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PLC与工控机应用分析

1 系统组成

某电厂化学水处理系统基础设备具有良好的可控性，利用PLC和工业控制计算机对其进行实时监控管理

采用3台西门子公司的SIMATIC S5—115U可编程序控制器控制现场的一次设备，程控系统分为3套，依次为＃1补给水处理单元

操作员站选用两台研华586工控机，软件开发平台选用美国Intellution公司的FIX5.5组态软件。FIX5.5是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动化软件，该版本在WINDOWS或WINDOWSNT环境下运行，采用了图形用户界面，相应其内部的图形处理是基于第三代图形技术。

数据通信系统采用SINEC L2网，它把SIMATIC系列可编程序控制器以及工控机连成网络。SNECL2是令牌总线网，网络传输介质是双绞线或光缆。每个节点通过总线连接器连到总线网上，在本系统中，三台PLC之间以及与两台工控机之间都实现了数据通讯。

该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置还具有冗余特性。

2 PLC及其程序设计

2.1 SIMATIC S5-115U硬件组成及编程概要

可编程序控制器SIMATICS5-115U采用标准的模块式结构，电源、CPU、各种I/O模件都插在一块母板上，并可以根据不同的I/O点数增加扩展母板，输入、输出模件和存储器的精细分级，使得这种装置具有较强的配置适应能力；通过通讯处理器和局部网，可方便地实现PLC之间及与计算机的通讯。

SIMATICS5-115U的编程语言是STEP5，有3种表达方法，即控制系统流程图CSF，梯形图LAD和语句表STL。其中语句表STL较接近于机器内部的控制程序，功能也比前两种方法丰富得多，因此在本系统实际编程应用中全部采用语句表STL。

STEP5的大特点是采用了结构化编程方法，并提供大量标准功能块如乘能块FB242、通讯功能块FB244等，使得编程工作大大简化，而且所编程序条理清晰，易于读懂、修改和测试，这一优点尤其在编制大型复杂程序时更能显现出来。

要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个独立的程序块，STEP5有5种块类型，即组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)，其中组织块(OB)用以管理用户程序，形成了操作系统和控制程序之间的接口，所有其它类型块在此被调用执行。功能块(FB)用于实现反复调用或者特别复杂的程序功能，这些功能块可以是系统以标准功能块的形式提供的，也可以由用户自己编制。例如标准功能块FB242就可以实现16位二进制乘能、FB244可以实现CPU与通讯处理器之间的数据传送，用到这些功能时可以直接调用这些功能块

西门子PLC维护方法
（一）、保养规程、设备定期测试、调整规定
1、每半年或季度检查PLC柜中接线端子的连接情况，若发现松动的地方及时重新坚固连接;
2、对柜中给主机供电的电源每月重新测量工作电压;
（二）、设备定期清扫的规定
1、每六个月或季度对PLC进行清扫，切断给PLC供电的电源把电源机架、CPU主板及输入/输出板依次拆下，进行吹扫、清扫后再依次原位安装好，将全部连接恢复后送电并启动PLC主机。认真清扫PLC箱内卫生;
2、每三个月更换电源机架下方过滤网;
（三）、检修前准备、检修规程
1、检修前准备好工具;
2、为保障元件的功能不出故障及模板不损坏，必须用保护装置及认真作防静电准备工作;
3、检修前与调度和操作工好，需挂检修牌处挂好检修牌;
（四）、设备拆装顺序及方法
1、停机检修，必须两个人以上监护操作;
2、把CPU前面板上的方式选择开关从“运行"转到“停"位置;
3、关闭PLC供电的总电源，然后关闭其它给模坂供电的电源;
4、把与电源架相连的电源线记清线号及连接位置后拆下，然后拆下电源机架与机柜相连的螺丝，电源机架就可拆下;
5、CPU主板及I/0板可在旋转模板下方的螺丝后拆下;
6、安装时以相反顺序进行
（五）、检修工艺及技术要求
1、测量电压时，要用数字电压表或精度为1%的*表测量
2、电源机架，CPU主板都只能在主电源切断时取下;
3、在RAM模块从CPU取下或插入CPU之前，要断开PC的电源，这样才能保证数据不混乱;
4、在取下RAM模块之前，检查一下模块电池是否正常工作，如果电池故障灯亮时取下模块PAM内容将丢失;p;
5、输入/输出板取下前也应先关掉总电源，但如果生产需要时I/0板也可在可编程控制器运行时取下，但CPU板上的QVZ(超时)灯亮;95
6、拨插模板时，要格外小心，轻拿轻放，并运离产生静电的物品;
7、更换元件不得带电操作;;
8、检修后模板安装一定要安插到位;

