方 明 歐陽崢嶸 周辰飛

(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心)

基于S7-1200 PLC的低溫純化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

方 明 歐陽崢嶸 周辰飛

(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心)

介紹了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置中40T混合磁體低溫純化器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案基于S7-1200 PLC，以KTP 600觸摸屏為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合數(shù)據(jù)采集、溫度控制、邏輯運(yùn)算及畫面監(jiān)控等功能于一體的自動化控制系統(tǒng)?；赑LC和溫度控制器的溫控策略實(shí)現(xiàn)了溫度控制的雙重保障。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了純化器純化、再生和抽空3種模式下的溫度、壓力、液位和流量各數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，以及對閥門和泵的自動控制。

S7-1200 PLC 純化器 控制系統(tǒng)

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)是為化學(xué)、材料、物理以及生命科學(xué)研究和多學(xué)科交叉研究提供理想穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場極端實(shí)驗(yàn)條件的裝置，可最大程度地滿足我國多學(xué)科前沿發(fā)展對強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)條件的需求[1]。穩(wěn)態(tài)40T混合磁體是SHMFF的核心裝置，由磁場強(qiáng)度為30T的內(nèi)水冷磁體和10T的外超導(dǎo)磁體構(gòu)成。外超導(dǎo)磁體的冷源由液氦制冷機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過低溫分配閥箱的超臨界氦提供。

純化器作為液氦制冷機(jī)系統(tǒng)中必不可少的部分，在為混合磁體提供高純度氦氣方面起著至關(guān)重要的作用。目前的純化器控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，自動化程度不高，且在純化器再生過程中的溫控系統(tǒng)不夠全面。筆者提出的純化器控制系統(tǒng)針對上述情況做了專門優(yōu)化，同時對純化器再生過程的溫控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并將純化器控制系統(tǒng)與低溫控制系統(tǒng)和混合磁體中央控制系統(tǒng)組網(wǎng)通信，最終實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定高效的純化器自動化控制系統(tǒng)。

1 工藝原理

氦液化裝置的原料氣是從天然氣或空氣中提取的。由于工藝條件的限制，氦氣的純度為99.99%，尚含有少量雜質(zhì)氣體，又因在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中使用濕式氣柜時會使少量油蒸氣等雜質(zhì)滲入氦氣，同時試驗(yàn)裝置(例如恒溫器)的回氣中往往會滲入一定的空氣和水分。因此，氦液化裝置需設(shè)有純化系統(tǒng)。氦氣的純化通常是在室溫下清除油氣和水蒸氣，在低溫下清除雜質(zhì)氣體[2]。

筆者介紹的純化器裝置屬于高壓器外純化系統(tǒng)，即純化器設(shè)置在壓縮機(jī)與制冷機(jī)之間的管路上，原料氣(部分為回收氦氣)在進(jìn)入制冷機(jī)之前完成純化過程。純化后的氦氣存儲在緩沖罐中用于制冷機(jī)供氣和壓縮機(jī)前端低壓時補(bǔ)氣。純化器回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純化器回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

純化器系統(tǒng)主要由干燥筒和吸附筒構(gòu)成，干燥筒的主要部件是位于上部的換熱器和下部的純化筒。換熱器是套管式盤管結(jié)構(gòu)。原料氣首先經(jīng)過干燥筒去除油氣和水蒸氣，再進(jìn)入吸附筒。在吸附筒內(nèi)經(jīng)過盤管換熱器冷卻，進(jìn)入純化筒，純化后的氦氣經(jīng)套管的另一通道復(fù)熱后流出純化器。純化器由5個盛有活性炭的容器串并聯(lián)而成，這些活性炭有不同的結(jié)構(gòu)和型號，分別對雜質(zhì)氣體中含量最大的氮?dú)夂脱鯕庥胁煌潭鹊奈叫Ч?。純化器工藝流程如圖2所示。

圖2 純化器工藝流程示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

筆者所述的純化器系統(tǒng)主要分為純化、再生和抽空3種模式。純化模式中臟氦氣由干燥筒入口進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過干燥筒、盤管換熱器和純化筒純化后變?yōu)榧兒廨敵觥＜兓髟偕鷷r有Dryer和Absorber兩種不同模式，分別對應(yīng)干燥筒的再生和吸附筒的再生。抽空模式同樣也分為干燥筒抽空和吸附筒抽空兩個環(huán)節(jié)。

