基于PLC的連續氧化過程控制系統設計

曾明輝，談宏華

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430000）

某些化工產業采用人工操作的模式，反應物由工人倒入反應釜中再進行人工攪拌[1]。生產環境惡劣對操作人員的健康有危害，自動化程度低，而且精準性和各過程量的檢測能力都很差。隨著PLC 技術的發展，控制系統的可靠性、穩定性、準確性都得到了極大的改善[2-3]，生產過程朝著無人化、智能化發展。本設計采用PLC S7-1500 為主要控制核心部件，通過4～20 mA 信號或Modbus 通訊協議檢測各流量傳感器、溫度傳感器、液壓傳感器數據，從而控制各個物料泵以及閥門。并在上位機上監控系統運行狀態、更改流量給定值以及報警參數。

1 連續氧化過程控制系統流程及生產要求

1.1 連續氧化過程控制系統流程

連續氧化流程如圖1 所示，圖中P 為泵；FT 為流量計；TT 為溫度計；TV 為冷卻水管路氣動隔膜閥；LV 為出料管路氣動電磁閥。

圖1 連續氧化控制流程圖Fig.1 Continuous oxidation control process

（1）反應溶劑經過泵P-0101 以及泵后端的流量計FT0101，在微換熱器R-0101 中預冷后進入反應釜V-0101A。

（2） 反應物A 經過泵P-0102 以及泵后端的流量計FT0102，在微換熱器R-0102 中預冷后再分流進入反應釜V-0101A/B；P-0102 在50 min 左右將物料進完，前幾分鐘流量較小，后面流量較大，通過流量計調節泵P-0102 頻率。

（3） 反應物B 經過泵P-0103 以及泵后端的流量計FT0103，催化劑經過泵P-0104 以及泵后端的流量計FT0104，兩者進入微反應器R-0103 反應后進入反應釜V-0101A。

（4）冷卻水流經微換熱器R-0101、微換熱器R-0102、微反應器R-0103 以及反應釜V-0101A/B。

1.2 連續氧化過程控制系統工藝生產要求

工藝生產要求反應溶劑、反應物B、催化劑這3種物料先進，反應物A 逐漸加入，要確保整個生產過程中溫度穩定而且各流量計的累計流量精確。

連續氧化過程控制系統分為自動循環和手動單步循環2 種運行模式。在自動循環模式中，全程均由系統自動完成，不需人工操作?？刂屏鞒碳翱刂七壿嬋鐖D2 所示，分為8 個步驟。

步驟1開機之后，反應溶劑泵P-0101，反應物B 泵P-0103，催化劑泵P-0104 同時開啟；

步驟2P-0101 泵有2 個預設累計值1 和2。當P-0101 泵達到累計流量值1 時，停P-0101 泵，開P-0105 循環泵；

步驟3當P-0103，P-0104 泵達到各自的累計流量值時，停P-0103、P-0104 泵；

圖2 自動循環模式下連續氧化過程控制Fig.2 Continuous oxidation process control in automatic circulation mode

步驟4當滿足前2 步條件時，開啟P-0102 泵；

步驟5當P-0102 泵達到自己的累計流量值時，停P-0102 泵，第一次進料完成。開P-0101 泵，進行第二次進料。

步驟6當P-0101 泵達到累計流量值2 時，停P-0101 泵，第二次進料完成。5 min 后停P-0105 循環泵，開始出料。

步驟7出料時開出料閥與出料泵，若差壓液位計為0 則出料結束，停出料閥與出料泵。

步驟8PLC 自檢歸零，開啟下一輪反應。

生產調試過程中需要用到手動單步循環模式[4-5]，在手動單步循環模式中，每次程序只走一步，然后進入待機狀態，當按下上位機中“下一步”按鈕后才進行下一步操作，適用于裝機調試過程中，主要作用為檢測控制邏輯的正確性和設置反應物料配比，正常生產過程中不會采用該模式。

1.3 連續氧化過程控制系統報警和安全聯鎖

（1）通過溫度反饋調節冷卻水管路的調節閥TV，使溫度保持在0 ℃～-5 ℃，當溫度達到高高限時報警并直接停泵P-0102；

（2）若超過3 min，P-0101，P-0103，P-0104 泵沒有達到各自累計流量值則觸發進料超時報警，報警燈亮蜂鳴器響，由操作人員確認后可取消報警狀態；

（3）當差壓液位計達到高高限時，報警，開出料泵，停P-0101，P-0102，P-0103，P-0104，P-0105 泵；當差壓液位計達到低低限時關出料泵。

2 系統硬件選型和設計

2.1 控制系統總體設計

本系統主要由HMI 觸摸屏、 流量計、 溫度計、PLC 各模塊組成。溫度計與PLC 通信模塊之間采用單向連接。流量計、HMI 觸摸屏和PLC[6]之間均采用雙向連接，具體組成如圖3 所示。

