基于S7-1200 PLC的低溫純化器控制系統設計①

方 明 歐陽崢嶸 周辰飛

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

基于S7-1200 PLC的低溫純化器控制系統設計①

方 明 歐陽崢嶸 周辰飛

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

介紹了穩態強磁場實驗裝置中40T混合磁體低溫純化器控制系統的設計方案。該方案基于S7-1200 PLC，以KTP 600觸摸屏為人機界面，實現了結合數據采集、溫度控制、邏輯運算及畫面監控等功能于一體的自動化控制系統。基于PLC和溫度控制器的溫控策略實現了溫度控制的雙重保障。人機界面實現了純化器純化、再生和抽空3種模式下的溫度、壓力、液位和流量各數據的實時顯示，以及對閥門和泵的自動控制。

S7-1200 PLC 純化器 控制系統

穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)是為化學、材料、物理以及生命科學研究和多學科交叉研究提供理想穩態強磁場極端實驗條件的裝置，可最大程度地滿足我國多學科前沿發展對強磁場實驗條件的需求[1]。穩態40T混合磁體是SHMFF的核心裝置，由磁場強度為30T的內水冷磁體和10T的外超導磁體構成。外超導磁體的冷源由液氦制冷機系統經過低溫分配閥箱的超臨界氦提供。

純化器作為液氦制冷機系統中必不可少的部分，在為混合磁體提供高純度氦氣方面起著至關重要的作用。目前的純化器控制系統穩定性較低，自動化程度不高，且在純化器再生過程中的溫控系統不夠全面。筆者提出的純化器控制系統針對上述情況做了專門優化，同時對純化器再生過程的溫控系統進行改進，并將純化器控制系統與低溫控制系統和混合磁體中央控制系統組網通信，最終實現更加穩定高效的純化器自動化控制系統。

1 工藝原理

氦液化裝置的原料氣是從天然氣或空氣中提取的。由于工藝條件的限制，氦氣的純度為99.99%，尚含有少量雜質氣體，又因在運轉過程中使用濕式氣柜時會使少量油蒸氣等雜質滲入氦氣，同時試驗裝置(例如恒溫器)的回氣中往往會滲入一定的空氣和水分。因此，氦液化裝置需設有純化系統。氦氣的純化通常是在室溫下清除油氣和水蒸氣，在低溫下清除雜質氣體[2]。

筆者介紹的純化器裝置屬于高壓器外純化系統，即純化器設置在壓縮機與制冷機之間的管路上，原料氣(部分為回收氦氣)在進入制冷機之前完成純化過程。純化后的氦氣存儲在緩沖罐中用于制冷機供氣和壓縮機前端低壓時補氣。純化器回路系統結構如圖1所示。

圖1 純化器回路系統結構

純化器系統主要由干燥筒和吸附筒構成，干燥筒的主要部件是位于上部的換熱器和下部的純化筒。換熱器是套管式盤管結構。原料氣首先經過干燥筒去除油氣和水蒸氣，再進入吸附筒。在吸附筒內經過盤管換熱器冷卻，進入純化筒，純化后的氦氣經套管的另一通道復熱后流出純化器。純化器由5個盛有活性炭的容器串并聯而成，這些活性炭有不同的結構和型號，分別對雜質氣體中含量最大的氮氣和氧氣有不同程度的吸附效果。純化器工藝流程如圖2所示。

圖2 純化器工藝流程示意圖

2 控制系統設計方案

筆者所述的純化器系統主要分為純化、再生和抽空3種模式。純化模式中臟氦氣由干燥筒入口進入系統，經過干燥筒、盤管換熱器和純化筒純化后變為純氦氣輸出。純化器再生時有Dryer和Absorber兩種不同模式，分別對應干燥筒的再生和吸附筒的再生。抽空模式同樣也分為干燥筒抽空和吸附筒抽空兩個環節。

純化器控制系統是基于S7-1200微型PLC和觸摸屏KTP 600而設計的，相較其他方案在兼容性方面有很大優勢。S7-1200 PLC使用模擬量輸入模塊和RTD模塊將純化器中各處的溫度、壓力、液位及流量等信號進行采集處理，再使用數字量輸出模塊控制系統中的各閥門、抽空泵和加熱器。

圖3為純化器的控制系統設計方案，CPU選用1214C型微型PLC，在開發新的S7-1200 PLC過程中，西門子強調控制器、人機界面和軟件之間的無縫集成和完美整合。因此，新的S7-1200微型PLC具有靈活性和可擴展性，實現了緊湊設計下的高性能，并且仍然適合在較低的性能范圍內實現最復雜的任務。交換機選用SCALANCE X204-2，人機界面采用KTP 600 Basic mono PN觸摸屏。

圖3 純化器控制系統設計方案

PLC通過交換機，以Profinet協議與觸摸屏通信，同時兼容S7-300 系列PLC的Profibus-DP總線網絡，可與低溫分配閥箱控制系統和制冷機控制系統實時通信。純化器控制系統與低溫分配閥箱控制系統以及制冷機控制系統共同作為混合磁體中央控制系統的子系統，在混合磁體運行過程中與它保持實時數據交換。

3 純化器再生溫控系統

3.1 原溫控系統介紹

再生模式分為干燥筒再生和吸附筒再生兩個環節，分別要求不同的溫度控制策略。干燥筒再生模式下，要求溫度控制在100～130℃，而吸附筒再生模式下，則要求溫度控制在50～80℃。

