王華強，侯 雷

在聚氨酯樹脂（PU）的生產(chǎn)過程中，需要依據(jù)預先制定的配方將多種原料加入反應釜中混合，并進行相關加工形成所需產(chǎn)品［1］.相關原料的加入是否定量、有序，生產(chǎn)過程中攪拌電機、各泵閥運行是否正常，反應釜中溫度是否符合生產(chǎn)規(guī)范，這些對于產(chǎn)品質量均有重要影響［2］.安利公司通過檢測儀表結合現(xiàn)場人工實現(xiàn)監(jiān)控，這種監(jiān)控下工人勞動強度大、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、故障維修時間長、過程精度達不到標準，從而導致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質量差.因此，將現(xiàn)有生產(chǎn)過程自動化、可視化已成為聚氨酯樹脂生產(chǎn)迫切需要解決的問題［3］.針對以上生產(chǎn)過程的現(xiàn)狀，為了提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質量，安利公司特委托作者所在研究所（合肥工業(yè)大學工業(yè)過程與控制研究所）設計基于PLC與組態(tài)王的聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng).

1 工藝簡介

安利公司第三期聚氨酯樹脂生產(chǎn)項目中，使用23種原料、7種溶劑、4個反應釜，每個反應釜連接24個閥門.各種原料需要按照生產(chǎn)工藝定量定序混合、攪拌、反應，生產(chǎn)出新的化學原料，供后面的生產(chǎn)線加工.限于篇幅，該文僅介紹PLC和組態(tài)王在生產(chǎn)過程中的監(jiān)控作用.

該反應釜監(jiān)控系統(tǒng)采用SEMENS SMATIC S7－300PLC，CPU315－2DP.機架上有PS模塊、CP343－1以太網(wǎng)通訊模塊、CP341串行通訊處理模塊及I／O模塊.S7－300之間通過CP343－1經(jīng)交換機與4臺上位機IPC通訊，上位機的監(jiān)控由組態(tài)王實現(xiàn)［4］.系統(tǒng)結構如圖1所示.

2 監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 PLC在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

下位機PLC主要通過繼電器對反應釜各個執(zhí)行部件進行控制，并實時通過傳感器與變送裝置將反應釜的實時狀態(tài)傳給上位機［5］，供操作工監(jiān)控.

在生產(chǎn)過程中，PLC參與泵和閥門的開啟、關閉、互鎖，反應釜攪拌電機的選擇與運行控制，各項參數(shù)（如反應釜重量、下料重量、反應釜溫度、蒸汽溫度、電機電流等）的采集處理；接受上位機的設定值并運用各種控制策略與算法進行閉環(huán)回路調(diào)節(jié)；將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送給上位機監(jiān)控并保存［6］.為滿足設計要求，系統(tǒng)總計使用17個SM321數(shù)字量輸入模塊、6個SM322數(shù)字量輸出模塊、3個SM331模擬量輸入模塊.對應模塊的部分點位分布如圖2～4所示.

2.2 組態(tài)王在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

2.2.1 人機界面的監(jiān)控效果

為了滿足操作人員對生產(chǎn)過程的遠程、直觀、準確地監(jiān)控［7］，作者使用組態(tài)王設計了反應釜監(jiān)控的人機界面，人機界面如圖5所示.人機界面的監(jiān)控作用如下：

（1）當選定某種物料并開始下料時，人機界面上對應的管道會出現(xiàn)流動效果，且流動速度可隨著物料重量的變化而變化.

（2）反應釜中的攪拌電機開啟時，人機界面上對應的扇葉開始旋轉，且隨著反應釜中液位的增加，人機界面中的液位也增加.

（3）實時準確顯示出電機電流、反應釜溫度、本次重量、總重量等數(shù)據(jù).

（4）準確繪制出電流、溫度等數(shù)據(jù)的實時曲線.

（5）當生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)安全問題時，在第一時間提醒現(xiàn)場操作工，以免出現(xiàn)事故［8］.在人機界面中，有故障信號時，畫面上對應的生產(chǎn)設備亮紅燈并閃爍，出現(xiàn)“…故障”的巨大紅色字體，且同時用聲音報警.

2.2.2 報表系統(tǒng)

生產(chǎn)時需要將多種原料按序、定量加入反應釜.在對第三期監(jiān)控系統(tǒng)進行設計時，廠家操作人員提出，以往對原料數(shù)據(jù)歸檔是“定時歸檔”，每十分鐘一次，只能顯示出歸檔時刻物料的重量，因此出現(xiàn)了如下問題：若一種物料一次下料時間長，歸檔的重復數(shù)據(jù)多；若下料在兩次歸檔時刻中間結束，歸檔數(shù)據(jù)就不準確；兩次生產(chǎn)之間的歸檔數(shù)據(jù)沒有間隔，不能看出一次生產(chǎn)使用的物料.盡管有了歸檔功能，但還需要人工記錄下料數(shù)據(jù)，很不方便.

