基于CompactLogix PLC的自動配制系統的實現

王衛華，趙慶云，王巧娟

（1.天津金牛電源材料有限責任公司，天津 300400；2.中海油天津化工研究設計院，天津 300131）

0 引言

美國羅克韋爾公司CompactLogix 系列PLC，不斷推出新的機型，用戶可以根據需要選擇各種I/O，例如可以通過以太網識別器1769-AENTR擴展1769 I/O模塊，還可以通過1794-AENT擴展1794分布式I/O模塊[1]。在稱重計量控制當中，需通過通信模塊讀取稱重控制器的重量， 1769 ASCII通信模塊集成有兩個串口，可以方便進行ASCII碼通信，利于系統集成，性價比高。

1 系統背景

隨著動力電池市場快速發展，鋰電池動力電解液產量增長較快，面對不同廠家的不同品種，需要準備多條生產線進行生產。鋰電池用電解液的生產是將多種有機溶劑按比例進行混合配制，手動操作時，需要人工將脫水凈化后的單劑從儲罐內放入到200Kg桶中，通過臺秤計量，再將單劑壓入到配置釜內，費力費時，效率低下，同時配制多個電解液，容易出錯。在產量不斷增長的背景下，電解液自動化配制的需求越來越迫切。實現自控后，只需在觸摸屏上設定進料量，啟動相應的進料程序，即可完成進料。進料時間相對手動進料縮短一半，減輕了員工的勞動強度，提高了配制效率。

2 系統硬件設計

2.1 系統拓撲設計

電解液車間設置9個4噸配置釜，需要增加9個1.2噸計量罐，每個計量罐對應一種原料，要求每個計量罐分別對應9個配制釜，這樣系統包括81種進料方式，如果一對一制作原料管道需要81條線路，加上計量罐上的進氣、放空閥門，共計200多個氣動閥門，互鎖復雜。9臺配制釜布置在一樓，9臺計量罐布置在二樓，為了節省物料管道安裝，在二樓設置5個積液罐，9個計量罐分別連接到這五個積液管中，積液管的出料閥門采用三通氣動球閥，分出兩條出料管道，分別對應兩個配制釜，這樣可節省一半氣動閥門及施工工作量，縮短了工程時間。工藝流程圖如圖1所示，其他配制釜的工藝流程與之類似。

圖1 工藝流程圖

現將系統設計成分布式控制系統，將主控制器和觸摸屏設置在主控室，在二樓設置以太網識別器，以及通信模塊等。由于物料易燃易爆，系統在二樓設置一臺隔爆配電柜，整個系統按照防爆要求進行布線。

2.2 設備選型

系統選用羅克韋爾公司CompactLogix 5370 L3控制器，該控制器集成雙口以太網模塊, 1M內存，1G擴展卡，通信功能強大，性價比高[2]。以太網識別器選用1769-AENTR，該適配器可擴展1769 ASCII通信模塊，模擬量輸入模塊1769-IF16C，開關量輸入模塊1769-IQ32，以及開關量輸出模塊1769-OB32，另需要兩臺機架電源1769-PA4。分布式系統的設備布置如圖2所示。

圖2 模塊布置圖

罐區每個計量罐分別用4個梅特勒-托利多SB-1x稱重傳感器，一個AJB-005接線盒，9個計量罐的稱重控制器分別與1769 ASCII模塊進行通信。9臺計量罐共需要9臺壓力變送器，9臺磁翻轉液位計，系統所用的氣動閥門均為單作用帶反饋的防爆氣動閥門。觸摸屏選用臺灣威綸科技的MT8100iE觸摸屏。

3 系統軟件設計

3.1 通信程序設計

隨著產品的不斷更新、完善，各個廠家的通信模塊越來越簡便易用，幾乎不用專門做通信程序，只需進行相應的參數設置，即可在指定存儲區域接收、發送數據。系統所用的重量變送器是成都聚飛科技的JF-300A，每臺重量變送器單獨對應1769 ASCII模塊的一個串口，實現一對一通信，這樣系統共需要5臺1769 ASCII通信模塊。變送器的通訊格式選擇連續通訊方式，在這種方式下，重量變送器通過RS485自動地、不間斷地輸出當前顯示值以及錯誤代碼。這種方式通信速度最快，控制器只需要做接收數據程序即可。例如儀表顯示值是968.6，變送器不斷輸出“@01b1,+ 9686CRLF”，如果顯示異常，則返回相應的錯誤代碼，具體格式如表1所示。

