基于DCS的罐裝聚氨酯發泡膠生產控制系統研究

劉文學+陳相銘+江萬里+李榮平

摘 要： 針對罐裝聚氨酯發泡膠的生產特性及自動化控制要求，提出基于DCS的罐裝聚氨酯發泡膠的生產控制系統。介紹了罐裝聚氨酯發泡膠的生產工藝流程，并且詳細闡述了DCS系統的硬件設計、軟件設計、系統網絡設計、配電柜配置以及主要復雜工藝的實施方案。系統具有操作方便、維護簡單、運行穩定等特點。系統投入運行后，不僅降低了工人的勞動強度，改善了廠區生產環境，而且取得了良好的經濟效益。

關鍵詞： DCS； ECS?100； 聚氨酯發泡膠； 自動控制； 罐區

中圖分類號： TN876?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0156?04

Research on DCS?based production control system of canned polyurethane foam adhesive

LIU Wenxue， CHEN Xiangming， JIANG Wanli， LI Rongping

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050018， China）

Abstract： According to the production features of canned polyurethane foam adhesive and automation control requirement， a DCS?based production control system of the canned polyurethane foam adhesive is presented. The production technical process of the canned polyurethane foam adhesive is introduced. The hardware design， software design and network design of the DCS?based production control system， configuration of power distribution cabinet and implementation plan of the main complex technology are described in detail. The system has the characteristics of convenient operation， simple maintenance and stable running. The system input into operation can reduce the labor intensity of workers and improve the production environment of factory， and has perfect economic benefit.

Keywords： DCS； ECS?100； polyurethane foam adhesive； automatic control； tank field

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，對居住環境的要求也越來越高，此時，人們對裝飾的質量提出了更高的要求，而在裝飾過程中，尤其是門窗的安裝，難免會留下縫隙，聚氨酯發泡膠主要用于建筑門窗與墻體、冷庫設備、管道安裝、保溫板材的接縫孔洞間的密封。

聚氨酯泡沫是氣霧技術和聚氨酯泡沫技術交叉結合的產物。本文提到的是管式罐裝聚氨酯發泡膠。目前，國內罐裝聚氨酯發泡膠的生產仍處于人工半自動化的階段，在一定程度上制約著聚氨酯發泡膠的發展。近年來，由于DCS控制系統具有可靠性高、擴展靈活以及控制功能強大等特點，廣泛應用于石油、化工、熱電等行業的自動化控制中，因此采用DCS對罐裝聚氨酯發泡膠的生產進行控制。DCS系統可靠性高、分散控制、集中操作、配置靈活、組態方便，是一種有效的工具和實現手段，可以實現對罐裝聚氨酯發泡膠的生產進行控制。

1 罐裝聚氨酯發泡膠的生產工藝流程

1.1 聚氨酯發泡膠的發泡方法

聚氨酯發泡膠采用預聚體法發泡工藝[1]，首先將聚醚多元醇（白料）和二異氰酸酯（黑料）依次灌裝到瓶罐中制成預聚體，然后在預聚體中加入水、催化劑、表面活性劑、其他添加劑等在攪拌下混合進行發泡，固化后在一定溫度（一般為常溫）下熟化。

1.2 罐裝聚氨酯發泡膠生產工藝流程和簡介

罐裝聚氨酯發泡膠生產工藝流程如圖1所示。首先用吸盤式機械手抓取空瓶罐，將其豎立放在鏈板輸送機上，在輸送機的傳動下，將空瓶罐送到注入聚醚多元醇（白料）工位，罐區中的原料經混合反應釜混合通過流量計注入到空瓶罐中。在鏈板輸送機的傳動下，依次到達注入二異氰酸酯（黑料）、壓入噴嘴工位、注入發泡劑工位、注入催化劑工位、加壓（充入一定量的壓縮空氣）工位、上外瓶蓋工位，在相應的工位完成對應的操作。在裝箱工位，每12瓶裝入一箱，并放入一次性膠管，然后封箱。當封裝成箱的產品到達振動搖勻工位時，每6箱一組進行振動搖勻，使原料充分混合。最后對成箱的產品進行噴碼、碼垛并運到倉庫儲存。

2 罐裝聚氨酯發泡膠生產控制系統設計

由于罐裝聚氨酯發泡膠的控制點比較分散，因此選用DCS系統進行控制。在DCS系統中，由于浙江中控在化工控制等方面業績突出，因此選用了浙江中控ECS?100控制系統，它將最新的現場總線技術、先進控制技術、嵌入式軟件技術以及網絡技術融合在一起，從而實現了多種總線兼容和異構系統綜合集成[2]。該生產控制系統主要進行了以下幾方面的設計。

