范忠雷 楊 璐 丁 領 張健東

(鄭州大學化工與能源學院)

虛擬硫酸配酸過程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

范忠雷 楊 璐 丁 領 張健東

(鄭州大學化工與能源學院)

以硫酸配酸過程為控制對象，采用易控組態(tài)軟件、GX Simulator和MX Component軟件構建虛擬硫酸配酸操作實驗系統(tǒng)，給出了虛擬硫酸配酸實驗平臺的實現(xiàn)方法及其虛擬配酸操作的控制過程。在MX Component通信軟件的支持下，易控組態(tài)軟件可以在計算機上建立上位機和PLC仿真平臺間的聯(lián)系，實現(xiàn)硫酸配酸控制系統(tǒng)上位機控制界面與下位機PLC的同步控制和仿真操作過程。

硫酸配酸系統(tǒng) 同步控制 易控組態(tài)軟件 GX Simulator MX Component

在稀硫酸的配置過程中，進行配酸操作時為避免酸液爆沸或飛濺，并提高配酸效率，生產(chǎn)企業(yè)常通過配酸工段將98%的濃硫酸配制成給定濃度的稀酸[1]。筆者以實際的配酸控制過程為研究對象，基于易控組態(tài)軟件和三菱PLC編程平臺GX Developer，結合GX Simulator和MX Component軟件構建全虛擬硫酸配酸實驗系統(tǒng)，研究全虛擬配酸實驗平臺的實現(xiàn)方法以及虛擬硫酸配酸操作的模擬控制過程。該方法將不易實現(xiàn)的工業(yè)過程和PLC實驗通過計算機軟件虛擬化，實驗內容將不再受實驗室儀器設備、地點和時間的限制[2,3]。

1 硫酸配酸工藝簡介

硫酸配酸操作包括濃硫酸加料、混合攪拌及出料等步驟，主要工藝控制過程是通過濃硫酸泵和工藝水泵將濃硫酸和工藝水輸送到一級混合器，初步混合后進入攪拌式混合器，在攪拌和循環(huán)方式下進行硫酸液混合。配酸操作過程中，通過流量傳感器和pH值傳感器檢測濃硫酸流量，工藝水流量，以及混合溶液的pH值，通過比值控制系統(tǒng)調節(jié)濃硫酸和工藝水的加料量。當工藝參數(shù)滿足要求后，打開三通返回閥，混合稀硫酸進入稀酸儲罐中儲存。

2 PLC程序設計

在對比值控制系統(tǒng)進行簡化的基礎上，分析硫酸配酸系統(tǒng)中泵、閥門的啟閉和配酸的控制要求，確定系統(tǒng)中關鍵部件的操作過程、功能與時序。編制的PLC梯形圖如圖1所示，配酸過程啟動，設置總開關X001(上升沿檢測觸點)；系統(tǒng)運行后，由輸出觸點Y001控制濃硫酸進口閥和工藝水進口閥的啟閉，進行配酸操作，工藝水和濃硫酸在容器內混合，溶液pH達到設定值之后，三通返回閥觸點Y002打開，根據(jù)工藝預設的出料時間來控制返回閥觸點Y002關閉，實現(xiàn)稀硫酸出料操作；完成濃硫酸配酸過程，通過復位開關觸點X002進行復位；設置開關觸點X003控制出口閥Y003的啟閉。

圖1 配酸過程控制系統(tǒng)梯形圖

3 配酸過程控制界面

根據(jù)硫酸配酸控制系統(tǒng)的工藝過程和控制要求，采用易控組態(tài)軟件[4]設計配酸過程的監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)曲線及操作界面等(圖2)。其中靜態(tài)界面由標題欄、界面運行狀態(tài)顯示區(qū)、數(shù)值監(jiān)控顯示區(qū)和操控按鈕區(qū)組成；界面動畫包括流線設計、液位設計、開關設計及泵設計等。

圖2 配酸時控制系統(tǒng)主監(jiān)控界面

工程變量是易控工程中不斷變化的數(shù)據(jù)，是實時數(shù)據(jù)庫的基本構成單元。在易控工程中，根據(jù)硫酸配酸操作的實際情況，在工程窗口的“變量”節(jié)點下新建變量組“硫酸配酸”，雙擊“硫酸配酸”打開新建變量組，在工作區(qū)中進行工程變量配置。硫酸配酸控制系統(tǒng)涉及的變量有返回閥、進口閥、出口閥、輸入值、pH值、總流量、混合器液位、工藝水流量、濃硫酸流量及扇葉等。在這些變量中，有些變量(如混合器液位、流量、pH值、系統(tǒng)運行開關及泵閥門的啟閉等)可以通過畫面與參數(shù)要求直接進行關聯(lián)設置；而另一些變量設置則需要在程序設計時進行程序編寫，作為中間變量運用到畫面控制中。對這些變量的類型和參數(shù)也進行了設置，其中變量總開關、進口閥、返回閥和出口閥的類型設置為開關型，初始值設定為False；變量pH值和輸入值類型設置為實數(shù)型，初始值設定為7.0，數(shù)值變化范圍從0.0變化到7.0；扇葉設置為整數(shù)型，設定初始值和最小值為1；水流量、酸流量、水箱值和總流量設置為整數(shù)型，初始值設定為0、最大值100。

