糧油加工中通過PLC控制閥門

                         糧油加工中通過PLC控制閥門

                          上海申弘閥門有限公司
摘 要 本文以實(shí)現(xiàn)糧油工業(yè)榨油廠自動控制為目的。在GE Fanuc自動控制技術(shù)平臺上進(jìn)行了系列90-70 PLC及CIMPLICITY程序的開發(fā)，其創(chuàng)新在于PLC程序和上位機(jī)程序所用的中間變量有Excel表的宏程序自動生成后，導(dǎo)入編程軟件Proficy Logic Developer – Machine Edition和組態(tài)軟件Proficy HMI/SCADA - CIMPLICITY中，這樣在節(jié)省了大量的建立變量的時間的同時也是得建立變量時的錯誤率降低了很多。同時在PLC程序和上位機(jī)程序編制過程中運(yùn)用了面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，使同類設(shè)備程序開發(fā)過程方便很多，節(jié)省50%的開發(fā)時間，上位機(jī)程序開發(fā)過程中運(yùn)用了大量的腳本程序，同時也用到了“類”，比單純的組態(tài)功能更加強(qiáng)大方便，且方便用戶使用。


    本文首先從榨油廠工藝開始，結(jié)合實(shí)際施工情況對其工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析及描述，并在熟悉工藝圖的基礎(chǔ)上，完成了對所需設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇了GE Fanuc自動化解決方案。其重點(diǎn)是同類型的設(shè)備量很大，所以程序量也很大，如果按普通的編程方式，將會浪費(fèi)大量的時間在變量的建立以及結(jié)構(gòu)相同的程序上。所以在這里我用帶有宏程序Excel表解決了快速變量建立的題，“類”的應(yīng)用解決了結(jié)構(gòu)相同的程序的問題。其難點(diǎn)是VB腳本的開發(fā)和帶有宏程序Excel表的開發(fā)。后本系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試成功，且長時間運(yùn)行穩(wěn)定，PLC程序和上位機(jī)程序可讀性、可維護(hù)性、可移植性也相應(yīng)的增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 PLC；調(diào)用子程序；類；上位機(jī)；組態(tài)； SCADA 閥門  上海申弘閥門有限公司
引言 益海集團(tuán)是由新加坡豐益集團(tuán)和世界500強(qiáng)企業(yè)——美國ADM公司控股, 旨在全力打造大型綜合糧油加工企業(yè),前期成功運(yùn)作了“福臨門和魯花”兩大食用油品牌，糧食加工 （ Food Processing）是指通過處理將原糧轉(zhuǎn)化成半成品糧、成品糧，或者將半成品糧轉(zhuǎn)化成成品糧的經(jīng)營活動。立足于糧油工業(yè)，關(guān)注行業(yè)熱點(diǎn)，探求行業(yè)發(fā)展，注重實(shí)用技術(shù)，旨在傳播與交流糧食與油脂加工行業(yè)的企業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)企業(yè)改革；將原糧除去雜質(zhì),調(diào)節(jié)水分,脫殼、去皮或碾磨，后加工成符合不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的粒狀或粉狀成品糧的過程。成品糧如白米、米粉、小麥粉、玉米粉、玉米糝、高粱米、粟和各種淀粉等是谷物的胚乳部分，是制作食品的基礎(chǔ)原料。加工方法主要是干法，少數(shù)采用濕法。 
糧食是人體所需熱量的主要來源。世界上主要糧食有稻谷、小麥、黑麥、高粱、玉米和粟。中國除黑麥外，這些糧食都有生產(chǎn)，產(chǎn)量較大的是稻谷、小麥、玉米和高粱。通常將稻谷、小麥以外的糧食稱為粗糧。①食品加工流程正在保證成品糧質(zhì)量和出率的前提下逐步縮短。②新設(shè)計(jì)的加工設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，單機(jī)效率高，并正在發(fā)展組合設(shè)備。③普遍利用電子技術(shù)自動控制生產(chǎn)流程和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)；開始采用在線儀器連續(xù)檢測產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量。④正在進(jìn)行根據(jù)原料和產(chǎn)品質(zhì)量的變化自動調(diào)整設(shè)備的研究。⑤根據(jù)食品質(zhì)量的要求控制和改進(jìn)糧食加工產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而選配和處理原料。⑥研究原料的加工和制作食品的性能，為選擇原料和培育優(yōu)良品種提供依據(jù)的工作正在逐步開展。 目前益海集團(tuán)已在國內(nèi)直接控股工廠和貿(mào)易公司35家，并參股魯花等多家國內(nèi)糧油加工企業(yè)，工廠遍布河北、山東、江蘇、福建、廣東、廣西、四川、湖北、湖南、新疆、寧夏、黑龍江等地區(qū)，貿(mào)易公司及辦事處覆蓋除西藏和港、澳、臺地區(qū)外的全國各省。擁有“口福”、“豐苑”、“益海”及“莎妮雅”四*，蛋白和油脂兩大產(chǎn)品系列，包括小包裝等各類精煉食用油、大豆蛋白、起酥油、人造奶油、脂肪酸以及磷脂等60多個品種的產(chǎn)品，是國內(nèi)實(shí)力的油脂、油料加工企業(yè)集團(tuán)。其榨油技術(shù)是由美國ADM公司提供的，以前ADM公司旗下榨油廠的控制部分大都是由荷蘭imtech公司所設(shè)計(jì)，所以在這里我也借鑒了這些成功的案例，沿用了imtech開發(fā)的部分PLC程序和上位機(jī)程序。整個PLC程序和上位及程序的開發(fā)過程在以后幾章我們將會詳細(xì)的討論。我首先向大家介紹一下榨油工藝。在榨油系統(tǒng)，主要分為兩個車間：

