稻谷副產(chǎn)品加工設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

周雄煜

（國(guó)投廣東生物能源有限公司，廣東 湛江524300）

1 研究的背景及意義

2017年底，木薯原料采購(gòu)價(jià)格不斷上漲，市場(chǎng)供應(yīng)量不足的情況，公司審時(shí)度勢(shì)，提出了用陳化稻谷來生產(chǎn)燃料乙醇的思路。陳化稻谷是中央儲(chǔ)備時(shí)間較長(zhǎng)、無(wú)法食用的糧食，其采購(gòu)價(jià)格較之木薯價(jià)格低，利用稻谷生產(chǎn)燃料乙醇將會(huì)帶來更高的效益。同時(shí)稻谷副產(chǎn)品如稻殼、碎米、米糠等還可以加工成飼料對(duì)外銷售，進(jìn)一步提高公司的利潤(rùn)。于是，陳化稻谷加工的技改已付諸實(shí)際行動(dòng)中。隨著社會(huì)信息化的高速發(fā)展，先進(jìn)的控制設(shè)備及自動(dòng)化系統(tǒng)的變化也是日新月異，選擇合適企業(yè)本身生產(chǎn)發(fā)展需要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使得產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和人員技術(shù)水平得到全面提高，有利于企業(yè)的發(fā)展，也是重中之重。經(jīng)過綜合性能比較及經(jīng)濟(jì)性的兼顧，在PLC行業(yè)中，西門子PLC-300系統(tǒng)經(jīng)過在中國(guó)多年的實(shí)踐及運(yùn)用，憑借其穩(wěn)定性、可靠性、性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)占據(jù)了大部分市場(chǎng)，而且該系統(tǒng)對(duì)于稻谷加工系統(tǒng)的管理、監(jiān)控及操作等各方面都可起到顯著的效果。因此，本文對(duì)稻谷加工技改的自控系統(tǒng)中PLC的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，具有十分重要的意義。以下是以整個(gè)稻谷加工技改系統(tǒng)中的稻谷副產(chǎn)品加工成飼料這部分自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)及研究。

2 工藝過程設(shè)計(jì)

如圖1所示。飼料加工主要設(shè)備由1臺(tái)板框壓濾機(jī)、2臺(tái)干燥機(jī)及其冷卻器與風(fēng)送系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)組成。來自精餾的廢醪液經(jīng)板框壓濾機(jī)分離后，濕糟進(jìn)入管束式干燥機(jī)進(jìn)行干燥，壓榨后的清液進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)系統(tǒng)；干燥后的飼料經(jīng)冷卻器冷卻后由風(fēng)送系統(tǒng)送至包裝裝置進(jìn)行包裝。

圖1 工藝流程圖

由于從板框壓濾機(jī)中分離出的濕糟含大量水分，不利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，因此需要進(jìn)行干燥，即通過間接加熱使?jié)裨阒械乃终舭l(fā)逸出。本崗位采用了蒸汽管束式干燥機(jī)，管程走蒸汽，殼程走被干燥的濕糟，通過列管壁進(jìn)行熱交換。濕糟中的水分蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽通過風(fēng)機(jī)抽出，經(jīng)旋風(fēng)除塵器使含有的少量粉塵沉降后排放。

3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能滿足過程控制的要求，具備連續(xù)過程控制功能，應(yīng)完成全部的監(jiān)測(cè)、順控及各種報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)等功能。根據(jù)工藝提供的數(shù)據(jù)要求，需要實(shí)現(xiàn)以下基本功能：

（1）溫度、流量、壓、液位的數(shù)據(jù)顯示在工控電腦的界面上，且具有PID過程控制及報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)的功能。

（2）實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥，堵料報(bào)警，轉(zhuǎn)速報(bào)警及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)在電腦界面上的顯示，方便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控及工藝參數(shù)的調(diào)整。

（3）對(duì)開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、電機(jī)的控制具有自動(dòng)和手動(dòng)的操作功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開關(guān)啟動(dòng)停止，同時(shí)具有按工藝順序步驟進(jìn)行啟停的順控功能。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