2.1 硬件設計

根據罐裝聚氨酯發泡膠的工藝生產流程，通過輸入輸出點的統計可得：熱電阻輸入信號（PT100）25點，模擬量輸入信號（AI）35點，數字量輸入信號（DI）200點，數字量輸出信號（DO）146點。在DCS的硬件系統設計中，主要對工程師站、操作員站、控制站進行了相應的硬件配置，其控制系統硬件配置如表1所示。

工程師站主要完成對系統軟件的組態、編譯及下載，并完成對系統運行的監視。本系統中，在控制室里設計了2臺互為冗余的工程師站和1臺專用服務器。工程師站和服務器均選用研華IPC?610L工控機，每臺各配置1臺顯示器，另外配置2臺打印機。

操作員站主要是由工業PC機、打印機、鍵盤、顯示器、鼠標等部件組成的人機系統，它是操作人員完成過程監控管理任務的人機界面[3]。本系統配置了2臺操作員站，1臺在控制室，1臺在現場值班室，操作員站也選用了研華IPC?610L工控機，每臺各配置1臺顯示器，用來顯示系統流程圖、趨勢畫面、報警畫面，另外給現場值班室的操作員站配置1臺打印機。

現場控制站是系統中直接與工業現場進行信息交互的I/O處理單元，用于完成整個工業過程的實時監控功能[4]。該控制系統根據現場信號點（包括AI，DO，DI）給控制站配置了5個浙江中控的端子板和機籠混裝機柜，并編號為1#，2#，3#，4#，5#。每個混合機柜配置了4只機籠：1個電源箱機籠、3個I/O機籠。在電源機籠里配置了一對冗余的24 V直流電源和一對冗余的FW247主控卡。在I/O機籠的最左端配置兩塊冗余的電源指示卡，然后配置兩塊冗余的數據轉發卡，剩下的16個I/O卡件位根據不同類型的信號選擇相應的I/O卡件。在機籠下面配置端子板，根據不同的I/O卡件選擇相應的端子板，端子板上有各種起保護作用的功能電路（如濾波電路、抗浪涌沖擊電路、過流保護電路等），它們可以對信號進行前期處理及保護[5]。

2.2 軟件設計

ECS?100控制系統采用的應用軟件是AdvanTrol?Pro軟件包，它是基于Windows 2000操作系統的自動控制應用軟件平臺。所選用的研華IPC?610L工控機的硬件環境完全滿足。

控制室操作員站定義為OPS53，現場值班室的操作員站定義為OPS54，在安裝AdvanTrol?Prol軟件包時，選擇“操作員站安裝”，軟件安裝完成以后，操作員站系統里僅包含系統運行監控軟件，這樣它就可以完成用戶對人機交互界面的監控（如系統流程圖、調整畫面、趨勢畫面、報警畫面等操作功能）。

控制室2臺工程師站定義為OPS50和OPS51，專用服務器定義為OPS52。其中工程師站OPS50還兼做廠級的管理用戶，工程師站OPS51兼做單項服務器。在安裝AdvanTrol?Pro軟件包時，2臺工程師站應選擇“工程師站安裝”，專用服務器選擇“服務器安裝”。安裝后的工程師站包含系統組態軟件和系統運行監控軟件兩部分內容。因此工程師站一方面可以實現操作員站的全部功能，另一方面可以實現用戶對測點、人機界面的組態、控制方案、相關系統參數的調整和現場控制站調試與下裝，以及可以實現用戶對系統實時和歷史數據集中管理和監視[6]。將專用服務器OPS52設為主服務器，工程師站OPS51單項服務器設置為從服務器，從而兩服務器就是冗余設置。在系統正常運行時，客戶端將首先自動從主服務器中提取數據，當主服務器出現故障時，從服務器將在5 s內迅速升級為主服務器。

主控制卡（FW247）是現場控制站軟硬件的核心，主控制卡通過數據轉發卡進行數據的采集和輸出，并且主控制卡還可以進行工程單位轉換和控制運算，它可以通過控制網與工程師站和操作員站實現通信，并進行數據交換。在控制站5個機柜中，主控制卡和數據轉發卡都是冗余配置的，一旦工作中任一個卡件發生故障時，另外一個卡件將會自動進入工作狀態，可實現不間斷切換，從而提高系統的可靠性。