一、預(yù)榨車間，榨油前對大豆的預(yù)處理；

二、浸出車間，用有機(jī)溶劑浸出大豆中的油脂成份。
工藝
預(yù)榨：
顧名思義就是榨油前對大豆的預(yù)先處理，在各個環(huán)節(jié)對大豆處理的程度對后續(xù)工序起著至關(guān)重要的意義，主要是對加熱溫度、濕度的控制以及對壓胚質(zhì)量的控制，在此過程中用到了大量的PID算法，以及其他對模擬量處理的算法，所以對PLC的浮點(diǎn)運(yùn)算能力要求很高。 
用一個直觀的圖表來描述預(yù)榨車間的概況。

預(yù)榨工藝

浸出：
首先，由預(yù)榨車間過來的白豆片浸入出器，用浸出溶劑正乙二氨將大豆中的油脂浸出，由浸出器出來的物質(zhì)分成兩種形態(tài)，一種是液體，一種是固體。
其中液體是正乙二氨和油的混合物，這些混合物進(jìn)入蒸發(fā)塔進(jìn)行三次蒸發(fā)，這樣便把正乙二氨從油脂中分離出來了。
而固體則是混有正乙二氨的大豆蛋白，這些大豆蛋白經(jīng)過低溫脫融或是高溫脫融后便成了蛋白含量大約50%的食用蛋白。這則是根據(jù)客戶的要求來進(jìn)行處理，如果需要更高含量的蛋白，則需要到SPC（酒精浸出）車間進(jìn)一步加工。用一個直觀的圖表來描述浸出車間的概況。 

浸出工藝

GE Fanuc的解決方案
由于在整個大豆加工過程中用到了大量的模擬量調(diào)節(jié)、浮點(diǎn)計(jì)算等。我們在比較了Quantum， SLC， SIMATIC s7-400系列，GE Fanuc系列90-70 PLC后，綜合考慮到硬件性能及網(wǎng)絡(luò)和軟件方面的功能后，終選定系列90-70 PLC和Proficy Logic Developer-Machine Edition編程軟件、Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY組態(tài)軟件。我簡要講述以下選擇她的理由。
硬件方面：
(1) 結(jié)構(gòu)緊湊單槽的CPU模塊，在CPU模塊中有兩個主要的處理器。一個是in微處理器用于處理一些模擬量或特殊功能控制。另一個是布爾運(yùn)算協(xié)處理器用于執(zhí)行高速的開關(guān)量控制。（在我們的整個系統(tǒng)中用到了大量的PID調(diào)節(jié)）
(2) 系統(tǒng)機(jī)架采用標(biāo)準(zhǔn)的VME總線結(jié)構(gòu)?？砂惭b超過300家的第三廠VME標(biāo)準(zhǔn)模塊。（我們要與Mettler-toledo的大豆稱通訊）
(3) 系列90-70PLC I/O容量大為12288點(diǎn)，模擬量8192點(diǎn)。
(4) CPU內(nèi)存從512K子節(jié)到6M字節(jié)。
(5) 具有高密度（32點(diǎn)）的AC/DC輸入/輸出模塊。
(6) 簡易的模塊卡子，可防止促無安裝模塊。
(7) 具有標(biāo)準(zhǔn)的硬件方式?？身憫?yīng)開關(guān)量或模擬量中斷輸入?？商幚?4個事故中斷和16個時間中斷。
(8) 和方便的系統(tǒng)和模塊自診功能，且極易故障排除。
(10)在CPU模塊內(nèi)部有電池支持內(nèi)部時鐘和日歷。
(11)具有Genius分布式I/O模塊子系統(tǒng)和Field Conrol系統(tǒng)配置。（處控制室外，在現(xiàn)場有按鈕柜方便的用到了Genius分布式I/O模塊子系統(tǒng)）

