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的某化工生產線中，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移到氣相，氣相中的重組分轉移到液相，實現(xiàn)組分的分離。先進的自控技術是實現(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、輸出設備較多，過程控制較為復雜，傳統(tǒng)的繼電器控制方法已經很難滿足復雜的控制系統(tǒng)設計要求。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、適應性強以及易于控制系統(tǒng)的設計、調試和擴展等優(yōu)點[2]，被廣泛應用于工業(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)秀的國產組態(tài)軟件由于具有操作界面可視化、功能強大、豐富的設備支持庫及開發(fā)簡潔等優(yōu)點而得到廣泛應用。在此，采用PLC和KingVIEW設計某化工精餾過程控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)其數(shù)據(jù)轉換、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、Profibus-DP現(xiàn)場總線及現(xiàn)場I/O設備等，完成生產過程的操作、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，回收溶劑流量是關鍵的測量參數(shù)和控制點。設計采用PLC程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換、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，以及總流量值的設定和批量控制。

2.1 流量控制程序

2.1.1PLC響應時間

PLC的CPU運行方式采用掃描技術，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，按順序將所有信號讀入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中存儲。用戶程序執(zhí)行階段是PLC按順序對程序進行掃描，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)行的結果寫入寄存執(zhí)行結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容送入到寄存輸出狀態(tài)的輸出鎖存器中，再去驅動用戶設備[2]。PLC的工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程

PLC的響應時間是指從檢測到輸入信號到修改相應的輸出信號之間的時間。響應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。每通道的轉換時間為0.80ms，4個通道均激活，同時電阻負載的設置時間為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(假設在Δt內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內的瞬時流量。

圖3 流量累積示意圖

而某一時間段內的累積流量F就是所有Δt內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換(如4～20mA對應0～500L/h)，轉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)設定畫面上設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。如果流量到達設定值，則關閉氣動閥，流量累積結束。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)選擇設備→新建→設備配置向導，然后配置所連接設備的各項參數(shù)，包括設備、生產廠家、通信方式、設備名稱和地址、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 結束語

采用PLC、KingVIEW及Profibus現(xiàn)場總線網絡等技術，中國工程物理研究院化工材料研究所成功設計化工生產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)管理和生產報表。運行結果表明：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，對于生產線實現(xiàn)節(jié)能增效的目標具有實際意義，也為其他生產線精餾過程的自控系統(tǒng)設計提供了有益的借鑒。