圖3 系統主要組成Fig.3 Main components of system

自動循環模式下，不可手動控制單個泵的啟停。管道中化學藥品的流量變化時，流量計會將流量通過變送器轉變為4～20 mA 電流模擬量信號輸入給Modbus 通信模塊[7]，Modbus 模塊會將模擬量信號轉變為數字量信號傳輸給現場控制單元PLC，從而PLC 根據流量計的流量和泵的工作狀態判定系統的控制邏輯，從而控制泵的啟停和頻率。

現場控制模塊也會將各個泵的工作情況以及流量計的瞬時流量、累計流量等信息傳輸給上位機人機交互模塊實時24 小時監控。當前期系統調試完成后，觸摸屏即被鎖進防爆箱中。操作人員僅可操作防爆箱上的“啟動”、“停止”、“確認”、“急停”按鈕來控制系統。如果遇到緊急情況，操作人員可以按下PLC 控制柜上的“急?！卑粹o關閉所有的泵和閥門，保證系統和操作人員的安全，如圖4 所示。

圖4 電控箱布置示意圖Fig.4 Layout diagram of electric control box

2.2 系統硬件選型

PLC 選型： 為了保證連續氧化控制系統按照設計的控制邏輯工作，本系統采用西門子S7-1500 為控制核心，控制泵、氣動電磁閥和報警裝置正常工作。另搭配8 通路AI 模塊（4～20 mA）、4 通路AO 模塊（4～20 mA）、16 通路DI 模塊、16 通路DO 模塊（驅動繼電器）與含MODBUS 主站通信功能的RS485通信模塊。

HMI 人機界面：威綸通cMT3160X 人機界面，15.6寸高分辨率觸摸屏，4G 內存，四核心Cortex-A17 CPU，抗干擾能力強。

流量計：流量計選型要求根據反應物化學特性和流量特性來選擇最為適當的流量計型號[8]，1 號泵后端連接選用KROHNE 金屬轉子流量計；2 號和4號泵后端連接選用ROSEMOUNT 對夾式電磁流量計傳感器；3 號泵后端連接選用科里奧利質量流量計。因為物料密度是不均勻的，而且隨著溫度變化物料密度也會有波動，而補償式流量計是通過體積乘以密度來得出質量，質量流量計可以直接測得質量。所以質量流量計比補償式流量計精度更高。

計量泵的流量有波動，為了使之平滑，在進料管道上的各流量計與泵之間的連接增加脈沖阻尼器和背壓閥。目的是為了保持泵出口有一恒定壓力，改善泵出水流量的穩定性，減小水錘對系統的危害，減小流速波動的峰值，保護管路不受壓力波動的沖擊。檢測到管路中流量變化時，流量計發送信號給PLC，PLC 控制泵的啟停。通過基于流量計監控網絡實現控制系統安全可靠運行。

液位檢測：選用KROHNE 壓力變送器，當反應釜中的液位發生變化時，壓力變送器發送信號給PLC。

溫度傳感器：選用熱電阻溫度傳感器，為一體化溫度變送器[9]。安裝在微換熱器和反應釜后端管路中，測量管路中的液體溫度，通過LED 顯示屏實時就地顯示并將信號傳遞給PLC，PLC 根據反應釜后端的溫度PID 調節冷卻管路氣動電磁閥閥門開度。

3 系統調試功能設計

因為施工現場的環境不同，導致反應物進料量設置可能與組裝系統時實驗的不同，因此可以在正式開車之前，打開電氣柜HMI 防爆玻璃蓋板，在上位機上對投料總量進行設置。調試階段HMI 面板上的按鈕全部顯示，可以單獨控制每個泵的啟停以及采用手動單步循環模式對每一步的控制邏輯進行檢查。當調試完成后，隱藏HMI 界面上的觸控按鈕，合上防爆玻璃蓋板。操作人員只允許通過電氣柜上的實體電氣按鈕對控制系統進行操作，HMI 界面則起到反應步驟顯示、實時溫度液位顯示、各元件工作狀態顯示以及報警原因顯示等功能。