軟件方面：
（1）為了解決本系統(tǒng)中大量同類型的設(shè)備，程序量也很大的狀況，如果按普通的編程方式，將會浪費(fèi)大量的時間在變量的建立以及結(jié)構(gòu)相同的程序上，用的Proficy Logic Developer-Machine Edition (簡稱ME)采用結(jié)構(gòu)化的編程方式，同時中間變量由Excel宏程序自動生成后導(dǎo)入plc編程軟件中，這樣為我節(jié)省了大量的時間。
（2）Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY作為上位機(jī)程序的開發(fā)工具，其功能本人認(rèn)為西門子的WinCC相似，但是Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY有它更加強(qiáng)大的VB腳本系統(tǒng)，他為“類”的開發(fā)奠定了堅(jiān)固的基礎(chǔ)，它是靈活的可伸縮的，可以適合單位的人機(jī)界面到網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在產(chǎn)品的各層次上都具有互聯(lián)的功能，這是我們能夠獲得各個層次的集成而不需要在一個網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行重復(fù)組態(tài)。Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY是由服務(wù)器和瀏覽站組成的基于客戶服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和分配，瀏覽站可對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問以便觀察和控制。服務(wù)器和瀏覽站可以很容易得通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起*的共享數(shù)據(jù)甚至都不需要從一個點(diǎn)到另一個點(diǎn)復(fù)制你的點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，例如，數(shù)據(jù)點(diǎn)只需要組態(tài)一次而且只需要在服務(wù)器商進(jìn)行一次組態(tài)。屏幕畫面也只需在網(wǎng)路中的一個位置上進(jìn)行開發(fā)和儲存，而網(wǎng)絡(luò)上的其它的Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY顯示系統(tǒng)都可以對他訪問。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。用在糧油加工工藝當(dāng)中。

PLC硬件電路設(shè)計(jì)

通訊接口設(shè)計(jì)
GE Fanuc 90-70系列PLC提供了多種接口，本系統(tǒng)用到了四種通訊接口：
(1) 串行接口，用于PLC從計(jì)算機(jī)*次下載程序。
(2) 以太網(wǎng)接口，用于PLC和上位機(jī)之間通訊（為了提高通訊速度中間用光纜通訊），PLC和PLC之間通訊，PLC和計(jì)算機(jī)之間通訊，以及PLC和INTERNET之間通訊。
(3) Genius總線接口，用于PLC和遙控I/O和按鈕柜之間通訊。
(4) BUS總線，用于機(jī)架和機(jī)架之間通訊。
根據(jù)上述要求硬件連接圖如下：
 
件設(shè)計(jì)支持文檔的開發(fā)由于Proficy Logic Developer-Machine Edition和Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY都支持由csv文件導(dǎo)入的點(diǎn)及其對應(yīng)的名稱，所以這些文檔的開發(fā)便成了至關(guān)重要的一步。為了做出這個文件總共所需開發(fā)的文檔有7個Excel表：TEABLE(設(shè)備名),DI（數(shù)字入）,DO（數(shù)字輸出）,AI（模擬輸入）,AO（模擬輸出）,PB（按鈕）,LMP（按鈕燈）。后六個表都由*個TEABLI連接，然后通過自己開發(fā)的一個Excel宏程序把上述7個Excel文檔轉(zhuǎn)化成PLC可以讀取得scv文件，其所需內(nèi)部變量及與上位機(jī)通訊的中間變量都由宏程序自動生成。