1．项目简介
       随着我国改革开放进程的不断深入和发展，环境问题已成为人们热切关注的重点问题，随着大气质量的不断恶化、水环境的不断污染、生态环境的不断破坏，使被污染的环境日益威胁着人类的生存和发展。我国能源的70%来源于燃煤，燃煤燃烧时释放的颗粒物、氮氧化物、二氧化硫构成了污染大气环境的首要污染物。为了改善大气环境的质量，国家对污染物的排放逐步实施了总量控制的方针，并严格执行大气污染物排放许可证制度，为此，国家环保总局相继出台了一系列的法规、规范、标准，以强化对大气环境污染状况的监督和管理。
        烟气连续监测系统（CEMS）就是根据工业现场生产工艺控制的要求而设计、生产的，是为保证工艺系统的安全运行和对气体排放浓度监测而专门设计的监控装置，节能、环保、安全。CEMS广泛应用于火电厂、水泥厂，化工厂，工业窑炉、垃圾焚烧，有烟气排放的设施等，对排放物SO2、NO、CO、CO2、O2,CH4,HCL、等有毒有害气体及尘埃进行实时的监测，并且对流量，压力，温度，湿度等进行定量分析，通过易控（INSPEC）组态软件进行统一的数据处理，分析并实时的与当地环保局联网，实现环保局集散式的监控每个排污点的详细现场情况。CEMS系统可以大大降低工业废气对大气的污染，为我们的生活创造更好的生存条件！

2．系统构成
        整套系统包括探头取样系统、样气预处理系统、校准系统、PLC控制系统，气体分析仪，DAS系统（数据采集和分析），GPRS远程通讯系统。系统拓扑图如下：

系统示意图

烟气成分连续监测系统工作原理，如图2 所示系统的基本组成

系统基本组成

系统组成
       CEMS成套系统由柜内和柜外两大部分组成。分析柜安装在室内，柜外部分的电加热自动控温取样探头，安装在烟道上。系统加热探头抽取样气，经探头内置过滤器过滤大量烟尘。其加热温度不低于145℃，以防止冷凝。
        预处理单元：包括压缩机除湿器、耐腐抽气泵、气溶胶过滤器、反吹单元等。用于完成样气的净化、除尘、除湿。标准气从预处理前端通入，经过预处理系统，这样使样气和标准气以同样条件进入分析仪器，减少系统误差。气体取样设备在机柜内，样气首先经过制冷室除湿，然后进入第二个有固定露点的冷凝器，穿过气溶胶过滤器分离，通过湿度报警精细过滤器并检测冷凝器的故障，产生的辅助信号进入分析仪故障信号切断抽气泵。故障排除后泵自启动。气体分析仪能够同时有选择地测量多种组分的气体。系统可连续工作，正常情况下无须维护。分析单元：多组份红外分析仪测量NOx 、CO、CO2 、 SO2和O2，分析仪提供自动标定功能，由于它极其稳定可靠、重复性、开发了新的数学模型，该仪器具有一点校准功能。用零气对仪器进行校准，可省去标准气。各参数通道相互独立，稳定可靠。智能化程度高，和样气接触的红外气室可拆卸清洗，极大地降低了维护成本。控制单元：PLC是CEMS系统的数据采集、控制单元。与常规的控制方式不同，PLC提供了更为丰富的功能和更高的可靠性、扩展能力。在CEMS系统中，PLC提供了各种模拟量数字量的输入输出信号，并通过软件进行深度处理，其功能主要包括：
     自动控制烟气抽取，并自动为分析仪提供分析样气；
     执行分析仪的零点和满量程校准；
     自动反吹和冷凝排放；
     显示CEMS系统状态（采样/校零/校跨/反吹）；
     报警、计算、定义、扩展；
     与DAS系统通讯；
     多点测量时，控制气路切换、采样排序和采样周期。
        PLC提供了24小时的记录接口系统，可以将加工过的数据传输给DAS，其控制指令通过DAS激活。PLC实现了分析系统智能化控制。系统内通常设有外控（自动）和内控（手动）两种程序，能自动进行取样分析、反吹、置换、温度控制、故障识别、报警输出等，与生产过程联锁，输出4-20mA成分量信号和报警控制等开关信号。