改造之前的純化器再生模式的溫控系統是由兩個溫控器實現的。加熱器出口的溫度由傳感器模塊分別輸送到兩個溫控器中。干燥筒再生模式下，溫控器1工作，當溫度達到130℃時，溫控器1高溫報警開關打開，通過繼電器將加熱器電源斷開，使系統溫度不再上升；當溫度低于100℃時，溫控器1低溫報警開關打開，通過繼電器重新閉合加熱器電源，使系統溫度上升。吸附筒再生模式下，溫控器2工作，當溫度達到80℃時，溫控器2高溫報警開關打開，通過繼電器將加熱器電源斷開，使系統溫度不再上升；當溫度低于50℃時，溫控器2低溫報警開關打開，通過繼電器重新閉合加熱器電源，使系統溫度上升。

3.2 基于PLC的溫控系統

改造后的溫控系統利用PLC的模擬量輸入模塊，將加熱器出口的溫度采集到PLC中，通過PLC的邏輯運算，再輸出控制加熱器。同時，將原系統的兩個溫控器換成一個E5CC-800系列溫控器，該溫控器可同時設置兩個溫度范圍，在不同的模式下輸出不同的超限報警信號。另外，將加熱器內部的溫度接入該溫控器，將報警信號串入加熱器控制回路，與PLC控制系統并用，實現再生模式下溫控系統的雙重保障。

Dryer模式下的PLC溫控系統的程序如下(Absorber模式下的溫控程序與之類似)：

A “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Dryer

= L 16.0

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.000000e+002

)

L S5T#30S

SD T 1

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

)

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.250000e+002

>R //判斷加熱器出口溫度范圍區間

)

L S5T#30S

SD T 2

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

>R //判斷加熱器出口溫度范圍上限

)

L S5T#30S

SD T 3

A L 16.0

FP M 3.0

R M 1.6

A T 1

FP M 1.0

S "Heater EH1540_Dryer" //輸入命令控制Dryer模式下的加熱器

A(

O T 2

O T 3

O M 1.6

)

FP M 1.2

R "EH1540_Dryer"

A M3.0

R “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Absorber

//將Absorber模式下的命令清除，形成互鎖程序

4 人機界面設計

控制系統的人機界面是基于KTP 600 Basic mono PN觸摸屏開發的，該觸摸屏配備了5.7英寸的單色顯示屏，是S7-1200系列PLC理想的HMI組件。組態軟件是TIA Portal V13，該軟件與原有的STEP7循規蹈矩的編程方式不同，它集成了現代化辦公軟件的功能，并配以類似設備原貌圖形化的組態方式，使用戶能夠靈活、輕松、快速地完成自動化控制設計任務。

控制系統的人機界面主要分為Purification、Heating和Vacuum3個界面，分別對應純化、再生和抽空3種工作模式。純化模式界面如圖4所示。

圖4 純化模式界面

如圖4所示，臟氦氣經過干燥筒和吸附筒后變為純氦氣輸出，界面呈顯了整個純化流程各處的壓力、溫度、流量及吸附筒的液位等。FV1319為吸附筒液氮補充閥門，受程序自動控制，使液位穩定在一定范圍內，操作人員也可在界面上控制該閥門手動補液。

圖5為再生模式界面，顯示了再生模式下系統各處的溫度、壓力及流量等信息。界面中間所示為干燥筒再生模式和吸附筒再生模式的控制窗口，當Dryer模式開始后，系統會實時檢測加熱器出口溫度T1217，當T1217超出設定的Dryer模式溫度范圍時，系統會自動控制加熱器H1300調節再生溫度。Absorber模式下亦是如此。

圖5 再生模式界面

抽空模式界面如圖6所示，該界面比較簡單，圖中的3個壓力傳感器分別顯示了抽空模式下干燥筒、吸附筒和抽空泵前級的壓力。操作人員可在該界面控制抽空泵VP1401使系統進入抽空模式。

圖6 抽空模式界面

5 結束語

介紹了基于S7-1200 PLC設計的混合磁體純化器控制系統的實現方法，并利用PLC強大的邏輯運算和數據采集功能，改進優化了純化器再生模式下的溫度控制策略，實現了溫控系統的雙重保障。基于KTP 600觸摸屏實現的人機交互界面直觀、清晰地顯示純化器的純化、再生和抽空3種模式，并在每種模式的界面上顯示系統各處的溫度、壓力、液位及流量等數據，且可對相應泵和閥進行控制。

S7-1200 PLC和KTP 600觸摸屏在軟件編程和畫面組態上有著更強的兼容性，可在TIA Portal V13軟件的同一個項目中完成。且S7-1200 PLC支持的Profinet通信總線網絡可以兼容工業以太網和Profibus等通信協議，在工業自動化領域有很好的發展前景。

[1] 仇文君，歐陽崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統[J].化工自動化及儀表，2016，43(12):1248～1252.

[2] 張祉佑，石秉三. 低溫技術與原理裝置[M].北京:機械工業出版社，2006.

DesignofHypothermiaPurifierControlSystemBasedonS7-1200PLC

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, ZHOU Chen-fei

(HighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The design scheme for hypothermia purifier control system of 40T hybrid magnet in steady magnetic field experimental device was introduced, which has S7-1200 PLC based and the KTP 600 touch screen adopted as the man-machine interface to design an auto-control system which boasting of data acquisition, temperature control, logic operation and image monitoring; and the temperature control strategy based on PLC and temperature controller can realize the dual protection of temperature control; and the man-machine interface can display the temperature, pressure, liquid level and flow at real time in three modes of perfection, regeneration and vacuum of the purifier and it can implement auto-control over the valve and pump.

S7-1200 PLC, purifier, control system

TH865

A

1000-3932(2017)08-0725-05

2017-02-04)

方明(1989-)，工程師，從事控制系統維護工作，fangming4230@163.com。