馮 梅 姜聯(lián)成 蘇會忠

(中國工程物理研究院化工材料研究所)

高溫高壓反應釜自控系統(tǒng)的設計①

馮 梅 姜聯(lián)成 蘇會忠

(中國工程物理研究院化工材料研究所)

根據(jù)高溫高壓反應釜的工藝流程和要求，設計了一套自控系統(tǒng)。硬件采用計算機、PLC和串行通信控制技術(shù)；軟件采用Step7，利用程序?qū)崿F(xiàn)信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和過程控制；采用組態(tài)王實現(xiàn)工藝流程的實時操作和控制、工藝數(shù)據(jù)的實時顯示與報警；采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)串口通信。運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)自動化程度高、穩(wěn)定性好、操作方便。

自控系統(tǒng)設計 高溫高壓反應釜 Modbus協(xié)議 組態(tài)王

反應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程的壓力容器，廣泛應用于石油、化工、橡膠、醫(yī)藥及食品等行業(yè)。常規(guī)的反應釜控制由人工在生產(chǎn)現(xiàn)場操作實現(xiàn)，工作環(huán)境危險惡劣，無法滿足防爆的安全要求，且勞動強度大。同時，由于人為因素的影響，導致產(chǎn)品穩(wěn)定性較差。

高溫高壓反應釜是中國工程物理研究院化工材料研究所的重要設備，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反應，通過合成制備得到合格的化工產(chǎn)品。然而由于易燃易爆場合生產(chǎn)的特殊性和安全性要求，需要設計一套高溫高壓反應釜自控系統(tǒng)，以滿足自動控制、遠程控制和防爆設計的要求，實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自動化。

1 系統(tǒng)硬件部分

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高溫高壓反應釜自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以計算機和PLC為核心，PLC與工控計算機之間通過專用通信電纜進行連接，PLC與顯示儀表、變頻器通過RS485網(wǎng)絡進行連接。PLC接收來自現(xiàn)場傳感器和操作電器按鈕、旋鈕的信號，通過程序進行計算后輸出信號控制加熱器、攪拌電機，使溫度、攪拌轉(zhuǎn)速自動控制在設定值上，最后按要求控制相應的泵和閥動作。

圖1 高溫高壓反應釜自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件設計

由于反應過程輸入、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(jīng)很難滿足設計要求。而PLC由于具有可靠性高、抗干擾能力強、編程操作靈活方便、硬件配套全、適應性強及易于調(diào)試擴展等優(yōu)點，已廣泛應用于工業(yè)過程控制中[1]。

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

綜上，筆者選用S7-200系列CPU224，既能實現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，又能滿足擴展需求。

2 組態(tài)軟件部分

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，是在自控系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，具有靈活的組態(tài)方式，用戶可借助組態(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)軟件具有實時多任務特征，可在工業(yè)控制系統(tǒng)中同時進行工業(yè)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、檢索、顯示、圖形動畫展示、報表報警顯示及實時通信等多個并行任務[3]。

由于高溫高壓反應釜現(xiàn)場與控制室位置分散，距離較遠，給系統(tǒng)的運行、維護和管理帶來不便。因此，筆者采用先進的生產(chǎn)控制軟件技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的集中控制與管理。

2.1 設計平臺

系統(tǒng)組態(tài)采用組態(tài)王6.55平臺進行開發(fā)，進入組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，新建工程“高溫高壓反應釜控制系統(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中的符號表和數(shù)據(jù)塊來建立新的外部變量，并設置變量地址。在組態(tài)王工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)選擇，設備、新建、設備配置向?qū)?，然后配置所連接PLC的各項參數(shù)，包括設備、生產(chǎn)廠家、通信方式、設備名稱、設備地址、波特率、奇偶校驗、通信超時及宕機時間等通信參數(shù)。

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

在界面中調(diào)用元件庫中所需的元件組建主界面，用于實時顯示工藝參數(shù)、設置工藝參數(shù)、動畫顯示設備運行狀態(tài)、歷史報表及實時報警信息等。

2.2 設計界面

組態(tài)軟件具有遠程設備操作、參數(shù)設置及參數(shù)顯示等功能，包括初始界面、操作界面、實時曲線和歷史曲線。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