純化器控制系統(tǒng)是基于S7-1200微型PLC和觸摸屏KTP 600而設(shè)計(jì)的，相較其他方案在兼容性方面有很大優(yōu)勢。S7-1200 PLC使用模擬量輸入模塊和RTD模塊將純化器中各處的溫度、壓力、液位及流量等信號進(jìn)行采集處理，再使用數(shù)字量輸出模塊控制系統(tǒng)中的各閥門、抽空泵和加熱器。

圖3為純化器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，CPU選用1214C型微型PLC，在開發(fā)新的S7-1200 PLC過程中，西門子強(qiáng)調(diào)控制器、人機(jī)界面和軟件之間的無縫集成和完美整合。因此，新的S7-1200微型PLC具有靈活性和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了緊湊設(shè)計(jì)下的高性能，并且仍然適合在較低的性能范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的任務(wù)。交換機(jī)選用SCALANCE X204-2，人機(jī)界面采用KTP 600 Basic mono PN觸摸屏。

圖3 純化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PLC通過交換機(jī)，以Profinet協(xié)議與觸摸屏通信，同時兼容S7-300 系列PLC的Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)，可與低溫分配閥箱控制系統(tǒng)和制冷機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時通信。純化器控制系統(tǒng)與低溫分配閥箱控制系統(tǒng)以及制冷機(jī)控制系統(tǒng)共同作為混合磁體中央控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在混合磁體運(yùn)行過程中與它保持實(shí)時數(shù)據(jù)交換。

3 純化器再生溫控系統(tǒng)

3.1 原溫控系統(tǒng)介紹

再生模式分為干燥筒再生和吸附筒再生兩個環(huán)節(jié)，分別要求不同的溫度控制策略。干燥筒再生模式下，要求溫度控制在100～130℃，而吸附筒再生模式下，則要求溫度控制在50～80℃。

改造之前的純化器再生模式的溫控系統(tǒng)是由兩個溫控器實(shí)現(xiàn)的。加熱器出口的溫度由傳感器模塊分別輸送到兩個溫控器中。干燥筒再生模式下，溫控器1工作，當(dāng)溫度達(dá)到130℃時，溫控器1高溫報(bào)警開關(guān)打開，通過繼電器將加熱器電源斷開，使系統(tǒng)溫度不再上升；當(dāng)溫度低于100℃時，溫控器1低溫報(bào)警開關(guān)打開，通過繼電器重新閉合加熱器電源，使系統(tǒng)溫度上升。吸附筒再生模式下，溫控器2工作，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，溫控器2高溫報(bào)警開關(guān)打開，通過繼電器將加熱器電源斷開，使系統(tǒng)溫度不再上升；當(dāng)溫度低于50℃時，溫控器2低溫報(bào)警開關(guān)打開，通過繼電器重新閉合加熱器電源，使系統(tǒng)溫度上升。

3.2 基于PLC的溫控系統(tǒng)

改造后的溫控系統(tǒng)利用PLC的模擬量輸入模塊，將加熱器出口的溫度采集到PLC中，通過PLC的邏輯運(yùn)算，再輸出控制加熱器。同時，將原系統(tǒng)的兩個溫控器換成一個E5CC-800系列溫控器，該溫控器可同時設(shè)置兩個溫度范圍，在不同的模式下輸出不同的超限報(bào)警信號。另外，將加熱器內(nèi)部的溫度接入該溫控器，將報(bào)警信號串入加熱器控制回路，與PLC控制系統(tǒng)并用，實(shí)現(xiàn)再生模式下溫控系統(tǒng)的雙重保障。

Dryer模式下的PLC溫控系統(tǒng)的程序如下(Absorber模式下的溫控程序與之類似)：

A “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Dryer

= L 16.0

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.000000e+002

)

L S5T#30S

SD T 1

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

)

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.250000e+002

>R //判斷加熱器出口溫度范圍區(qū)間

)

L S5T#30S

SD T 2

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

>R //判斷加熱器出口溫度范圍上限

)

L S5T#30S

SD T 3

A L 16.0

FP M 3.0

R M 1.6

A T 1

FP M 1.0

S "Heater EH1540_Dryer" //輸入命令控制Dryer模式下的加熱器

A(

O T 2

O T 3

O M 1.6

)

