用，探討如何使用PLC控制技術來完成不同的配方條件下，對儀表設備的控制以實現對生產工藝的檢測、控制、計量、保護等，既增加生產的控制性、多樣性，又提高系統的性能和生產效率，以實現車間生產的經濟實用、安全可靠、易於維護的控制方案和生產模式。
關鍵詞：配方生產;PLC;計量;集中控制;工藝
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引言
面對目前國際工業化生產大潮的影響，我國針對性的提出了“中國製造2025”及“工業4.0”的概念及方案。同時，隨著市場需要的個性化和多樣化，要求工業自動控制對智能化的要求越來越高，以滿足工業生產需要。在當前技術更新、瞬息萬變的環境中，工控領域內自1986 年美國GM（通用汽車）開發生產第一代可編程控制器以來，PLC 以其高速度運算、高可靠運行、易於學習維護等獨特的特點始終佔據著重要地位。
受當前經濟形勢、人力資源、運營成本等條件的影響，在一些中小企業或者某些控制單元中，選擇DCS 往往顯得有些不合事宜。但改善生產環境、提高生產效率的願望非常強烈，如何能互為兼顧，本人認為除了從工藝上優化的同時，選擇一套合理可靠的控制方案，才能事半功倍。因此，本文從具體項目出發，探討項目需求，技術方案路線以及項目正式運營後帶來的效益，並最終實現生產過程的實用化、集中化、信息化[1]。
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項目概況
1.1 項目原況
該項目以生產各種路面攤鋪材料為主營業務，在車間分為很多生產點，以4 個人左右為1 個生產點。在有生產任務時，分別準備好各種材料，依各種配方原料的多少分為以剷車方式或按鈕輸送機方式將各種原料分時間、溫度等條件倒入1 個攪拌罐內進行攪拌生產，並進行抽樣檢測合格，若不合格再次加入某種原料，至合格後待之冷卻後裝車或裝桶。生產環境惡劣，效率低下。
1.2 項目改造的必要性
1.2.1 安全生產的要求
生產中因有大量的粉塵類原料，故在生產時，車間內粉塵漂浮；攪拌罐內反應溫度平均在180℃左右；只有少部分的電氣機械設備，大部分的依賴人工生產，對工人的工作強度、身體健康損害是不可避免的，生產過程已經無法滿足安全生產的要求。
1.2.2 生產精度的要求
在生產中，各原料的投加量都是嚴格按照不同的配方進行投加的，投加量的不精準直接導致抽樣檢測不合格。在反應的高溫下，就不得不再次投加某種原料，已經無法滿足當前生產過程的信息化及數字化時代。
1.2.3 生產效率的要求
如今是一個追求效率和質量社會，效率和質量的高低可以直接決定一個企業的發展及生存。在企業的生產中大量的依賴人工，從原料的投加到成品的出爐，耗費了大量的時間，是很難提高生產效率的。如果採用當前的測控設備，集中化管理控制，對生產效率是會有大大地提高。因此，就生產效率來說，必須改變當前局面和模式。
1.2.4 生產成本的要求
採用目前成熟的集中控制技術完全可以解決以上問題，但若按照傳統的生產方法，就1 個生產點需要的人力物力，加之在投加過程中對原料的浪費，成本是相當高的。故想安全經濟的完成項目改造，需要一個可行、穩定的方案。
1.3 項目改造的可行性
1.3.1 安全的應用
過程的集中管理控制已經有幾十年的實際應用，從檢測儀表、執行設備到控制器到集中管理平臺，可以實現一鍵式的生產過程，在其生產前會自動檢測各原料的重量、溫度等狀態自動投加。當出現溫度、液位及其他緊急情況，人工急停按鈕時，當前出現報警的工藝生產線會自動暫停，待之滿足條件確認後按照暫停之前的工藝流程繼續生產，完全解決了生產工程的各種不安全因素。
1.3.2 儀表設備、PLC 的特點
採用的智能化儀表部分為進口設備，部分為國產設備，其均具有高穩定性、高可靠性、高精度、易於維護的特點。