2.3 網絡設計

在控制系統的網絡設計中，將通信網絡設置為四層，從上到下依次為管理信息網、操作網、過程控制網以及I/O總線。其中管理信息網采用工業以太網并實現雙網冗余配置，它可以實現工廠級的信息傳送與管理，同時也是實現全廠信息綜合管理的重要通道[7]，管理信息網通過服務器站與過程控制網（SCnetⅡ）聯接。AdvanTrol?Pro軟件包在網絡策略與數據分組的基礎上可以實現具有對等C/S特征的操作網，它可以實現操作站之間多種實時數據通信和歷史查詢功能[8]，過程控制網采用高速冗余工業以太網SCnetⅡ，它可以直接連接系統的操作站和控制站，過程控制網各個節點的通信接口處都采用了專業的以太網控制器，數據傳輸均遵循UDP/IP與TCP/IP協議。I/O總線是控制站內部的網絡，總共分為兩層，數據轉發卡與I/O卡件之間連接的是SBUS?S1，主控制卡與數據轉發卡之間連接的是SBUS?S2，其中SBUS?S2總線是由10M/100M的冗余工業以太網組建的，是控制系統的現場總線。另外在ECS?100系統中，每個控制站內都配置兩對集線器（HUB）：一對用于構成冗余的SCnetⅡ網；另一對構成冗余的SBUS?S2網。系統網絡結構配置如圖2所示。

2.4 配電柜配置

該控制系統一共配置了2套配電柜：分別是罐區1套和儀器儀表電源柜1套。配電柜的進線為兩路：其中一路進線來自不間斷電源UPS；另一路進線來自廠用電源。儀器儀表電源柜內配置了兩路電源自動切換裝置，在其他控制站機柜內也配置冗余的電源切換裝置與回路保護裝置，并用這兩路電源給各個控制站機柜進行供電。

2.5 主要復雜工藝的控制方案

2.5.1 罐區上料控制

聚氨酯發泡膠生產所需原料都存放在儲料罐中。在向空瓶罐注入聚氨酯預聚體工藝環節中，聚醚多元醇存放在1號罐，二異氰酸酯存放在2號罐。每個儲料罐下面都有4個稱重模塊，模塊內有傳感器，實時傳遞儲料罐的質量數據。另外，罐區還配有相應的液位變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、高精度流量計[9]?，F場的PLC通過相應的模塊主要對質量、液位、溫度、壓力、流量及設備運行狀態的數據進行現場采集，傳輸到控制室，在DCS控制系統中按照需要進行畫面顯示，從而實現對現場運行數據進行監控。然后系統對采集的實時數據進行相應的處理并作出控制命令，控制命令通過PLC作用到現場控制器，從而控制1、2號罐的物料經高精度流量計按比例定量注入到空瓶罐中。

2.5.2 瓶罐上噴嘴控制

在瓶罐上噴嘴工位中，采用振動給料機構，用PLC對其進行控制，而DCS對其進行監控。工作時，PLC向調頻控制器發出信號，調頻控制器對料斗下面的脈沖電磁鐵施加周期性控制信號，這樣就可以使料斗沿垂直方向振動，由于傾斜的彈簧片使料斗繞其垂直軸做扭擺振動[10]，而料斗內的噴嘴，由于受到這種振動的作用，則沿螺旋軌道上升。當噴嘴到達出料口，被光電傳感器1檢測到時，水平橫向氣缸A伸出，水平橫向氣缸A的前端有可以固定噴嘴的帶彈簧片的環形裝置[11]。當光電傳感器2檢測噴嘴已經到位時，水平氣缸A復位。當光電傳感器3檢測空瓶罐到位時，豎直氣缸B伸出并保持0.5 s，將噴嘴壓緊在瓶罐口，其控制流程如圖3所示。

3 結 語

通過運用集散式控制系統（DCS）使罐裝聚氨酯發泡膠生產系統實現了集中管理、分散控制的要求。到目前已經連續運行了半年多，結果表明該控制系統充分運用了DCS軟硬件資源，發揮了DCS控制系統實時、準確、快速、穩定、協調的特點。不僅大幅度地提高了罐裝聚氨酯發泡膠的生產效率，而且改善了廠區的生產環境，降低了工人的勞動強度。另外，系統的硬件設計方面采用層次化結構，具有良好的可擴展性。

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