多路巡檢分析控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李樂(lè)斌 武 超 劉 艷 任 英 呂衛(wèi)星

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院）

隨著化工工業(yè)的不斷發(fā)展，各個(gè)工藝中對(duì)樣品分析的頻率和范圍顯著增強(qiáng)，實(shí)時(shí)獲取裝置中組分含量對(duì)產(chǎn)品和安全運(yùn)行至關(guān)重要。 工藝分析能力的持續(xù)發(fā)展和提高，產(chǎn)生了更復(fù)雜的分析儀器、更多的測(cè)量類別。 分析設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)大、可靠，驅(qū)動(dòng)程序、分析系統(tǒng)專用軟件越來(lái)越復(fù)雜，用戶界面也越來(lái)越友好。 然而分析儀配套的取樣系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有什么變化［1］。 考慮到某項(xiàng)目建立的CFETR 等離子體排灰氣氣體分析模擬實(shí)驗(yàn)裝置取樣點(diǎn)多且成分復(fù)雜，需要多種儀器相互配合、多種取樣管道交叉使用等具體問(wèn)題，也為了提高分析系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和安裝成本，降低運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用等，提出一種多路巡檢分析方法并設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，利用幾臺(tái)氣相色譜儀實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)取樣點(diǎn)的在線分析，達(dá)到系統(tǒng)小型化、模塊化和智能化的要求。 多路巡檢分析控制系統(tǒng)中有對(duì)同位素氣體和雜質(zhì)氣體的分析， 包括取樣管線的溫度/壓力/流量信號(hào)控制、閥門(mén)控制、分析數(shù)據(jù)顯示及輔助低溫系統(tǒng)集成等。

1 工藝流程

整個(gè)裝置完成同位素組分取樣分析和雜質(zhì)氣體組分分析，具有取樣點(diǎn)分布廣、組分成分復(fù)雜及成分含量范圍大等特點(diǎn)。 通過(guò)控制進(jìn)樣壓力、 溫度及定量環(huán)體積等幾方面來(lái)調(diào)整進(jìn)樣量，并配合不同的氣相色譜達(dá)到分析的目的。 取樣系統(tǒng)主要是對(duì)樣品進(jìn)行提取、 收集和可能的預(yù)處理，把樣品運(yùn)送到分析儀，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后將其送進(jìn)分析儀，處理分析后的尾氣送回工藝管路或排空［2］。 首先啟動(dòng)干泵抽去取樣管道內(nèi)的殘留氣體，避免產(chǎn)生氣體污染帶來(lái)累計(jì)效應(yīng)，然后沖入惰性氣體進(jìn)行清洗，設(shè)定時(shí)間到后抽真空。 重復(fù)幾次抽洗過(guò)程。 抽洗結(jié)束，保證真空度達(dá)到預(yù)設(shè)值后進(jìn)入等待狀態(tài)。 根據(jù)氣體組分的不同，選擇不同的取樣通道，按照既定的程序進(jìn)行取樣與分析。 取樣裝置由閥門(mén)、調(diào)壓閥、氣體質(zhì)量流量控制器、過(guò)濾器、儀表和傳感器、冷卻器、載氣及管線等組成。 通過(guò)取樣系統(tǒng)與分析儀器的相互配合完成系統(tǒng)的取樣分析。 圖1 為取樣分析流程。

圖1 取樣分析流程示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)工藝流程， 控制系統(tǒng)選擇PLC 1500 作為主控制器，配合氣體質(zhì)量流量控制器、閥島、交換機(jī)、工控機(jī)、溫度和壓力傳感器、色譜儀等設(shè)備組成取樣分析系統(tǒng)。 其中PLC 控制器與氣體質(zhì)流量控制器通過(guò)Profibus-DP 通信、 與閥島通過(guò)Profinet 通信、與工控機(jī)通過(guò)OPC 通信。 氣相色譜儀作為獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備不受PLC 控制，只將所分析的結(jié)果上傳到上位機(jī)界面。 取樣管路上裝有氣動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)閥島控制氣動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)。 常規(guī)溫度、壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)安全柵隔離后接入PLC 的AI 模塊，報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào)輸出到中間繼電器隔離。

