基于PLC的催化交換工藝控制系統設計

李樂斌，齊恩伍，呂衛星，胡石林

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

分離氫同位素和氫同位素水的基本原理是基于氫同位素水的物理與化學性質的差別。現在使用的分離方法有化學交換法、電解法、蒸餾法、氣相色譜法等[1]。經過多年的研究與發展，特別是催化劑制備技術的提高，促進了氫-水同位素交換工藝的不斷改善。氫-水同位素分離的電解法已由簡單的氣相催化交換，發展到液相催化交換，再到聯合電解催化交換工藝技術[2-3]。聯合電解催化交換工藝將電解和化學交換分離方法結合，分離因子很高且操作溫度較低，在氫-水同位素分離領域得到很大的應用。氫氣與液態水催化交換過程中工藝條件容易控制，重組分向液態水中轉移的方向，與電解過程中重組分向電解液中濃集的方向一致[4-5]。為進一步了解催化交換反應過程，實驗室建立了一套三級聯合電解催化交換裝置，用于研究催化交換工藝和選擇合適的反應控制條件。根據工藝具體要求，提出了一種基于PLC 的工藝控制方法并建立系統應用于現場。利用PLC 及其IO 模塊完成了溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的測量與控制。

根據工藝流程建立三級串聯實驗裝置，裝置實物如圖1所示。圖中可看出3 個催化交換塔塔徑不同，可以單級運行也可以串級運行。每級塔工藝流程相同，因此三級塔工藝裝置控制對象和控制方式相同。通過對工藝流程的分解得知，控制系統應該包括電解槽的控制、交換塔底部的液位控制、保溫水控制，液體流量控制，壓力、溫度和氣體濃度信號采集等。工藝介質中包含爆炸性氣體，要求所用傳感器具有防爆性，模擬量信號要經過安全柵隔離。從安全運行方面考慮，系統還包括報警與安全連鎖功能。

圖1 三級串聯交換塔實驗裝置Fig.1 Experimental device of three-stage series exchange tower

1 控制系統硬件組成

依據交換工藝具體要求，提出了控制系統設計方案。該系統選擇PLC300 為主控制器，配置相應的AI、AO、DI、DO 模塊，且通道有冗余配置。模擬量信號經過安全柵隔離，數字量信號經過繼電器隔離。系統中包含獨立運行的PLC 系統，分別是三套電解系統、冷卻水系統和保溫水系統。它們通過交換機直接與上位機通訊。具體控制系統結構如圖2所示。從圖中可知串口服務器通過RS485 接口連接氫氣濃度測量儀、氣體質量流量控制器、保溫水系統的溫控儀。串口服務器選擇工業級機架式結構，16路RS232/485/422 轉以太網接口。串口可獨立全雙工工作，互不干擾且光電隔離。控制系統以交換機為中心組建星型網絡結構，分別連接電解系統兩個PLC300、主工藝PLC300、工控機、冷卻水PLC1200、電解系統PLC200 和串口服務器。主工藝的PLC300組態PROFINET 網絡與閥島相連，用于控制氣動閥，實現緊急情況下的應急操作。主工藝系統采集工藝的溫度、壓力信號并完成液位PID 控制和報警與安全連鎖功能。安裝在工控機的上位機軟件依靠OPC 服務器訪問各級PLC，完成工藝參數交互通訊。電氣與控制機柜實物圖如圖3所示。電氣機柜主要集成有加熱器和泵的控制。泵有遠程與機旁、手動與自動切換開關，加熱回路設置有急停按鈕。PLC 機柜頂安裝聲光報警燈，提示操作人員報警狀態。

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Structure diagram of control system

圖3 電氣與控制機柜實物圖Fig.3 Physical drawing of electrical and control cabinet

2 控制系統軟件編寫

控制系統軟件部分包括開發PLC 程序和上位機畫面程序。由于PLC 硬件選用西門子控制器，編程軟件首選博途。博途又叫做全集成自動化軟件，是西門子推出的全新的工業自動化軟件，采用新型、統一軟件框架，可在同一開發環境中組態可編程控制器和人機界面，集成了傳統的西門子STEP7和WINCC 的功能，可以更加直觀、高效、快速地進行自動化項目的開發[6]。閥島通過PROFINET 網絡與PLC 通訊，硬件組態時需首先安裝閥島的GSD文件，然后在硬件組態與網絡視圖界面中設置IP 地址，建立PROFINET 網絡，最后根據硬件型號配置閥島的參數模塊，配置PROFINET 網絡如圖4所示。