稻谷加工系統(tǒng)的儀表設(shè)備如下：

（1）流量計(jì)和差壓液位計(jì)各1個(gè)。

（2）壓力變送器5個(gè)。

（3）熱電阻溫度變送器13個(gè)。

（4）轉(zhuǎn)速傳感器和堵料開關(guān)各12個(gè)。

（5）電機(jī)53臺(tái)。

（6）PLC輸入輸出的點(diǎn)數(shù)量如下：

1）模擬量輸入點(diǎn)25個(gè)。

2）模擬量輸出點(diǎn)11個(gè)。

3）開關(guān)量輸入點(diǎn)199個(gè)。

4）開關(guān)量輸出點(diǎn)114個(gè)。

5）熱電阻RTD輸入點(diǎn)13個(gè)。

根據(jù)已確定的控制方案和PLC點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)采用西門子PLC-300系統(tǒng)，工控機(jī)戴爾電腦一臺(tái)，控制站CPU采用模塊CPU315-2、數(shù)字量輸入（DI）和數(shù)字量輸出（DO）采用 SM323模塊，模擬量輸入（AI）采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO）采用 SM332模塊以及IM365等模塊組成，采用CP342-5模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)架擴(kuò)展，如圖2所示。PLC模塊與擴(kuò)展的PLC模塊之間信號(hào)連接的采用CP342-5通訊模塊通過PROFIBUSDP進(jìn)行通訊，如圖3所示，從而確保上位機(jī)工控機(jī)可以對(duì)整個(gè)稻谷飼料加工控制過程進(jìn)行監(jiān)控和操作。

圖2 硬件組態(tài)圖

圖3 PR O F I B U S DP通訊

5 PLC模塊與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接方式設(shè)計(jì)

5.1 模擬量輸入連接方式

與模擬量有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備元件及信號(hào)主要是調(diào)節(jié)閥、電機(jī)、流量計(jì)、壓力變送器、差壓液位計(jì)溫度及流量、壓力、液位和電流等。其中流量計(jì)、壓力變送器和差壓液位計(jì)這三種儀器是兩線制接線法的，它的接線方式如圖4所示（只給出部分接線圖）：

圖4 模擬量輸入接線圖

5.2 模擬量輸出連接方式

蒸氣調(diào)節(jié)閥的模擬輸出信號(hào)接線方式如圖5所示（只給出部分接線圖），其中電機(jī)變頻器的速度頻率調(diào)節(jié)信號(hào)與調(diào)節(jié)閥的輸出控制信號(hào)一樣，其接線方式是兩線制的。

圖5 模擬量輸出接線圖

5.3 溫度信號(hào)輸入連接方式

溫度計(jì)（RTD）包括測(cè)量管道介質(zhì)溫度計(jì)及電機(jī)前后軸承溫度計(jì)，接線方式是三線制的，接線方式如圖6所示（只給出部分接線圖）。

圖6 溫度接線圖

5.4 開關(guān)信號(hào)量輸入連接方式

開關(guān)量信號(hào)輸入輸出主要是現(xiàn)場(chǎng)的的開關(guān)閥控制，堵料報(bào)警信號(hào)，轉(zhuǎn)速報(bào)警信號(hào)及電機(jī)信號(hào)控制，電機(jī)信號(hào)包括就地遠(yuǎn)程、停止、開始、運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤報(bào)警、電流信號(hào)。其中，開關(guān)閥控制、堵料報(bào)警信號(hào)、轉(zhuǎn)速報(bào)警信號(hào)和電機(jī)的開始停止信號(hào)接線方式是一樣的，它們都是二兩制接法，接線方式如圖7所示（只給出部分接線圖）。

圖7 開關(guān)量輸入接線圖

6 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾及隔離設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的快速的發(fā)展，強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備得到快速發(fā)展的同時(shí)，但由于強(qiáng)電設(shè)備自身特征，也產(chǎn)生了對(duì)控制信號(hào)傳送不利的電磁干擾，電磁干擾的現(xiàn)象極為普遍。因此，必須要想辦法提高PLC系統(tǒng)的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用以下方式：

6.1 屏蔽

采用金屬外殼屏蔽。將PLC系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)。金屬柜外殼可靠接地，能起到良好的靜電、磁場(chǎng)屏蔽作用，防止空間輻射干擾。

接線屏蔽。在設(shè)計(jì)要求中，對(duì)于強(qiáng)弱電信號(hào)線都是分開走線，并且距離要有一定的間隔。模擬信號(hào)傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜，每個(gè)儀表信號(hào)電纜的屏蔽層在PLC機(jī)柜內(nèi)均采用單點(diǎn)接地，接在PLC系統(tǒng)機(jī)柜工作接地匯流排的接地點(diǎn)上。

6.2 線路隔離

（1）中間繼電器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用歐姆龍中間繼電器，中間繼電器在PLC系統(tǒng)中是起到一個(gè)隔離保護(hù)的作用，比如雷擊、過流、短路的時(shí)候，對(duì)PLC進(jìn)行一個(gè)阻斷保護(hù)。

（2）信號(hào)隔離器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MSC300信號(hào)隔離器，它主要應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)模擬量設(shè)備元件信號(hào)輸入時(shí)起到的信號(hào)隔離，抗干擾的作用，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定。

7 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以西門子PLC 300為控制核心，主要闡述了PLC系統(tǒng)的硬件線路設(shè)計(jì)過程和基本的硬件配置。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試及試運(yùn)行，該系統(tǒng)已經(jīng)逐步穩(wěn)定工作，取得了良好的預(yù)期效果。在后緒的生產(chǎn)中，會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，更加優(yōu)化系統(tǒng)性能和完善系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。