PLC技术在化工生产自动化中的应用
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作者: 韩延义
可逻辑控制器（PLC）在化工生产领域有着广泛应用，大连兆科公司化工产品DNBP的生产过程需要进行自动化改造，课题就此进行了PLC自动控制改造的设计。
自动控制 PLC 化工生产
在现代工业中，大大小小的自动控制系统，使得生产率和控制精度都大幅度提高。无论生产什么样的工业产品，几乎都能见到各种各样的控制系统。而在其中，可编程控制器控制系统由于其功能完善、应用灵活、可靠性高等特点，有着广泛的应用。
1 本课题产生的背景和任务
可编程控制器（PLC）是一种含有微处理器的数字式电子设备，具有编程方便、快速、可靠性高等优点。它是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的基础发展起来的。PLC以微处理器为核心，用编写的程序进行过程控制。其中包括逻辑控制、定时、计数和算术运算、PID调节等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制生产过程。
1.1国内外PLC的应用情况
现在国内外PLC的应用情况是：一方面，在现代工业控制中,PLC已成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。另一方面，PLC的市场潜力却仍然是巨大的,有调查表明，即使在工业发达的日本，PLC配套的机电一体化产品的比例也仅占42%,而采用传统的继电器、接触器控制的尚有24%。
PLC在化工生产中应用广泛。化工生产的特点是，生产连续性强，危险性高，化学反应对环境的要求苛刻，特别是需要稳定的压力、温度、流量、液位的控制，对控制系统有较高的要求。PLC控制系统则可满足化工生产的苛刻要求。
因此，在化工生产领域采用自动控制系统，势在必行。
1.2大连兆科生物化工有限公司技术的现状
大连兆科生物化工有限公司产品DNBP，现阶段基本上是由生产人员手工控制，生产效率较低，生产对工人的危害也较大。该公司希望对DNBP生产过程进行自动化改造，从而提升企业技术含量，提高生产效率。应该公司的要求，本文对其DNBP生产过程的自动化改造做出了研究设计。
2 PLC的工作原理
PLC工作原理是：输出线圈的通电和断电，该线圈的触点都会发生相应的动作。PLC采用循环扫描技术，只有输出线圈发生通断电，并且当程序扫描到该线圈时，该线圈的触点才会发生动作。PLC采用的循环扫描技术可以分为输入传送、执行程序指令、输出三个阶段。
3 DNBP生产流程和自动控制的目标
（1）DNBP的生产可以分为以下几个阶段：磺化反应阶段，一硝化反应阶段，二硝化反应阶段，水洗阶段，蒸馏阶段。生产循环进行。
（2）自动控制最基本的要求是实现状态的自动监测和执行机构的自动控制。
4 控制系统总体方案确定
4.1控制系统总体方案确定
4.1.1方案选择
选出一种合适的系统，需要遵循以下原则：首先，看要控制的输入输出点数有多少，看系统的复杂程度有多高。其次，要看价格的高低。
在DNBP的生产控制中，输入输出控制量不超过60个，控制系统规模属于中小型。综合系统的复杂性和建成系统的投入来考虑，最理想的选择是――选用PLC控制系统。原因如下：首先，PLC控制系统虽然没有DCS功能强大，但已经足可以应付DNBP生产过程的自动化控制。其次，PLC控制系统较DCS价格低，经济合算，性价比高。
因此，采用PLC控制系统作为DNBP生产过程自动化改造的方案进行设计。
4.1.2 PLC控制系统系统构成
PLC控制系统中，输入传感器和输出传感器为现场一次仪表。其中，DNBP生产控制系统中用到的输入传感器有：温度传感器、压力表、液位计、酸碱度测试表。系统中用到的输出执行器有：阀门、泵、搅拌器、水冷装置、蒸汽装置。我们将按其功能化分成各个模块。对这些模块进行简单的归纳。（1）输入模块：输入模块的作用是从现场传感器等获取信号(如: 4～20mA电流信号、1～5V电压信号、热电阻信号、热电偶的毫伏信号以及开关按钮的触点信号等)，经过处理变成PLC内部信号，供PLC系统运算、比较、传输等，为了适应各种不同的现场传感器，输入模块有多种信号可供选择。
（2）输出模块：输出模块将PLC系统经过运算、比较等处理的结果，转换成现场执行器能够接收的信号，进而驱动现场执行器，对工艺过程施加影响，达到自动控制的目的。
（3）CPU模块(也称主模块或控制模块)，它是PLC控制系统的核心，按照事先编好的程序，对输入模块提供的各种信号进行逻辑判断和算术运算，然后送到输出模块，根据运算速度快慢，通讯能力及支持的功能多少，CPU模块也有多种型号。
（4）人机接口设备，它是操作人员与PLC系统对话的设备，通过它操作人员可以查看PLC系统内部各模块的状态、工艺过程各种参数及各种工艺设备的状态。了解了系统的构成，下一步就开始进行具体的设计。
设计可分为下面几个步骤：首先，根据生产工艺情况，分配I/O点地址，选择合适的PLC型号。其次，进行PLC程序的分析设计和调试。再次，进行人机接口的设计制作。
4.1.3 PLC选型
PLC选型基本步骤是先根据工艺控制条件对I/O点数(数字输入/输出量、模拟输入/输出量)作出一个准确的统计，在这个统计数据的基础上再增加10%～30%的余量来确定I/O总点数。
PLC的存储器用于存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两类，存储器容量选择可以按如下方法进行估算：
存储器容量(指令字)=数字量I/O点数×10+模拟量I/O点数×25+特殊量I/O点数×100。
下面分析DNBP的生产流程，总结出系统需要的I/O点数。
系统需要一个启动按钮，一个停止按钮，这两个按钮是开关量的输入信号。系统需要控制16个阀门，7个泵，5个搅拌器，3个水冷装置，3个蒸汽装置。这些都是开关量的输出信号，共计34个。系统还需有模拟量的输入信号，其中有4个温度信号，8个液位信号，2个气压信号，1个pH值信号。合计15个模拟量输入信号。系统还有一个报警输出信号，此信号为开关量。从而知道系统共有35个开关量输出信号，2个开关量输入信号，15个模拟量输入信号。
根据I/O点数，选用OMRON公司的CJ1G-H-CPU42型号的PLC。其点数有160点，有两个扩展机架，程序容量为10K步，数据存储区容量有32K字，扩展存储区容量有32K字。另外此机型价格较为便宜，性价比较高。
5 结论
经过近半年的努力，完成了基于PLC的DNBP的生产过程自动化控制系统的设计。进行了PLC的选型、PLC程序的设计和人机接口的设计等工作。生产过程的时间优化设计缩短了生产周期，原来生产周期为24小时左右；现在缩短为15小时左右，完成了厂家的基本要求。
参考文献：
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