3.1 量程轉換

使用西門子博圖軟件中的“SCALE”指令，通過“SCALE”指令將參數IN 上的整數轉換為浮點數，該浮點數在介于上下限值之間的物理單位內進行縮放。通過參數LO_LIM 和HI_LIM 來指定縮放輸入值取值范圍的下限和上限，指令的結果在參數OUT中輸出，如圖5 所示。

圖5 SCALE 指令梯形圖Fig.5 Instruction ladder of SCALE

其中EN，ENO 分別表示使能輸入和使能輸出；BIPOLAR 指示將參數IN 的值解釋為單極性或雙極性，1 為雙極性，0 為單極性。

3.2 系統通訊及調試

Modbus 協議是由美國MODICON 公司開發的一種通信協議[10]。目前我國電力和化工行業已經廣泛使用集散控制系統DCS。不過在大多數場合，DCS系統都與其他專用控制系統混合使用。專用系統包含PLC、數據采集器、智能控制器、智能儀表等?，F在幾乎所有的DCS 系統都提供了Modbus 通信接口。

Modbus 協議采用Master-Slave 技術，是一種應答方式的通信協議。一個Master 可以對應一個或多個Slave，只有Master 才可進行初始化的詢問，為Slave 分配地址，對所有的Slave 發送廣播信息。Modbus 協議在多點通信時采用RS-485 串口通信標準，如圖6 所示。

圖6 Modbus 協議多點通信Fig.6 Modbus protocol multipoint communication

系統中PLC 上RS-485 通信模塊在通訊時以讀取流量計、溫度傳感器數據為主，當要給現場儀表復位時，將復位信號寫入各儀表?，F場出現遇到復位故障的情況時，可能是儀表信號線與泵等執行器的動力線安裝在同一線槽中導致，也可能是流量計本身出現問題。因此需要判斷通訊模塊輸出復位信號后，流量計的流量是否小于某個數值，如果小于則復位成功，否則一直執行復位操作。

3.3 流量計量過程及調試

計量故障[11]的原因可能有以下兩方面：①現場設備故障致使儀表的輸出電流信號與實際流量不符，從而影響后續計量數據處理準確度；②PLC 程序不完善造成計量不準。

因此，第一步首先對現場設備進行檢查：當介質以恒定流量流通管道時，節流裝置前、后端的取壓管可以取得穩定真實的壓力差，證明節流裝置功能正常。再對檢測儀表，即差壓變送器進行校準，保證差壓變送器輸出電流與實際流量相符。該工作完成后，計量不準問題依舊，故排除現場設備原因。

第二步，對PLC 計量處理程序進行核查：PLC系統對接入的儀表輸出電流進行模數轉換后先需要作標度變換，才能得到與實際流量對應的瞬時流量值。使用信號發生器模擬儀表輸出電流，經程序處理后的瞬時流量值與實際值能夠對應一致，這說明獲取瞬時流量值的程序正常。接下來檢驗累計程序的功能，檢驗方法為將累計值清零后，模擬輸入某個穩定瞬時流量值，在單位時間內查看累計流量值的變化。經模擬檢測單位時間的累計流量值與瞬時流量值是否完全對應。

4 人機界面

采用威綸通cMT3160X 的配套組態軟件Easy-BuilderPro 組態上位機畫面[12]。EasyBuilderPro 可以將控制流程可視化并對系統工藝參數進行實時修改，畫面中可以設置不同權限的管理員與用戶和各自的登錄密碼，軟件的報文系統可以實時緩存、歸檔系統現場狀態、設定數據并可連接現場打印機；軟件內置曲線控件可實時監控或查看現場數據，以便分析和排查問題。本系統畫面由按鈕窗口、流程圖、參數設置、報警設置、TIC0104 調節器等窗口組成，本系統的主畫面如圖7 所示。

圖7 HMI 組態界面Fig.7 HMI configuration interface

5 結語

本系統設計了一套基于PLC S7-1500 的連續氧化過程控制系統，主要分為硬件設計和PLC 軟件設計。硬件設計包括了傳感器和電氣設備的選型以及電氣柜布置；軟件設計包括了使用博圖V15 軟件進行PLC 編程以及使用HMI 界面配套的編程軟件EasyBuilderPro 進行人機界面的編制。經過現場調試，實現了連續氧化過程控制系統的自動控制，并可在HMI 界面上對生產過程進行實時監控。本系統邏輯清晰、條理分明、層次清楚，能夠依據實際生產需要達到控制要求。