FP M 1.2

R "EH1540_Dryer"

A M3.0

R “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Absorber

//將Absorber模式下的命令清除，形成互鎖程序

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的人機(jī)界面是基于KTP 600 Basic mono PN觸摸屏開發(fā)的，該觸摸屏配備了5.7英寸的單色顯示屏，是S7-1200系列PLC理想的HMI組件。組態(tài)軟件是TIA Portal V13，該軟件與原有的STEP7循規(guī)蹈矩的編程方式不同，它集成了現(xiàn)代化辦公軟件的功能，并配以類似設(shè)備原貌圖形化的組態(tài)方式，使用戶能夠靈活、輕松、快速地完成自動化控制設(shè)計(jì)任務(wù)。

控制系統(tǒng)的人機(jī)界面主要分為Purification、Heating和Vacuum3個界面，分別對應(yīng)純化、再生和抽空3種工作模式。純化模式界面如圖4所示。

圖4 純化模式界面

如圖4所示，臟氦氣經(jīng)過干燥筒和吸附筒后變?yōu)榧兒廨敵觯缑娉曙@了整個純化流程各處的壓力、溫度、流量及吸附筒的液位等。FV1319為吸附筒液氮補(bǔ)充閥門，受程序自動控制，使液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，操作人員也可在界面上控制該閥門手動補(bǔ)液。

圖5為再生模式界面，顯示了再生模式下系統(tǒng)各處的溫度、壓力及流量等信息。界面中間所示為干燥筒再生模式和吸附筒再生模式的控制窗口，當(dāng)Dryer模式開始后，系統(tǒng)會實(shí)時檢測加熱器出口溫度T1217，當(dāng)T1217超出設(shè)定的Dryer模式溫度范圍時，系統(tǒng)會自動控制加熱器H1300調(diào)節(jié)再生溫度。Absorber模式下亦是如此。

圖5 再生模式界面

抽空模式界面如圖6所示，該界面比較簡單，圖中的3個壓力傳感器分別顯示了抽空模式下干燥筒、吸附筒和抽空泵前級的壓力。操作人員可在該界面控制抽空泵VP1401使系統(tǒng)進(jìn)入抽空模式。

圖6 抽空模式界面

5 結(jié)束語

介紹了基于S7-1200 PLC設(shè)計(jì)的混合磁體純化器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并利用PLC強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)采集功能，改進(jìn)優(yōu)化了純化器再生模式下的溫度控制策略，實(shí)現(xiàn)了溫控系統(tǒng)的雙重保障?；贙TP 600觸摸屏實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面直觀、清晰地顯示純化器的純化、再生和抽空3種模式，并在每種模式的界面上顯示系統(tǒng)各處的溫度、壓力、液位及流量等數(shù)據(jù)，且可對相應(yīng)泵和閥進(jìn)行控制。

S7-1200 PLC和KTP 600觸摸屏在軟件編程和畫面組態(tài)上有著更強(qiáng)的兼容性，可在TIA Portal V13軟件的同一個項(xiàng)目中完成。且S7-1200 PLC支持的Profinet通信總線網(wǎng)絡(luò)可以兼容工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus等通信協(xié)議，在工業(yè)自動化領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

[1] 仇文君，歐陽崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2016，43(12):1248～1252.

[2] 張祉佑，石秉三. 低溫技術(shù)與原理裝置[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

DesignofHypothermiaPurifierControlSystemBasedonS7-1200PLC

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, ZHOU Chen-fei

(HighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The design scheme for hypothermia purifier control system of 40T hybrid magnet in steady magnetic field experimental device was introduced, which has S7-1200 PLC based and the KTP 600 touch screen adopted as the man-machine interface to design an auto-control system which boasting of data acquisition, temperature control, logic operation and image monitoring; and the temperature control strategy based on PLC and temperature controller can realize the dual protection of temperature control; and the man-machine interface can display the temperature, pressure, liquid level and flow at real time in three modes of perfection, regeneration and vacuum of the purifier and it can implement auto-control over the valve and pump.

S7-1200 PLC, purifier, control system

TH865

A

1000-3932(2017)08-0725-05

2017-02-04)

方明(1989-)，工程師，從事控制系統(tǒng)維護(hù)工作，fangming4230@163.com。