3． 系统方案
        粉尘监测系统主要由收发单元、反射单元、控制单元、自动清洗单元组成。收发单元和反射单元为系统主体测量部分。通过两个安装在现场测量烟道两侧的法兰，利用精密的自校准光学系统，基于光透射原理工作。该粉尘监测系统的主要技术特点：
     采用直插式测量原理，可连续进行测量，直接输出粉尘浓度mg/m3值。
     由于采用了固态光源，寿命长达十年。
    由于超宽带二极管的宽带光谱产生测量信号的光学鉴定，使测量比常规的LED系统要稳定得多。
     高性能的微处理器技术。
     在不透明或透明浓度下用LC显示，校准能力达到mg/m 3 。
     自动进行调零和量程检查，自动污染校正。
     光学系统和电子设备装均密封在内部。
     样品的调整不用特殊工具，方便易行。
     自动调整光程 。
     有多个量程，多路信号输出。
     先进的吹扫系统可减少维护量。
        流量监测系统的探头、法兰和仪表外壳均为耐酸不锈钢材料，防护等级为IP66。适用在高温和腐蚀性的环境下连续工作。温度监测采用PT100热电偶测量，是经典方法，方便、可靠、稳定。压力监测采用直接连接，绝压变送器测量。
        系统工艺图如下：

系统工艺图

4．系统特点
     直接分析原样，尽可能地保持烟气物理和化学状态，样气具有代表性。
     满足至少180天运行而不需要日常维修的要求，可长期无人值守（大于5天）。
     可以提供95%以上的资料可利用率。
    功能丰富，包括：反吹功能、自诊断和报警功能、指示功能、分析仪器自诊断、自动控制、自动校准、系统网络化、错误代码指示等功能。
    数据处理系统：采用易控(INSPEC)组态软件来实现，内置的PLC通信、智能图符、强大的图形和动画、和数据处理能力，数据采集快速准确，界面直观，能很好满足该系统对数据显示和处理的需要。详细情况参见DAS数据采集和分析介绍。
    高可靠性、安全性、可维修性和可扩展性。监测设备满足两套烟气成分采样探头系统的运行要求，同时设计方案考虑了一定的预留接口和容量。CEMS可与电厂、电力局、环保局的局域网形成MIS/SIS网，可以远传通讯。
    报告的烟气流量=工况下湿烟气量X(大气压力+烟气静压)/101300X273/（273+烟气温度）X（1-烟气湿度），包含了温度、压力、湿度的修正为标况干烟气量。
    配置的软件与系统的硬件资源相适应，除系统软件、应用软件外，还配置了在线故障诊断和杀毒软件等。
    分析仪器和监测仪表包含了为日常维护人员检修提供的电信号接口，极大地方便了技术人员检修。
    所有烟道设备可以满足在下列恶劣环境下应用：烟道压力（-4.9至+4.9kpa）、烟囱入口温度（小于250℃）、相对湿度（大于95%）。
     采用了Zui优数量的烟道安装探头，降低现场安装难度，提供检修方便。
    
5．软件应用
       上位监控系统采用易控(INSPEC)组态软件开发，它集实时数据库功能、OPCServer功能、强大的IO通信、开放的C#用户程序、丰富的动画、图形功能、高效能的报表等功能于一身，包含动态显示，报警，控件，趋势，网络通讯等组件。整套CEMS监控系统包含多幅实时监控画面，包括现场工艺，历史趋势，各种报表，高低及故障报警，参数设置（量程，折算率，排放率等）。

现场工艺画面
        通过指示灯和现场动画可以实时监控设备的运行情况，通过趋势图了解数据变化的规律及特点。变送器的瞬时值依据实际安装位置被分别标注到不同的工艺图中。
历史趋势
       在历史趋势画面中，可以选择不同的数据进行趋势查看，打印。并且同时可以分析出数据的Zui大值，Zui小值，平均值等；在画面设置中可以方便的改变趋势的类型如线条类型、颜色、文字格式等，支持实时打印。

报表
      在报表画面中，按照《国家烟气排放标准规范》设计报表格式，配合其强大的查询，检索，打印等功能。

参数设置
       以管理员身份登录后可以进行参数设置，包括量程设置，数据设置，折算值，排放率，流量设置等。用户在DCS根据现场情况实时更改需要的参数，以达到工艺要求。

         易控软件在采集数据的同时生成SQL数据库，用于客户对数据的管理和查询。同时，通过通讯软件读取SQL中指定表中的数据，通过GPRS无线网络传输到环保局，由环保局对各现场进行统一的实时监控。

6.结束语
       结合环境监测仪器、PLC和上位机监控软件多种技术的烟气连续监测系统(CEMS)，在国内一些大型和重点项目的大气污染治理中得到了广泛的应用。易控(INSPEC)组态软件作为现场监控的监控和数据管理中心，具有完善的CEMS系统所需要功能。极大提高了工厂自身工艺安全性能，并可及时改变工艺，提高工厂效率，降低了损耗；经过采集分析和处理的数据可通过无线网络直接发送到国家环保监管部门，十分便捷，而且数据准确真实，为减低大气污染，提高人类生存环境起到了重要作用！