從控制精度和集成度方面考慮，智能儀表采用數(shù)字通信方式代替模擬方式，用閥島控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁閥控制。 這些操作可以減少線路數(shù)量，有利于實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化和智能化。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。PLC、工控機(jī)、色譜儀、串口服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)以星型結(jié)構(gòu)連接， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 低溫裝置通過(guò)串口服務(wù)器和交換機(jī)連接到工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)低溫溫度設(shè)定與回讀功能。 控制系統(tǒng)包含各種通信接口的冗余配置，有利于后期設(shè)備硬件維護(hù)，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。 整個(gè)裝置還包括移動(dòng)式壓縮氣泵和干泵。 氣泵為氣動(dòng)閥提供干凈氣源，不參與PLC 控制，只需提供電源即可獨(dú)立運(yùn)行。 管道在抽洗過(guò)程中使用干泵，PLC 通過(guò)輸出DO 信號(hào)控制它的啟停。裝置實(shí)物如圖3 所示。整個(gè)裝置由鋁型材搭建而成，底部有萬(wàn)向輪可以自由移動(dòng)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 裝置實(shí)物圖

3 控制系統(tǒng)軟件編程

控制系統(tǒng)軟件部分包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。 上位機(jī)是可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀態(tài)的PLC［3］。 上位機(jī)程序完成參數(shù)的顯示與設(shè)定、歷史曲線顯示及數(shù)據(jù)記錄等功能。 操作員通過(guò)上位機(jī)界面了解工藝運(yùn)行情況、調(diào)整運(yùn)行工況。 下位機(jī)程序是PLC 編程，PLC 編程已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面［4］。 通過(guò)PLC 可完成數(shù)據(jù)采集、順序控制及聯(lián)鎖報(bào)警邏輯控制等。

上位機(jī)流程圖界面如圖4 所示。 根據(jù)工藝特殊要求， 所有閥門(mén)都有自動(dòng)和手動(dòng)控制模式，每一個(gè)測(cè)量通道都可手自動(dòng)測(cè)量。 界面顯示設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)和分析結(jié)果。 氣體質(zhì)量流量控制器設(shè)置通信開(kāi)關(guān)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)讀寫(xiě)參數(shù)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)一直讀參數(shù)。 這種編程方法可以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高通信響應(yīng)速度。 流量控制器的功能包括流量值設(shè)定與反饋、控制模式切換及清零等。 干泵和氣動(dòng)閥相互作用完成管道的抽洗、取樣過(guò)程，最后將合格的樣品送到分析設(shè)備。 在上位機(jī)中還編寫(xiě)了串口通信程序，利用VISA 模塊，實(shí)現(xiàn)低溫裝置溫度參數(shù)設(shè)定與回讀。

圖4 上位機(jī)流程圖界面

下位機(jī)程序包括PLC 控制器與各設(shè)備之間的各種通信、 常規(guī)信號(hào)采集及邏輯控制輸出等。打開(kāi)編程軟件首先組態(tài)硬件（圖5）。 在軟件程序中分別安裝儀器儀表的GSD 文件或GSDML 文件。系統(tǒng)中，PLC 包括Profibus-DP 和Profinet 兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別連接不同的設(shè)備。 在設(shè)備塊中設(shè)置不同的DP 或IP 地址以建立與PLC 的物理連接。

圖5 PLC 硬件組態(tài)

Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)速度高、成本低，用于現(xiàn)場(chǎng)層主站與從站之間的高速數(shù)據(jù)傳送。 主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息［5］。Profinet 是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，借由Profinet IO 來(lái)實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)連接的外部設(shè)備的通信功能［6］。 裝置中的設(shè)備多采用這兩種通信方式，這樣可以獲得更多的設(shè)備信息。 圖6 顯示了氣體質(zhì)量流量計(jì)控制器Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中添加的設(shè)備參數(shù)。 根據(jù)工藝具體要求，選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備參數(shù)，有利于設(shè)備診斷，提高控制精度，利于裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 設(shè)備參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著分析儀器的不斷更新與發(fā)展，化工裝置要求的在線分析已基本實(shí)現(xiàn)。 而實(shí)時(shí)在線分析要求取樣系統(tǒng)是自動(dòng)化的，并且與整套設(shè)備操作系統(tǒng)是集成在一起的。 依托建立的CFETR 等離子體排灰氣氣體分析模擬實(shí)驗(yàn)裝置，按照工藝流程對(duì)取樣點(diǎn)與組分分析的具體要求，建立了一套多路巡檢分析控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)包括常規(guī)溫度、壓力信號(hào)采集，Profibus-DP 通信，Profinet 通信， 串口通信及OPC 通信等， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取樣分析的功能，達(dá)到系統(tǒng)小型化、模塊化和智能化的要求。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行表明，多路巡檢分析控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作界面友好簡(jiǎn)單、集成度高，實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為取樣分析工程領(lǐng)域提供參考。