圖4 配置PROFINET 網絡Fig.4 Configuring PROFINET network

對于常規溫度、壓力信號的測量，PLC 編程時可以調用SCALE 縮放指令完成標準電流信號采集，調用UNSCALE 取消縮放指令完成模擬量標準電流信號輸出。程序中還包括液位的PID 控制程序。通常情況下要保證PID 調節節奏與PLC 采樣周期保持一致性，將PID 程序編寫在中斷組織塊中，本系統在組織塊OB35 中編寫PID 程序。編程時可以調用系統集成的基本連續PID 控制器，并增加無擾切換功能即在手自動控制切換時，保證調節量不會跳變。用梯形圖語言編寫電氣設備啟?？刂婆c狀態反饋、工藝參數報警與安全連鎖等邏輯控制，保障系統穩定運行。

上位機軟件是操作員完成工藝流程監控的界面，包括數據顯示、存儲、歷史趨勢、操作指令輸入、設備狀態顯示等信息。本系統串口通訊設備比較多，且通訊協議非標準格式，不能被PLC 直接獲取，需要開發自由口驅動程序，難度較大。綜上原因，采取上位機軟件直接編寫設備驅動程序的方法，獲得設備運行參數。上位機軟件采用NI 公司的LabVIEW軟件，它提供了大量的工具與函數用于數據采集、串口控制、數據分析和數據存儲，是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言[7]。

2.1 上位機軟件OPC 通訊

LabVIEW 軟件可以通過多種方式與任何可編程控制器進行通訊，常用的通訊方式包括OPC 通訊、以太網通訊、串口通訊等。本系統選擇OPC 服務器與PLC 通訊。OPC 定義了在控制設備和人機界面之間進行實時對象數據通信標準，利用它可以將不同開發商研發的驅動程序與應用軟件有機地集成或連接起來[8]。LabVIEW 軟件安裝DSC 模塊后可以生成OPC 服務器。打開服務器，選擇通訊協議建立連接通道，填寫PLC 以太網地址連接相應的PLC，最后新建標簽變量，綁定對應的PLC 物理地址即可建立連接。圖5表示OPC 與PLC 之間建立的標簽變量。從圖5可以看出，溫度、壓力變量通過數組變量連接，其他變量按照位、雙字數據格式連接。通過OPC 服務器將控制系統中所有PLC 與LabVIEW 建立通訊，上位機可以按需對所有建立的標簽變量進行讀、寫操作。

圖5 OPC 與PLC 之間建立的標簽變量Fig.5 Label variables established between OPC and PLC

系統中的氣體質量流量控制器也是通過OPC服務器與上位機通訊。氣體質量流量控制器為MOD BUS-RTU 協議，RS458 串行接口，通過串口服務器連接上位機。在OPC 服務器中配置儀器通訊協議，直接訪問通訊協議說明的數據存儲地址獲取數據。

2.2 上位機軟件串口通訊

控制系統中溫控儀和氣體濃度測量儀支持串口通訊，用LabVIEW 編寫串口通訊驅動程序主要用到VISA 函數。它包括VISA 配置串口、VISA 寫入、VISA 讀取、VISA 關閉和屬性節點函數[9]。氣體濃度測量儀的串口通訊程序如圖6所示。編程時首先初始化串口，按照儀表的自定義通訊協議寫入特定的語句，最后讀取字符串數據進行解析，得到真實測量數據。編寫程序時在讀取數據前必須添加Bytes at Port 這個串口屬性節點，避免在讀取字節個數與儀表發送的字節數不匹配，導致數據分析時發生錯誤。使用此屬性節點可以讀取當前串口緩沖區的字節數，然后將它的輸出連接到VISA 讀取的輸入端。這樣緩沖區數據就可以完整讀取，不會有任何等待和數據錯位情況。另外在讀寫數據時一般要添加延時等待命令，可以提高程序的時效性，避免數據的讀寫沖突。

圖6 氣體濃度傳感器的串口通訊程序Fig.6 Serial communication program of gas concentration sensor

3 結語

為了進一步研究工藝的優化路線，實驗室建立了一套串級聯合電解催化交換實驗裝置，用于研究氫-水液相交換過程，摸清楚工藝運行條件。根據工藝流程的具體要求設計了一套基于PLC 的控制系統并應用于現場裝置。該控制系統集成多種通訊協議，連接多種類型PLC 系統，經實驗驗證達到了數據采集與控制要求。上位機軟件依靠OPC 服務器連接PLC 系統、智能儀表，實現數據的交互。通過LabVIEW 軟件實現了工藝參數采集與顯示、流量和液位PID 控制、歷史趨勢、報警與安全連鎖等功能，達到工藝運行要求。經過長期實驗運行表明，該控制系統具有較好的運行界面、操作簡單，運行穩定、可靠，為相關領域提供參考價值。