馮 梅 范玉德 蘇會忠

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

在中國工程物理研究院化工材料研究所新建設(shè)的某化工生產(chǎn)線中，精餾過程是工藝中一個非常重要的流程。精餾過程就是將一定濃度的混合液送入精餾裝置，使其反復進行部分的汽化和冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達到規(guī)定的濃度[1]。精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即同一溫度下各組分的蒸氣分壓不同，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相，實現(xiàn)組分的分離。先進的自控技術(shù)是實現(xiàn)精餾過程節(jié)能、降耗和增效最直接的手段之一，其研究對于生產(chǎn)線實現(xiàn)節(jié)能、增效目標具有重要的理論和實際意義。由于精餾過程輸入、輸出設(shè)備較多，過程控制較為復雜，傳統(tǒng)的繼電器控制方法已經(jīng)很難滿足復雜的控制系統(tǒng)設(shè)計要求。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、編程和操作靈活方便、硬件配套齊全、適應(yīng)性強以及易于控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和擴展等優(yōu)點[2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。目前市場上的組態(tài)軟件很多，KingVIEW作為一款優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件由于具有操作界面可視化、功能強大、豐富的設(shè)備支持庫及開發(fā)簡潔等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。在此，采用PLC和KingVIEW設(shè)計某化工精餾過程控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信號處理、流量累積、過程控制、實時操作以及實時顯示工藝數(shù)據(jù)等功能。

1 硬件組成①

某化工精餾生產(chǎn)線自控系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，包括工業(yè)控制計算機、PLC、以太網(wǎng)、Profibus-DP現(xiàn)場總線及現(xiàn)場I/O設(shè)備等，完成生產(chǎn)過程的操作、控制與監(jiān)視。

圖1 某化工精餾過程控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

精餾控制系統(tǒng)是一個中大型控制系統(tǒng)。PLC的選型主要根據(jù)控制系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量的輸入、輸出點數(shù)，主站/從站要求，I/O擴展以及脈沖控制等特殊要求來選擇。根據(jù)工藝和控制要求，精餾控制系統(tǒng)選用S7-300系列產(chǎn)品，以S7-315-2DP為主機，通過Profibus-DP總線連接兩個ETM-200從站，其中2#從站為精餾控制，包括3塊6ES7 SM321-1BL00-0AA0型數(shù)字量輸入模塊DI；一塊6ES7 SM322-1HH01-0AA0型數(shù)字量輸出模塊DO；兩塊6ES7 SM331-7KF01-0AB0型模擬量輸入模塊AI；一塊6ES7 SM332-5HD01-0AB0型模擬量輸出模塊AO。

2 系統(tǒng)軟件

在精餾工藝中，回收溶劑流量是關(guān)鍵的測量參數(shù)和控制點。設(shè)計采用PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信號處理、流量累積和批量控制。在工控機操作員站上，用KingVIEW軟件實現(xiàn)流量的瞬時量和累積總量的顯示，以及總流量值的設(shè)定和批量控制。

2.1 流量控制程序

2.1.1PLC響應(yīng)時間

PLC的CPU運行方式采用掃描技術(shù)，即順序逐條地掃描用戶程序的運行方式。PLC的掃描包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行及輸出刷新等階段。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述各階段。輸入采樣階段是PLC以掃描的工作方式，按順序?qū)⑺行盘栕x入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中存儲。用戶程序執(zhí)行階段是PLC按順序?qū)Τ绦蜻M行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器、內(nèi)部元件寄存器和輸出映像寄存器中獲得所需的數(shù)據(jù)進行運算與處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。輸出刷新階段是在執(zhí)行完用戶所有程序后，PLC將映像寄存器中的內(nèi)容送入到寄存輸出狀態(tài)的輸出鎖存器中，再去驅(qū)動用戶設(shè)備[2]。PLC的工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程

PLC的響應(yīng)時間是指從檢測到輸入信號到修改相應(yīng)的輸出信號之間的時間。響應(yīng)時間包括過程映像傳輸時間、操作系統(tǒng)執(zhí)行時間、用戶程序執(zhí)行時間、S7定時器執(zhí)行時間、輸入延遲時間和輸出延遲時間。

系統(tǒng)設(shè)計采用S7-300PLC，其硬件配置如圖1所示，具體包括：4個機架；一個CPU315-2DP；11個數(shù)字量輸入模塊SM321——DI16×24V(DC)(在過程映像區(qū)，每塊占用2Byte)；6個數(shù)字量輸出模塊SM322——DO16×24V(DC)/0.5A(在過程映像區(qū)，每塊占用2Byte)；5個模擬量輸入模塊SM331——AI8×12bit(不在過程映像區(qū))；一個模擬量輸出模塊SM332——AO4×12bit(不在過程映像區(qū))。用戶程序的執(zhí)行時間為4ms，CPU315-2DP的CPU專用因子為1.19。

過程映像傳輸時間t1：輸入過程映像147.0μs+22Byte×13.6μs=0.45ms；輸出過程映像147.0μs+12Byte×13.6μs=0.31ms；t1=0.45ms+0.31ms=0.76ms。