該期監(jiān)控系統(tǒng)采取了“按次歸檔”的方式.當上位機采集到PLC傳來的“釜稱重到”信號，便依次歸檔“日期”、“時間”、“反應釜溫度”、“本次物料名稱”和“本次重量”等數(shù)據(jù).當反應釜本次生產(chǎn)所需的物料全部加入時，將報表以當前時間為名稱存入特定的文件夾，方便操作人員查看與打印［9］.歸檔畫面如圖6所示.

自動歸檔的程序如下：

if（釜稱重到＝＝1）

if（選擇確認＝＝1）

｛ro w＝row＋1；

Report Set Cell String（"Report"，row，1，＼＼本站點＼＄日期）；

Report Set Cell String（"Report"，row，2，＼＼本站點＼＄時間）；

Report Set Cell String（"Report"，row，3，"TOL"）；

Report Set Cell Value（"Report"，row，4，實時重量）；

Report Set Cell Value（"Report"，row，5，反應釜溫度）；｝

else if（選擇確認＝＝2）

｛ro w＝row＋1；

…

if（本次下料完成＝＝1）

｛string filename；

filename＝"C：＼My Docu ments＼實時報表＼"＋＼＼本站點＼＄日期＋"日"＋Str Fro mReal（＼＼本站點＼＄時，0，"f"）＋"時"＋Str FromReal（＼＼本站點＼＄分，0，"f"）＋"分"＋".rtl"；

Report Save As（"Report"，filename）；

Report Set Cell String2（"Report"，3，1，120，5，""）；

row＝2；｝

3 工藝生產(chǎn)

運用PLC與組態(tài)王的控制功能，利用現(xiàn)代通訊技術，通過控制電路可對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控［10］.下料過程要求安全、有序、準確，再在此基礎上實現(xiàn)可視化［11］.該設計創(chuàng)新性地采用人機界面上的“軟按鈕”與操作臺上的“硬按鈕”相結合，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的簡便性和生產(chǎn)過程的安全性.

選料只有在當前的反應釜沒有下料時才能進行，分2步.第1步，操作工在組態(tài)王界面上選定所需的原料并按確定；第2步，操作工在控制柜面板上按下原料對應的按鈕.只有兩步操作均正確時，PLC才會判斷系統(tǒng)選料成功，通過電信號先開啟電磁閥門，再開啟對應的原料泵.如果組態(tài)王與面板選料不一致，組態(tài)王會提示“選料失敗，請重選！”，必須要按組態(tài)王上的“重選料”按鈕，系統(tǒng)才能重新選料.當稱重信號提示本次物料的重量達到預置值時，PLC接收到“稱重到”信號時，先關閉泵，延時10 s再關閉閥［12］.部分PLC梯形圖和主程序流程如圖7～8所示.

4 結束語

該系統(tǒng)將PLC與組態(tài)王作為控制核心，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行的基礎上，結合工藝要求，實現(xiàn)了界面友好、操作簡易的功能，且便于更改、擴充和升級.該系統(tǒng)投入生產(chǎn)運行后，產(chǎn)品的樹脂黏度穩(wěn)定性提高了20%，樹脂顆粒不溶物減少，樹脂流動性與色澤均有明顯提升.生產(chǎn)實踐表明，該系統(tǒng)各方面性能良好，實現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)的集中監(jiān)控，保證了產(chǎn)品質量，提高了生產(chǎn)效率.

［1］ 俞金壽，顧幸生.過程控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］ 何軍，張澤仁.西門子S7－200小型集散配料控制系統(tǒng)的設計和應用［J］.河南科技，2011，27（18）：39－41.

［3］ 焦小澄，朱張青.工業(yè)過程控制［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［4］ 廖常初.S7－300／400 PLC 應用技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［5］ 曹振國，許琳.智能化儀器儀表原理及應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［6］ 葛鎖良，張瑞祥.基于PLC的4色平臺式絲網(wǎng)印刷機控制系統(tǒng)的設計［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2013，6（8）：915－918.

［7］ 楊路明，雷亞軍.組態(tài)軟件 Win CC在自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.計算技術與自動化，2003，22（4）：21－24.

［8］ 李尚榮.電氣控制PLC原理與組態(tài)應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［9］ 王善斌，龔琳，周燕.組態(tài)軟件應用指南［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

［10］ 劉澤祥，李媛.現(xiàn)場總線技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［11］ 張傳偉，劉庚.硅錳爐自動配料系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2012，49（10）：65－66.

［12］ 王華強，王文賢.濕法樹脂配料系統(tǒng)控制電路設計［J］.安徽大學學報：自然科學版，2013，37（5）：60－65.