 
一、TEABLE
TEABLE Excel表主要包括PLC系統(tǒng)中所用的各種設(shè)備，包括以下幾類：各種電機(jī)、閥門、傳感器、開關(guān)，虛擬設(shè)備等，以及他們的量程、描述、控制方式等。在此表中的設(shè)備名即為對象的名稱。
二、DI、DO、AI、AO
此四個Excel表包括了所有設(shè)備所需的輸入輸出點(diǎn)的功能及其名稱，包括數(shù)字量和模擬量。
三、PB、LMP
PB、LMP包括了電機(jī)的啟動及停止按鈕以及指示燈的點(diǎn)及名稱。
四、FILE-SPEC 逗號分隔符的Excel表是有是由以上各表轉(zhuǎn)換而來的用于Proficy Logic Developer-Machine Edition軟件中點(diǎn)的建立。
五、SCADA_POINTS 逗號分隔符的Excel表同樣也是有是由以上各表轉(zhuǎn)換而來的用于Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件中點(diǎn)的建立。上位機(jī)程序開發(fā)
Proficy HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件提供了兩種點(diǎn)的建立方法，一種是所需一個一個添加（這種方法費(fèi)時費(fèi)力），另一種方法就是上文提到的通過CSV文件導(dǎo)入。

對象的建立
對象（Object）就是點(diǎn)的一個集合，例如一臺電機(jī)，一個閥門，一個傳感器都可以稱為為一個對象。下面詳細(xì)敘述一下對象的建立。
首先雙擊Object進(jìn)入對象建立的對話框
寫好對象的名稱，然后為他選擇正確的Class(電機(jī)、閥門、傳感器、開關(guān)等)，點(diǎn)擊OK進(jìn)入下一對話框


給此對象設(shè)置屬性，對象建立完成。
VBS編程
我們以快捷鍵來距離。所有的快捷控制則由腳本來完成，腳本用VB語言開發(fā)，例如下面以屏幕之間的跳轉(zhuǎn)為例來討論腳本在PE中的應(yīng)用（F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,F9,F10代表10個不同控制界面的快捷鍵）。編輯腳本屏幕

PLC程序的開發(fā)點(diǎn)的建立
Proficy Logic Developer-Machine Edition軟件和PE同樣提供了兩種點(diǎn)的建立方法，一種是所需一個一個添加（這種方法費(fèi)時費(fèi)力），另一種方法就是上文提到的通過CSV文件導(dǎo)入，同時也導(dǎo)入了“類”的名字。 
子程序和調(diào)用程序塊的開發(fā)
PLC程序有一個主程序、多個子程序和多個程序調(diào)用塊組成。其中主程序調(diào)用子程序，子程序調(diào)用程序調(diào)用塊，而“類”則是由程序調(diào)用塊組成。下面我們對它進(jìn)行詳細(xì)的討論。
當(dāng)點(diǎn)導(dǎo)入后，PLC的每一個變量名便和其所需的地址一一對應(yīng)起來，這樣在以后的編程中只用其形象的變量名來代替變量的地址，同時也增加了程序的可讀性。程序開發(fā)的整體思路是子程序的調(diào)用和程序塊的調(diào)用，所以編輯每一個子程序調(diào)用塊是至關(guān)重要的，本系統(tǒng)包括了很多個程序調(diào)用塊和小的子程序。例如：普通電機(jī)、變頻電機(jī)、開關(guān)閥門、控制閥門、速度傳感器、模擬輸入傳感器報警、限位開關(guān)等等
下面我們以普通電機(jī)為例對其程序調(diào)用塊和子程序來進(jìn)行詳細(xì)討論。
根據(jù)工藝的要求，可描述普通電機(jī)功能如下：
(1)在連鎖OK的情況下，按鈕盤和上微機(jī)畫面都是綠燈閃爍，當(dāng)按下PB1按鈕時電機(jī)啟動，PLC接收到這個啟動信號后便給配電柜一個電機(jī)運(yùn) 行信號RNC，此時按鈕盤的綠燈又閃爍變成長亮，表示電機(jī)正在運(yùn)行。
(2)當(dāng)電機(jī)要停止運(yùn)行時，按下PB2按鈕電機(jī)停止，且恢復(fù)到連鎖OK情況下。
(3)當(dāng)電機(jī)沒有送電時，此事會有故障信號FL輸入，按鈕盤和上位機(jī)紅燈閃爍，表示電機(jī)故障。
(4)當(dāng)電機(jī)送電后，如果連鎖不滿足，此時按鈕盤會紅燈長亮，等待連鎖滿足后才能啟動。
根據(jù)上述要求，可以確定普通電機(jī)所需如下各點(diǎn)： 
(1) 連鎖OK，表示電機(jī)是否和其它設(shè)備的連鎖滿足
(2) 啟動按鈕PB1
(3) 停止按鈕PB2
(4) 電機(jī)運(yùn)行輸入信號
(5) 電機(jī)故障輸入信號
(6) 時間繼電器
(7) 綠燈閃連鎖OK信號或是綠燈長亮點(diǎn)共性信號輸出
(8) 紅登閃故障信號或是紅燈長亮連鎖信號輸出
(9) 和其他一些和上位機(jī)通訊的中間點(diǎn)
根據(jù)以上功能要求，做出的普通電機(jī)子程序塊如下：
*小塊，運(yùn)行部分：
第二小塊，報警部分：