其中，重要工藝部分儀表傳感器能夠實時對數據進行非線性的校正，對滯後及復現性進行補償[2]、信號輸出更準確。在流量和溫度的測量中，精度可達±0.1%，數字信號可達±0.075，加之其完善的自診斷功能，通過其變送器自診斷的故障代碼查看其故障信息。現場所有變頻器、閥門均採用DP 總線通訊控制方式。因此，多種通訊方式例如MUDBUS、HART、Profibus DP 等，以實現數據的現場總線通訊、節省項目成本等奠定了條件。
選擇PLC 作為控制系統，因其可靠性高，抗干擾能力強，運算速度快，靈活性好，價格相對便宜等優點。與傳統的繼電器控制系統相比，PLC 在硬件和軟件方面都採取了強有力的措施，其以毫秒級的快速運算能力在提高其可靠性的同時，其功能也更加強大，可完成大量的開關量邏輯控制、模擬量的閉環控制、數字量約智能控制、運動控制、數據採集和監控、通信及集散控制等多種控制功能，並且其擴展性和維護性極為方便。有人提出“網絡就是控制器”的觀點說法。PLC 具有靈活的多種通訊方式，在整個通訊控制網絡中為實現分散集中控制[1] 擔負著重要作用。
1.3.3 創新的控制工藝系統
本系統方案的創新點是在滿足項目多種產品多種配方的生產條件下，利用集中控制系統對所有工藝生產線進行合理、高效、安全地控制。當生產任務下達，操作者選擇生產線，選定錄入好的配方，計算機管理系統發出生產指令，PLC 根據編寫好的程序指令，要求實時監控相關儀表並控制設備的動作，從而實現了從原料投加條件、順序到各反應要求，並且實時在計算機管理系統反應出工藝進程，並給操作員以提示，從而實現了全程跟蹤、監視自動生產過程。並通過計算機管理系統對每種原材料的使用、生產時的條件、成品產量等進行日報、月報、年報的自動生成。
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項目配置、功能及方案
圖1 某項目自動控制系統解決方案圖
Fig.1 A project of automatic control system solution map
2.1 上位機系統的配置及功能
參考圖1 的整體配置框圖，在中控室配置1 臺服務器，3 臺操作員站，1 臺A4 噴墨報表打印機,1 臺工業以太網交換機。
服務器主要作為數據採集的OPC 服務器以及數據存儲服務器，兼作工程師站，具有PLC 的編程，監控軟件的開發等功能。
操作員站具有監控畫面的瀏覽，參數設置，相關設備啟停等操作。
噴墨打印機主要是用於文件、報表打印。
工業以太網交換機實現整個系統的局域網聯網。
2.1.1 服務器配置
服務器是計算機系統的核心，運行OPC 及大型數據庫等軟件，實時採集生產過程中的各種數據，擔負著整個控制系統的各種數據交換、管理和存儲等重要工作。數據庫主要的服務器採用熱備冗餘配置，並且儲存所有現場儀表的數據以及為操作員站等管理系統提供數據訪問接口，提供OPC、MODBUS 從站協議等通訊接口，可方便地實現與其他系統的數據交換（包括IE 瀏覽功能）。
另外服務器兼作工程師站，還具備如下功能：
1）畫面組態和編輯功能。
2）點組態和定義功能。
3）控制迴路組態功能。
4）報警、趨勢圖等定義和編輯功能。
5）通訊定義和組態功能。
6）設備定義和組態功能。
2.1.2 交換機
網絡設備（交換機）採用3onedata 公司的工業以太網產品，支持局域網（LAN）網絡上連接的所有設備的10/100M 以太網數據交換。採用標準的、開放型局域網絡結構，是整個系統網絡通訊的“交通樞紐”。
2.1.3 操作站的功能
1） 畫面顯示功能
① 登陸、索引畫面。登陸畫面為操作員換班進行登陸或退出，是進入系統的前提條件，設置有不同的權限級別；索引畫面按工藝分區的所有畫面總覽，鼠標點擊相應的按鈕切換到相應的畫面或畫面組。
② 工藝流程畫面。以類似工藝設計藍圖的形式，形象清晰地呈現各生產工藝流程，在每個畫面中具有工藝的操作窗口，可以對相應的工藝進行控制方式（手動/ 自動）、暫停/ 恢復、啟動/ 停止等操作控制。單個流程圖上顯示的過程信息最多可達20000 多條，信息的最低刷新速度≤ 2s。
