馮 梅 姜聯(lián)成 蘇會(huì)忠

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所)

高溫高壓反應(yīng)釜自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)①

馮 梅 姜聯(lián)成 蘇會(huì)忠

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所)

根據(jù)高溫高壓反應(yīng)釜的工藝流程和要求，設(shè)計(jì)了一套自控系統(tǒng)。硬件采用計(jì)算機(jī)、PLC和串行通信控制技術(shù)；軟件采用Step7，利用程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和過(guò)程控制；采用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)工藝流程的實(shí)時(shí)操作和控制、工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警；采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)串口通信。運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好、操作方便。

自控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高溫高壓反應(yīng)釜 Modbus協(xié)議 組態(tài)王

反應(yīng)釜是一種用于完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合及縮合等工藝過(guò)程的壓力容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、橡膠、醫(yī)藥及食品等行業(yè)。常規(guī)的反應(yīng)釜控制由人工在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)現(xiàn)，工作環(huán)境危險(xiǎn)惡劣，無(wú)法滿(mǎn)足防爆的安全要求，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)，由于人為因素的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性較差。

高溫高壓反應(yīng)釜是中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所的重要設(shè)備，主要用于在高溫、高壓、攪拌條件下，完成幾種原材料的帶壓合成化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)合成制備得到合格的化工產(chǎn)品。然而由于易燃易爆場(chǎng)合生產(chǎn)的特殊性和安全性要求，需要設(shè)計(jì)一套高溫高壓反應(yīng)釜自控系統(tǒng)，以滿(mǎn)足自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制和防爆設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)硬件部分

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高溫高壓反應(yīng)釜自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)和PLC為核心，PLC與工控計(jì)算機(jī)之間通過(guò)專(zhuān)用通信電纜進(jìn)行連接，PLC與顯示儀表、變頻器通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。PLC接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器和操作電器按鈕、旋鈕的信號(hào)，通過(guò)程序進(jìn)行計(jì)算后輸出信號(hào)控制加熱器、攪拌電機(jī)，使溫度、攪拌轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制在設(shè)定值上，最后按要求控制相應(yīng)的泵和閥動(dòng)作。

圖1 高溫高壓反應(yīng)釜自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

由于反應(yīng)過(guò)程輸入、輸出設(shè)備較多，過(guò)程控制較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的繼電器控制方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而PLC由于具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程操作靈活方便、硬件配套全、適應(yīng)性強(qiáng)及易于調(diào)試擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中[1]。

PLC作為核心控制器，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)各執(zhí)行部件的邏輯順序控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理等功能。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，分析PLC的輸入、輸出信號(hào)，從而確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為12個(gè)數(shù)字量輸入、7個(gè)數(shù)字量輸出和兩個(gè)模擬量輸入。其中，數(shù)字量輸入信號(hào)主要包括遠(yuǎn)/近控防爆操作箱的按鈕、旋鈕(如遠(yuǎn)/近控選擇、攪拌啟/停、進(jìn)氣啟/停、出氣啟/停、出料啟/停和加熱啟/停)、控制臺(tái)的急停按鈕。數(shù)字量輸出信號(hào)主要包括攪拌、進(jìn)氣、出氣、出料及加熱等泵、閥的狀態(tài)指示燈。模擬量輸入信號(hào)主要包括溫度和壓力。

綜上，筆者選用S7-200系列CPU224，既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，又能滿(mǎn)足擴(kuò)展需求。

2 組態(tài)軟件部分

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，是在自控系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有靈活的組態(tài)方式，用戶(hù)可借助組態(tài)軟件快速構(gòu)建工業(yè)自控系統(tǒng)的監(jiān)控功能[2]。組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)多任務(wù)特征，可在工業(yè)控制系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、檢索、顯示、圖形動(dòng)畫(huà)展示、報(bào)表報(bào)警顯示及實(shí)時(shí)通信等多個(gè)并行任務(wù)[3]。

由于高溫高壓反應(yīng)釜現(xiàn)場(chǎng)與控制室位置分散，距離較遠(yuǎn)，給系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理帶來(lái)不便。因此，筆者采用先進(jìn)的生產(chǎn)控制軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的集中控制與管理。

2.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)

系統(tǒng)組態(tài)采用組態(tài)王6.55平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，進(jìn)入組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，新建工程“高溫高壓反應(yīng)釜控制系統(tǒng)”。