將此兩部分分別打包成塊如下，即為普通電機(jī)子程序塊。

在Proficy Logic Developer-Machine Edition軟件中同樣也內(nèi)置了一些常用的調(diào)用子程序塊，例如PID算法快等，這也同樣是編成簡單了很多。當(dāng)然，內(nèi)置的調(diào)用子程序塊也可以組合成“類”。
在完成了程序塊和調(diào)用子程序開發(fā)的基礎(chǔ)上，我們便可以開發(fā)出“類”類程序，使得編程變成了一種簡單的事情。 
PLC“類”程序塊的開發(fā)
在完成了成序塊和調(diào)用子程序開發(fā)后，打開“類”工具箱，我們便可以將上面開發(fā)的任何一個程序塊和調(diào)用子程序組合成“類”。在添加完成“類”工具箱后，利用面向?qū)ο蟮木幊谭绞骄幊淘谶@里便成了一件簡單的事，我們所需要做的只是按順序，將不同名字的對象加到程序之中，然后添加相應(yīng)的連鎖程序即可。每個電機(jī)的連鎖都加到了其對象的前一行，以便增加程序的可讀性。

結(jié)論
本文在對ADM的榨油工藝進(jìn)行了簡單的介紹，再根據(jù)系統(tǒng)的要求，經(jīng)過詳細(xì)比對后選定GE Fanuc 90-70系列LPC ，并且后來的生產(chǎn)過程中充分的證明了我們選擇GE Fanuc 90-70系列LPC的明智之處，它不僅有個率的數(shù)字量處理功能，而且浮點(diǎn)運(yùn)算能力也相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大，同時它還通過第三廠VME標(biāo)準(zhǔn)模塊與Mettler-toledo的大豆稱穩(wěn)定的通訊，突出的是具有Genius分布式I/O模塊子系統(tǒng)，方便的實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，大大減少了系統(tǒng)的布線量。之后我們又詳細(xì)要論了軟件的設(shè)計(jì)，首先是對GE Fanuc兩個強(qiáng)大的PLC編程軟件CIMPLICITY Machine Edition和組態(tài)軟件CIMPLICITY Plant Edition的介紹。在對此軟件有了一定的了解后，便開始了軟件的設(shè)計(jì)。在此部分重要的當(dāng)然是PLC和上位機(jī)中間變量有Excel表按要求自動生成，然后導(dǎo)入編成軟件中。困難的是在此PLC編程開發(fā)過程中 “類”的應(yīng)用，這對提高我們的編程效率，使得大量的同類型的程序開發(fā)過程變得很簡單，而且可讀性、可擴(kuò)展性、可移植性都大大的提高，這是其它PLC編程軟件和上位機(jī)組態(tài)軟件不可比擬的。在這個大型PLC控制系統(tǒng)中，GE 90-70 PLC 硬件以及強(qiáng)大的編程軟件Proficy Logic Developer-Machine Edition和組態(tài)軟件Proficy HMI/SCADA - CIMPLICITY 強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，不僅簡化了程序開發(fā)過程，節(jié)省程序開發(fā)時間，而且程序維護(hù)，以及后續(xù)的軟硬件擴(kuò)建，都非常的方便。重要的是自從系統(tǒng)運(yùn)行幾年來從未因PLC故障護(hù)軟件故障而導(dǎo)致停車，說明本系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定。感謝GE Fanuc強(qiáng)大的支持！

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