③ 配方設置、選擇畫面。 每種工藝對應多種配方，每種工藝畫面中都有另外2 個獨立的重要窗口畫面：配方設置和配方選擇畫面。在配方設置畫面中，操作員可對此條生產工藝的所有配方（包括配比條件）進行增加、刪除、修改、打印等操作，並且系統具有自動識別錯誤的功能。
當設置好配方後準備生產時，選擇一個配方，確認好總生產量後此條配方的所有數據自動傳送至PLC 中的寄存器，等待生產指令。
④ 生產參數設置畫面。每種生產工藝都有對應的參數設置畫面，對任一指定控制點（或工藝）的生產參數進行設置，如設定值、輸出值、操作方式，以及整定參數、報警值、PID 等由工程師修改的參數，並且可對模擬和數字迴路進行操作。
⑤ 趨勢圖畫面。 趨勢畫面的X、Y 座標可選擇自適應和設定2 種，相鄰分辨點的時間可設定為1s，最大趨勢記錄時間可在一年。另外趨勢畫面有1 個可移動的光標和數據區，顯示當前曲線與光標線相交處的數值。趨勢圖有平均值顯示、最大值顯示、最小值顯示等多種數據形式。可顯示單個或同時顯示多個測點的實時趨勢和歷史趨勢； 可顯示8h、24h、1 周、1 月、半年等歷史趨勢； 趨勢圖上設置拖動功能，可詳細顯示某時刻具體值。
2） 報警功能
系統可以產生並顯示以下幾類報警：
① 過程報警：包括偏差報警、變化速率報警等。
② 故障報警：包括自診斷報警和各設備、硬件故障報警等。
③ 緊急停車報警：當發生緊急情況按緊急停車按鈕時報警。
④ 限值報警：當生產中實際數據超過（或低於）參數設置數據的報警。
報警可以根據其重要緩急劃分不同的級別，不同級別的報警具有不同的表現形式，在監控系統上可有以下幾種表現方式：
●文字提示：在發生報警位置和報警畫面上以顯示文字提示報警信息。
●顏色變化：在發生報警位置和報警畫面上以顏色變化不同的報警。
●聲音報警：發生報警時，系統將以音響聲音形式提示報警。
●閃爍：在發生報警的位置，其對應的測點顯示閃爍。
所有產生的報警在報警產生時將自動登錄到數據庫。
所有產生的報警均可在報警畫面上予以確認並銷音。
所有報警均可在報警畫面以法文顯示。
可人工設定檢測量的高高、高、低、低低、變化率高、設定偏差（死區可調）等限值。
3）報表生成及打印功能
上位機計算機系統可根據用戶需要生成各類的生產報表並可打印及導出。系統可生成以下幾類報表：
① 即時報表。由設定的某種信號觸發或由操作員點擊，顯示或打印相應變量數據（或原料用量及成品產量）。
② 分類報表。各種查詢條件可單選或任意組合，在不同的時間或條件下查詢或打印出某些變量的數值（或原料用量及成品產量）。所有報表具有詳細的各種數據說明，並且含有總標題、生成條件、出報表時間、工程單位、平均值、累計值等概類信息。
③ 歷史報警總報表。 計算機系統可顯示、打印出選定（或所有）的報警信息，包括報警時間、報警點、設備等詳細信息。
④ 操作報表。計算機系統可顯示、打印出選定（或所有）的登陸、參數修改、配方操作等工藝生產相關的操作。
4） 操作安全
計算機管理系統具有3 級以上操作權限，不同的操作員具有不同的操作權限和口令，口令可修改，權限只有系統管理員才可修改。控制系統的一些重要操作均要驗證操作員口令，這些操作發生時系統將自動生成記錄，包括操作員、操作時間和及操作內容等。
5）數據導出功能
計算機系統查詢產生的各種數據（包括歷史趨勢數據）均可導出為標準的PC 格式（如*.TXT、*.DOC 及*.DBF）等文件格式。
2.2 PLC 控制站的配置及功能
PLC 選用西門子公司新推出的新一代 SIMATIC S7 －400 可編程控制器，在以下幾方面進行了重要革新[3]。