其起始符和終止符均為固定特殊字符，CR表示“回車”，LF表示“換行”。

在1769 ASCII通信模塊的參數設置中，直接設定起始符、終止符、奇、偶校驗以及通信波特率即可[3]。

1769 ASCII模塊的標簽地址當中，可讀取相應的稱重數值，這里以第5插槽的01串口為例，可在ONE:5:I. Ch1RxData中找到對應的稱重變送器數值為968.6Kg，接收的數據標簽

如圖3所示。

圖3 數據標簽圖

在主程序里，需要編譯轉換功能塊，將輸入的ASCII碼轉換成浮點數。

3.2 控制程序設計

系統的控制程序主要內容是自動計量控制，各個計量罐進料之間的互鎖，應急處理緊急停車，以及各種誤操作報警。進料互鎖要確保同一時間一個計量罐只能向一個配制釜進料，由于進料情況太多，所以制作配制釜進料功能塊，計量罐加料功能塊。對于液位、壓力需要制作相應的轉換功能塊進行數據工程轉換。Studio 5000編程軟件的數學計算、數值轉換等功能強大，非常利于編程，例如功能塊CPT，可進行數學表達式計算，直接將結果輸出到目標標簽中。

表1 數據通信格式

計量罐及配制釜的選擇，以及加料量的設定等主要操作主要通過觸摸屏來實現，在觸摸屏中設定哪個計量罐進哪個配制釜，然后啟動進料程序即可。主程序判斷該計量罐到其他配制釜的閥門是否關閉，以及計量罐里的物料重量是否大于設定量，如以上條件都滿足則打開相應閥門開始進料，達到進料量后自動關閉計量罐出料閥門，打開積液罐進氣閥門，用氮氣吹掃管道20秒，將殘存物料吹掃干凈，關閉配制釜進料閥門，進料程序執行完畢。以DMC計量罐向JNSDI-01進料800Kg為例，進料程序流程圖如圖4所示。

4 組態軟件設計

觸摸屏MT8100iE的編程軟件為EasyBuilder Pro，臺灣威綸科技的觸摸屏最大的特點是數據存儲，9個計量罐的重量、壓力、液位等浮點數可按天進行存儲，按照特定格式解壓縮速度快，提取數據時可直接轉化為EXCEL表格。系統分為主頁面及各個配制釜的進料頁面，各開關及計量罐的選擇互鎖在觸摸屏上實現。觸摸屏與CompactLogix 5370 L3 控制器的標簽進行關聯，需要在“系統參數設置”“設備列表”“設備屬性”當中選擇“Rockwell EtherNet/IP(CompactLogix) - Free Tag Names”然后將控制器的標簽導入到觸摸屏中即可使用，但是直接和輸入、輸出I/O關聯的標簽無法顯示，需要定義新標簽在主程序中進行關聯。

在觸摸屏中主要的程序是各開關及計量罐的選擇互鎖，通過循環執行的宏，以及按鈕觸發的宏來實現。宏程序主要用到GetData（）和SetData（）函數，進行讀取和置位標簽。

圖4 進料程序流程圖

5 結論

本控制系統已投入實際生產，運行穩定。CompactLogix 系列PLC擴展靈活，不但主控器可實現本地機架擴展，分布式網絡適配器也可實現機架擴展，從而簡化了系統結構，降低了系統成本。1769 ASCII通信模塊集成兩個通信端口，可一對一連接2臺稱重變送器，參數設置方便，價格也相對便宜。整個系統組成以太網絡，能很方便地實現系統擴展。系統將每個閥門的開關狀態進行反饋，所有氣動閥門選用單作用閥門，在停電的情況下，可以迅速關閉閥門，防止物料溢出，提高了系統的安全性。

[1] Compact I/O Modules[M].Rockwell Automation, Inc.2011

[2] 1769 CompactLogix Controllers User Manual[M].Rockwell Automation, Inc. 2013

[3] Compact I/O ASCII Module [M]. Rockwell Automation,Inc.2014.