配置與組態(tài)王連接的PLC相關(guān)參數(shù)。在新建PLC連接下，根據(jù)Step7中的符號(hào)表和數(shù)據(jù)塊來(lái)建立新的外部變量，并設(shè)置變量地址。在組態(tài)王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)?，然后配置所連接PLC的各項(xiàng)參數(shù)，包括設(shè)備、生產(chǎn)廠家、通信方式、設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備地址、波特率、奇偶校驗(yàn)、通信超時(shí)及宕機(jī)時(shí)間等通信參數(shù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王軟件的核心部分。圖形界面系統(tǒng)、I/O驅(qū)動(dòng)程序等組件均以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，相互通信、共享數(shù)據(jù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在組態(tài)王中，數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的集合稱(chēng)為數(shù)據(jù)詞典，它定義了每一個(gè)數(shù)據(jù)變量的變量名、變量描述、變量類(lèi)型和ID。

在界面中調(diào)用元件庫(kù)中所需的元件組建主界面，用于實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)、設(shè)置工藝參數(shù)、動(dòng)畫(huà)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、歷史報(bào)表及實(shí)時(shí)報(bào)警信息等。

2.2 設(shè)計(jì)界面

組態(tài)軟件具有遠(yuǎn)程設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)置及參數(shù)顯示等功能，包括初始界面、操作界面、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。其中初始界面如圖2所示，操作界面如圖3所示。

圖2 初始界面

圖3 操作界面

主界面主要負(fù)責(zé)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)和報(bào)警顯示區(qū)。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于設(shè)置需要控制和報(bào)警的工藝參數(shù)，包括溫度控制值、轉(zhuǎn)速控制值、壓力報(bào)警值、轉(zhuǎn)速報(bào)警值和溫度報(bào)警值。狀態(tài)顯示區(qū)用于設(shè)備運(yùn)行狀況的顯示，能夠表征設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程、顯示設(shè)備的各種狀態(tài)，如攪拌啟動(dòng)時(shí)，攪拌槳會(huì)有轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)顯示，進(jìn)氣、出氣、出料閥啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有介質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)畫(huà)顯示。參數(shù)顯示區(qū)用于顯示工藝參數(shù)，包括釜內(nèi)溫度、釜內(nèi)壓力、攪拌轉(zhuǎn)速和夾套溫度。報(bào)警顯示區(qū)用于超限報(bào)警，當(dāng)溫度、壓力或轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止加熱、攪拌等動(dòng)力動(dòng)作，在報(bào)警顯示區(qū)顯示“溫度超限”等閃爍提示信息并發(fā)出聲光報(bào)警，排除異常后，報(bào)警自動(dòng)解除。

3 串口通信

3.1 Modbus通信協(xié)議

Modbus是一種串行異步通信協(xié)議，典型的物理接口是RS485。

串行通信是以二進(jìn)制的位(bit)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳遞一位，除了公共線以外，一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸主向上只需一根數(shù)據(jù)線。計(jì)算機(jī)與PLC都有通用的串行通信接口，如RS232C和RS485[4]。

在本系統(tǒng)中，只需兩根線就能使多臺(tái)顯示儀表與PLC進(jìn)行通信。儀表的RS485通信接口采用光電隔離技術(shù)將通信接口與儀表的其他部分隔離，工作可靠性較高。

3.2 硬件連接

物理連接方式為雙絞線。PLC與夾套溫度顯示儀表、釜內(nèi)溫度顯示儀表、釜內(nèi)壓力顯示儀表、轉(zhuǎn)速顯示儀表、PID調(diào)節(jié)儀表、變頻器之間采用RS485進(jìn)行通信。PLC設(shè)置為自由口通信。自由口通信方式是S7-200 PLC一個(gè)很有特色的功能，它可以使PLC通過(guò)PPI接口與任何通信協(xié)議公開(kāi)的其他設(shè)備和控制器進(jìn)行通信[4]。PLC與變頻器的RS485連接如圖4所示。

圖4 PLC與變頻器的RS485連接示意圖

3.3 參數(shù)設(shè)置

PLC與夾套溫度顯示儀表、釜內(nèi)壓力顯示儀表、轉(zhuǎn)速顯示儀表、釜內(nèi)溫度顯示儀表、PID調(diào)節(jié)儀和變頻器之間均需要進(jìn)行通信設(shè)置，并保持一致。

變頻器投運(yùn)前需要進(jìn)行功能參數(shù)設(shè)置。本系統(tǒng)采用E800型變頻器，通信參數(shù)包括5個(gè)：通信地址、通信模式(RTU)、奇偶校驗(yàn)、波特率和通信延時(shí)。具體見(jiàn)表1。