S7 400 系列 PLC 成本低、性能高，能方便地取代從簡便的繼電器到複雜的大中型自動化應用系統場合。CPU 最高運算速度可達0.03 , 處理能力強大，系統運行內存可達20 兆，系統容量最多可達開關量輸入、輸出各65536 點，模擬量輸入、輸出各4096 字，即4K 位的帶點能力。CPU可以支持SOE 功能，部分產品內置以太網通信接口，支持精確到1ms 的網絡對時。幾年前需由高檔PLC 完成的任務, 現在則由S7 400 系列來代替。西門子公司不斷地推出新產品擴大使用範圍, 顯示了其技術的領先地位。其CPU 具有強大的功能，如內裝PID、結構化編程、中斷控制、間接尋址及各種功能模塊能完成複雜的操作。另外S7400 系列具有功能很強的特殊模塊可供選擇，包括軸定位模塊、高速計數模塊、BASIC 和C 語言協處理模塊及 ModbusRTU、ProfibusDP 等通訊模塊等。另外, 為了及時解決用戶的需求, 西門子公司提供第3 家工業設備和軟件包合作的結果, 進一步擴大了S7 400 系列 的能力, 通用的產品包括熱電偶、熱電阻、步進電機模塊、大電流繼電器模塊等。
2.2.1 PLC 控制站I/O 點統計
現場實際點數見表1。
表1 現場實際點數
Table 1 Actual points
系統配置點數見表2。
表2 系統配置點數
Table 2 system confi guration point
2.2.2 PLC 控制站遠程I/O 配置
遠程I/O 站採用ProfibusDP 通訊與主PLC 通訊相連，所選A I/O 模塊接點都具有過載保護，並且具有故障自診斷功能；所選D I/O 模塊各通道都有獨立的隔離裝置，它能在該I/O 模塊與現場接線和其他I/O 模塊之間，提供1500V 以上的有效隔離值[3]。其中開關量輸入模塊對現場某一閉合觸點而需要的最小門檻電流為10mA，可防止掛載外接負載。
I/O 模塊的輸入、輸出端均具有檢測其與現場儀表設備短路或斷路的自動診斷功能，並自動產生錯誤代碼。輸出模塊應是故障發生時保持輸出或置於預先設置的安全輸出值。I/O 模塊應是多通道的，但通道數量不應大於下列要求[3]：每8 個模擬量輸入點至少有1 個單獨的A/D 轉換器，每1 個驅動用的模擬量輸出點應有1 個單獨的D/A 轉換器，每1 路熱電阻輸入應有單獨的橋路。此外，所有的模擬量輸入、輸出通道及其工作電源，均應互相隔離。
2.2.3 邏輯控制功能
PLC 系統控制站具備連續過程控制（主要有定值、比值、串級、分程、PID 調節等）、批量控制、順序控制（執行控制邏輯、聯鎖邏輯、安全保護等）、配方管理等功能，完全能滿足常規過程控制的功能和速度要求[4]。
2.2.4 數據採集功能
控制站和採集站將現場數據採集進系統，通過通訊網絡將實時數據和報警數據傳送到上位機，並存入服務器數據庫和硬盤，供隨意調用。
2.2.5 報警功能
PLC 控制站具有下列報警功能：
① 擬輸入信號超出信號範圍。
② 模擬輸入信號超出高、低限值。
③ 擬輸入信號變化率超出限定範圍。
④ 模擬輸出信號超出高、低幅值。
⑤ 字輸入信號為報警狀態。
⑥ 通訊中斷報警和系統本身故障。
報警可以按照功能、設備、性質（如過程報警、設備報警）進行任意分組，通過組態可以實現報警自動打印，自動記錄，區分第一事故報警。報警精確到秒，顯示到毫秒。
2.2.6 系統診斷功能
PLC 系統具備完整的定期自診斷功能系統，並在計算機系統上顯示詳細狀態和結果。同時，具備良好的冗錯能力，即當某些模塊發生故障後，不影響整個系統的有效工作，並且控制器具有掉電自動保護數據等功能。
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項目總結及結束語
項目改造完成正式投入生產後，滿足了多條生產線、多種配方下的生產需要，車間生產環境得到了很好的改善，生產效率大大提高。從傳統的半人工半機械生產模式中總結經驗並藉助當前先進、穩定、可靠的集中控制技術，對中小型複雜的生產工藝進行革新和突破，在行業內亦屬典型案例。在此，衷心致謝本公司和現場業主的耐心指導和積極配合。
在這個科學技術日新月異的時代，工業製造、生產革新席捲全球，必然會有更科學更智能的生產控制理念會逐步普及並替代現有的生產模式, 一個生產管理系統的優劣，取決於是否滿足客戶需求，是否符合不斷向前發展的科學理念。