操作系統(tǒng)執(zhí)行時間t2：循環(huán)控制約1.00ms。

用戶程序執(zhí)行時間t3：4×1.19ms=4.76ms。

S7定時器執(zhí)行時間t4：最多有30個定時器在運行，即30×8.0μs=0.24ms。

輸入延遲時間t5：模擬量輸入模塊SM331——AI8×12bit，50Hz干擾頻率抑制被參數(shù)化，這允許每通道的轉(zhuǎn)換時間為22.00ms，且8個通道均激活，故模擬量輸入模塊的延遲時間t5=8×22.00ms=176.00ms。

輸出延遲時間t6：模擬量輸出模塊SM332——AO4×12bit，測量范圍0～10V被參數(shù)化。每通道的轉(zhuǎn)換時間為0.80ms，4個通道均激活，同時電阻負載的設(shè)置時間為0.10ms。故模擬量輸出模塊的延遲時間t6=4×0.80ms+0.10ms=3.30ms。

當流量模擬量輸入和輸出時，其響應(yīng)時間T=2(t1+t2+t3)+t4+t5+t6=192.30ms。

2.1.2流量累積

流量累積示意圖如圖3所示。實際的瞬時流量值f(t) (單位為L/h)一直是變化的，即瞬時流量值f隨時間t而不同。首先將瞬時流量通過標度轉(zhuǎn)換成每秒的瞬時流量f(t)(單位為L/s)。然后以Δt(單位s)為時間間隔(假設(shè)在Δt內(nèi)的瞬時流量值近似不變)，每隔Δt提取一個瞬時流量，并以該值作為Δt內(nèi)的瞬時流量。

圖3 流量累積示意圖

而某一時間段內(nèi)的累積流量F就是所有Δt內(nèi)的瞬時流量值的累加，即：

(1)

實現(xiàn)流量累積的程序塊執(zhí)行時間不能太短，需大于PLC的響應(yīng)時間，否則PLC每掃描一個周期，累積程序塊就執(zhí)行一次，會導致寄存器數(shù)據(jù)過大而迅速溢出。另外，執(zhí)行時間也不能太長，否則會導致累積精度不夠。

2.1.3PLC程序

流量控制程序由PLC實現(xiàn)，流量累積子程序流程如圖4所示。首先對采集到的瞬時流量值進行標度轉(zhuǎn)換(如4～20mA對應(yīng)0～500L/h)，轉(zhuǎn)換后的工程量值在控制室工控機上顯示。然后在控制室工控機的參數(shù)設(shè)定畫面上設(shè)定好所需溶劑的總流量值，點擊累積開始，開始進行瞬時流量的累積，同時開啟氣動閥。調(diào)整比例因子，在發(fā)出累積脈沖后，計算累積得到溶劑的總流量，同時在工控機上顯示總流量值。如果流量到達設(shè)定值，則關(guān)閉氣動閥，流量累積結(jié)束。如需對累積總量進行清零，則對累積總量賦零即可。

流量累積程序塊為FC156，本系統(tǒng)采用該程序塊實現(xiàn)流量的累積，經(jīng)多次水和回收溶劑實驗，達到了滿意的效果。

圖4 流量累積子程序流程

2.2 組態(tài)程序

PLC與上位機通過PC/PPI通信電纜物理連接，上位機KingVIEW6.53與下位機PLC之間采用PPI協(xié)議實現(xiàn)通信。上位機裝有Step7編程軟件和KingVIEW監(jiān)控軟件，可以進行控制算法編程，并為過程控制提供良好的人機界面[3]。

在KingVIEW工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)選擇設(shè)備→新建→設(shè)備配置向?qū)В缓笈渲盟B接設(shè)備的各項參數(shù)，包括設(shè)備、生產(chǎn)廠家、通信方式、設(shè)備名稱和地址、波特率、奇偶校驗、通信超時及宕機時間等其他通信參數(shù)。

數(shù)據(jù)庫是KingVIEW軟件的核心部分[4]。圖形界面系統(tǒng)及I/O驅(qū)動程序等組件均以數(shù)據(jù)庫為核心，相互通信并共享數(shù)據(jù)，是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。在KingVIEW數(shù)據(jù)庫中，變量的集合稱為數(shù)據(jù)詞典，定義了每個數(shù)據(jù)變量的變量名、變量描述、變量類型和ID。

為系統(tǒng)設(shè)計的廢溶劑精餾回收和輔助系統(tǒng)畫面如圖5所示。

圖5 廢溶劑精餾回收和輔助系統(tǒng)畫面

3 結(jié)束語

采用PLC、KingVIEW及Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，中國工程物理研究院化工材料研究所成功設(shè)計化工生產(chǎn)線精餾工藝的自控系統(tǒng)。運用軟件方法實現(xiàn)了精餾化學廢溶劑流量的數(shù)字化控制，實現(xiàn)了液體流量的實時采集、總量累積和自動控制工藝段流程。既提高了控制精度，又降低了成本。采用KingVIEW開發(fā)的人機對話系統(tǒng)提高了操作的數(shù)字化和可視化程度，也方便了工藝數(shù)據(jù)管理和生產(chǎn)報表。運行結(jié)果表明：控制系統(tǒng)自動化程度較高、精度較高、穩(wěn)定性較好、操作方便，對于生產(chǎn)線實現(xiàn)節(jié)能增效的目標具有實際意義，也為其他生產(chǎn)線精餾過程的自控系統(tǒng)設(shè)計提供了有益的借鑒。