表1 變頻器通信參數(shù)

系統(tǒng)各顯示儀表的通信參數(shù)共包括兩個(gè)：通信地址和波特率。高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)溫度的顯示儀表、釜內(nèi)壓力顯示儀表、轉(zhuǎn)速顯示儀表、夾套溫度顯示儀表、PID調(diào)節(jié)儀的通信地址分別設(shè)置為3、4、5、6、7，波特率均設(shè)置為9 600。數(shù)據(jù)傳輸格式為：起始位一位，數(shù)據(jù)位8位，停止位兩位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

3.4 軟件編程

軟件編程主要包括通信初始化、讀通信和寫(xiě)通信。在用PLC或其他智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，需保證通信兩端的通信協(xié)議、波特率及校驗(yàn)方式等參數(shù)一致。

通信初始化模塊MBUS-CTRL用于定義通信的初始化。在該模塊中，定義Mode=1時(shí)為啟動(dòng)Modbus；波特率Baud=9600；Parity=0，即無(wú)校驗(yàn)；響應(yīng)超時(shí)Timeout=1000ms。

讀、寫(xiě)通信模塊MBUS-MSG用于啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的請(qǐng)求并處理應(yīng)答。以讀夾套溫度為例，在該模塊中，定義First=1時(shí)為啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的請(qǐng)求；從站地址Slave=3；RW=0，讀數(shù)據(jù)；Modbus地址Addr=40004；讀取的數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)Count=1；數(shù)據(jù)指針(CPU存儲(chǔ)器的位置)DataPr=VB100；Done=M10.0是完成標(biāo)志；錯(cuò)誤位Error=MB13。

通信程序流程如圖5所示。首先進(jìn)行通信初始化，然后分別讀夾套溫度、釜內(nèi)溫度、釜內(nèi)壓力和變頻器頻率，寫(xiě)變頻器啟動(dòng)、變頻器頻率和控制溫度。每次讀、寫(xiě)操作均需要調(diào)用相應(yīng)的功能塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的高溫高壓反應(yīng)釜自控系統(tǒng)采用PLC、組態(tài)王及串行通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓反應(yīng)釜的自動(dòng)控制。運(yùn)用串口通信方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)全部顯示儀表的遠(yuǎn)程讀/寫(xiě)通信，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力等工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程同步顯示和自動(dòng)控制。既提高了控制精度，又降低了成本。采用組態(tài)王開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)大幅提高了操作的數(shù)字化和可視化，也給工藝數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)報(bào)表帶來(lái)了便利。同時(shí)，該系統(tǒng)的安全性和操控性也得到了大幅提高，目前已通過(guò)驗(yàn)收，并利用該系統(tǒng)合成得到了產(chǎn)品。該產(chǎn)品是某重點(diǎn)項(xiàng)目選用的關(guān)鍵原材料之一，其關(guān)鍵性指標(biāo)優(yōu)于預(yù)期要求，為后續(xù)生產(chǎn)和相關(guān)試驗(yàn)的開(kāi)展奠定了良好基礎(chǔ)。

圖5 通信程序流程

[1] 邊春元,任雙艷.S7-300/400 PLC實(shí)用開(kāi)發(fā)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:7～8.

[2] 徐紹坤,程加堂,羅瑞.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2015:235.

[3] 左嬌.面向工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件的畫(huà)面組態(tài)實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014,(3):79～81.

[4] 郭利霞,李正中,陳龍燦.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2015:282,288.

TheDesignofAuto-controlSystemforHigh-temperatureandHigh-pressureReactionTank

FENG Mei, JIANG Lian-cheng, SU Hui-zhong

(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics)

Through considering the process and requirements of high-temperature and high-pressure reactor, an auto-control system was designed independently. In which, having industrial computer, PLC and serial communication technologies adopted for the system hardware design and Siemens Step7 employed to realize signal collection and converting, data converting and process control and having KingWIEW software used to achieve real-time operation and control, real-time display and alarm as well as having Modbus protocol adopted to realize the serial port communication. The running effect shows that this system has high degree of automation, good stability and convenient operation.

auto-control system design, high-temperature and high-pressure reactor, Modbus protocol,KingVIEW

TH862

B

1000-3932(2017)08-0730-04

2017-01-22，

2017-03-15)

馮梅(1972-)，高級(jí)工程師，從事生產(chǎn)線和設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)工作，fengmei@caep.cn。