主界面主要負責設備的遠程控制與實時監(jiān)測，包括參數(shù)設置區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)和報警顯示區(qū)。參數(shù)設置區(qū)用于設置需要控制和報警的工藝參數(shù)，包括溫度控制值、轉(zhuǎn)速控制值、壓力報警值、轉(zhuǎn)速報警值和溫度報警值。狀態(tài)顯示區(qū)用于設備運行狀況的顯示，能夠表征設備的運行過程、顯示設備的各種狀態(tài)，如攪拌啟動時，攪拌槳會有轉(zhuǎn)動的動畫顯示，進氣、出氣、出料閥啟動時，會有介質(zhì)流動的動畫顯示。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。報警顯示區(qū)用于超限報警，當溫度、壓力或轉(zhuǎn)速超過設定值時，系統(tǒng)會自動停止加熱、攪拌等動力動作，在報警顯示區(qū)顯示“溫度超限”等閃爍提示信息并發(fā)出聲光報警，排除異常后，報警自動解除。

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，一個數(shù)據(jù)傳輸主向上只需一根數(shù)據(jù)線。計算機與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顯示儀表與PLC進行通信。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進行通信。PLC設置為自由口通信。自由口通信方式是S7-200 PLC一個很有特色的功能，它可以使PLC通過PPI接口與任何通信協(xié)議公開的其他設備和控制器進行通信[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行通信設置，并保持一致。

變頻器投運前需要進行功能參數(shù)設置。本系統(tǒng)采用E800型變頻器，通信參數(shù)包括5個：通信地址、通信模式(RTU)、奇偶校驗、波特率和通信延時。具體見表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：通信地址和波特率。高溫高壓反應釜內(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置為3、4、5、6、7，波特率均設置為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，無奇偶校驗位。

3.4 軟件編程

軟件編程主要包括通信初始化、讀通信和寫通信。在用PLC或其他智能設備遠程控制變頻器時，需保證通信兩端的通信協(xié)議、波特率及校驗方式等參數(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時為啟動Modbus；波特率Baud=9600；Parity=0，即無校驗；響應超時Timeout=1000ms。

讀、寫通信模塊MBUS-MSG用于啟動對Modbus從站的請求并處理應答。以讀夾套溫度為例，在該模塊中，定義First=1時為啟動對Modbus從站的請求；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)元素個數(shù)Count=1；數(shù)據(jù)指針(CPU存儲器的位置)DataPr=VB100；Done=M10.0是完成標志；錯誤位Error=MB13。

通信程序流程如圖5所示。首先進行通信初始化，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，寫變頻器啟動、變頻器頻率和控制溫度。每次讀、寫操作均需要調(diào)用相應的功能塊。

4 結(jié)束語

筆者設計的高溫高壓反應釜自控系統(tǒng)采用PLC、組態(tài)王及串行通信等技術(shù)，實現(xiàn)了高溫高壓反應釜的自動控制。運用串口通信方式實現(xiàn)了對全部顯示儀表的遠程讀/寫通信，實現(xiàn)了溫度、壓力等工藝參數(shù)的實時采集、遠程同步顯示和自動控制。既提高了控制精度，又降低了成本。采用組態(tài)王開發(fā)的人機交互系統(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)報表帶來了便利。同時，該系統(tǒng)的安全性和操控性也得到了大幅提高，目前已通過驗收，并利用該系統(tǒng)合成得到了產(chǎn)品。該產(chǎn)品是某重點項目選用的關(guān)鍵原材料之一，其關(guān)鍵性指標優(yōu)于預期要求，為后續(xù)生產(chǎn)和相關(guān)試驗的開展奠定了良好基礎(chǔ)。

圖5 通信程序流程

[1] 邊春元,任雙艷.S7-300/400 PLC實用開發(fā)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:7～8.

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

[3] 左嬌.面向工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件的畫面組態(tài)實現(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應用技術(shù)[M].重慶:重慶大學出版社,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-)，高級工程師，從事生產(chǎn)線和設備自動控制系統(tǒng)的設計和維護工作，fengmei@caep.cn。