硫酸配酸操作(濃硫酸加料、攪拌混合和出料)的發(fā)生都按配酸操作條件依次發(fā)生。在易控用戶程序設計時，為了實時展現(xiàn)各個配酸過程的動畫顯示和關聯(lián)過程，工程采用用戶程序將配酸操作條件準確表達出來，用循環(huán)方式和比值控制方式仿真硫酸配酸控制系統(tǒng)的操作過程。

設備變量指易控讀寫設備的信息，對PLC而言，主要是指寄存器信息。要實現(xiàn)易控工程與PLC設備的聯(lián)系，需進行PLC程序的輸入變量和輸出變量分配，建立下位機PLC寄存器(設備變量)與易控組態(tài)軟件變量(工程變量)的對應關系，也就是關聯(lián)工程變量與相應的設備變量。具體操作過程是分析設計完成的梯形圖和易控配酸工程，通過易控界面的“變量關聯(lián)設置”建立設備變量和相應工程變量的聯(lián)系，本工程需要關聯(lián)的變量包括：X001觸點←→總開關變量；Y001觸點←→進口閥變量；Y002觸點←→返回閥變量；Y003觸點←→出口閥變量。

4 硫酸配酸過程仿真

硫酸配酸系統(tǒng)組態(tài)和PLC控制程序設計完成后，通過軟件編譯和運行，實現(xiàn)配酸過程的仿真。具體過程為：啟動編程軟件GX Developer，打開硫酸配酸系統(tǒng)PLC應用程序，點擊GX Developer菜單欄啟動仿真程序，校核完成后進入GX Simulator仿真運行界面，虛擬PLC自動設置為運行狀態(tài)。同時，依次啟動MX Component軟件和硫酸配酸系統(tǒng)易控工程，實現(xiàn)虛擬GX Simulator仿真器與易控工程的通信聯(lián)系。通信成功后，進入易控組態(tài)工程主界面，點擊工具欄上的“運行”選項，硫酸配酸系統(tǒng)仿真運行，主監(jiān)控畫面按PLC程序設計顯示虛擬硫酸配酸的各個操作過程。

在配酸系統(tǒng)的控制界面，硫酸配酸可以簡化為兩個簡單的操作過程，一是點擊系統(tǒng)總開關后，濃硫酸和工藝水在容器中的混合過程；二是稀酸溶液pH值達到要求后，三通返回閥打開，稀硫酸進行放液的過程。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)，易控工程在運行的過程中，GX Simulator仿真器中的PLC程序與控制界面的操作是同步運行的。通過易控工程組態(tài)界面的操作，可以實現(xiàn)配酸過程對下位仿真平臺PLC程序的實時控制。同時，通過GX Simulator仿真軟件也可以實現(xiàn)PLC下位機對上位機易控工程控制界面的反向同步操作，實現(xiàn)硫酸配酸系統(tǒng)的同步控制和仿真操作過程。

5 結束語

基于易控組態(tài)軟件的工程設計，采用GX Developer、GX Simulator和MX Component軟件構建了虛擬硫酸配酸操作的實驗系統(tǒng)，在計算機上建立了易控組態(tài)軟件和PLC仿真平臺之間的聯(lián)系，實現(xiàn)工業(yè)配酸過程上位機控制界面與下位機PLC的同步控制和仿真操作。該虛擬系統(tǒng)能模擬硫酸配酸操作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查看功能，為操作者提供了安全、直觀、完整的虛擬配酸操作平臺。

[1] 蔣曉蕾.硫酸濃度測量的儀表選擇[J].石油化工自動化,2016,52(2):50～53.

[2] 徐健.基于易控組態(tài)軟件的液位監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2015,28(9):18～19,21.

[3] 王海濤,鄭萍,陳彬,等.基于易控組態(tài)軟件全虛擬PLC的實現(xiàn)及應用[J].微計算機信息,2010,26(25):83～85.

[4] 張貝克,尉龍,楊寧.組態(tài)軟件基礎與工程應用(易控INSPEC)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

RealizationofVirtualControlSystemforSulfuricAcidBlendingProcess

FAN Zhong-lei, YANG Lu, DING Ling, ZHANG Jian-dong
(SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity)

Taking sulfuric acid blending process as the controlled object, having INSPEC configuration software, GX Simulator software and MX Component software employed to build an experimental system for virtual sulfuric acid blending operation was implemented, including realization method of the experimental platform and the control process of the sulfuric acid blending. With support of MX Component software, the INSPEC configuration software can establish communication between the host computer and the PLC Simulator on a single computer; and the synchronous control and simulation of the virtual control system can be realized for sulfuric acid blending process.

sulfuric acid blending system, synchronous control, INSPEC configuration software, GX Simulator, MX Component

TH862+.6

A

1000-3932(2017)04-0362-03

2016-09-05，

2016-12-15)

河南省重點科技攻關計劃項目(152102310063)。

范忠雷(1972-)，副教授，從事化工過程裝備控制技術的研究，zhlfan@zzu.edu.cn。