張維棟

(宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓 644004)

PLC在黃磷計量裝置上的應用

張維棟

(宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓644004)

針對黃磷運輸和貯存時多種物質(zhì)(黃磷、水及磷泥的混合物)混合后難以準確計量的特點，研究了目前主要的黃磷計量方法及其計量原理。選擇了目前黃磷計量方法中比較先進的體積換算法，利用溫度與密度的關系、質(zhì)量和體積的關系建立相應的數(shù)學模型，設計、開發(fā)了黃磷計量系統(tǒng)。詳細闡述了控制系統(tǒng)數(shù)學模型建立、計量系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡通信設計、軟硬件組態(tài)和數(shù)據(jù)庫管理等。黃磷計量系統(tǒng)通過PLC系統(tǒng)軟硬件組態(tài)和網(wǎng)絡通信連接，實現(xiàn)了黃磷的自動、準確計量。該PLC在黃磷計量系統(tǒng)的應用表明，PLC系統(tǒng)安全可靠、操作方便，可實現(xiàn)黃磷計量過程的自動計量、自動計算和自動生成收貨單功能，保證了整個計量系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟效益。采用PLC系統(tǒng)的計量系統(tǒng)，對其他多種物質(zhì)混合后難以準確計量的裝置有較好的借鑒意義。

PLC； 計量系統(tǒng)； 稱重控制儀； 控制程序； 數(shù)據(jù)庫； 數(shù)據(jù)管理

0 引言

黃磷是三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和磷酸等化工產(chǎn)品的主要生產(chǎn)原料，是一種劇毒、遇空氣即自燃的化學危險品。黃磷的燃點僅30℃，在運輸和貯存過程中必須浸沒在水中，與空氣隔絕，形成黃磷、水及磷泥的混合物。因此，對黃磷的準確計量一直是企業(yè)難以解決的問題，其計量誤差對原料消耗和經(jīng)濟核算影響較大。

黃磷計量通常采用計量泵法和將黃磷液位差折算成質(zhì)量的方法。計量泵法不適用于磷水混合物。將黃磷液位差折算成質(zhì)量的方法雖然適用于磷水混合物，但其精確度和計算效率太低，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)裝置以及大直徑或外形不規(guī)則的儲罐[1]。

目前，比較先進的黃磷計量方法是體積換算法。體積換算法根據(jù)體積置換原理，計算出同一黃磷計量罐在進磷前后的質(zhì)量，兩者之差即為黃磷的實際質(zhì)量。因此，根據(jù)黃磷的相關物理屬性、溫度-密度對應關系等，建立相應的數(shù)學模型，采用PLC組成一套黃磷計量系統(tǒng)，實現(xiàn)黃磷的自動、準確計量；同時，根據(jù)生產(chǎn)管理需要，將供貨商、承運商、承運車牌、發(fā)貨質(zhì)量及收貨質(zhì)量等數(shù)據(jù)納入PLC系統(tǒng)，實現(xiàn)黃磷計量的數(shù)據(jù)管理功能。

1 液態(tài)黃磷計量原理

常溫常壓下，黃磷呈固態(tài)，密度為1820kg/m3，固態(tài)黃磷的熔點為44.1℃。在溫度高于44.1℃的環(huán)境中，黃磷呈液態(tài)，且難溶于水。含水液態(tài)黃磷在45～95℃對應不同的密度值，因進磷前后黃磷計量罐溫度不一樣，液態(tài)黃磷前后密度也不一樣。根據(jù)這一特性，可用液態(tài)黃磷充滿恒定體積的容器(黃磷計量罐)，通過測量該計量罐和磷溫度值，求得當前溫度下的黃磷及含磷水密度[2]；將密度乘以固定容器的體積，即可得出容器中所貯存的液態(tài)黃磷、含磷水的質(zhì)量。

黃磷計量系統(tǒng)由黃磷計量罐(臥式計量罐)、含磷水池(敞口水池)、稱重模塊、溫度計、流量開關及自動控制閥等組成。黃磷計量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 黃磷計量系統(tǒng)原理圖

根據(jù)液態(tài)黃磷計量原理，黃磷質(zhì)量計算公式如式(1)所示。

m=ρV=(1.782-0.9t)V

(1)

式中：m為液態(tài)黃磷的質(zhì)量，kg；ρ為液態(tài)黃磷的密度[3]，ρ=1.782-0.9t；t為液態(tài)黃磷的溫度，℃；V為黃磷計量槽的定容體積，m3。

進磷前，黃磷計量罐內(nèi)充滿含磷水。進磷后，根據(jù)體積置換原理，進入黃磷計量罐內(nèi)的黃磷與被置換出來的含磷水體積相同。產(chǎn)生質(zhì)量差的原因是兩者密度有差異，據(jù)此可計算出進入壓磷罐內(nèi)黃磷的體積和質(zhì)量。

2 PLC在系統(tǒng)中的應用

根據(jù)進磷前后黃磷計量罐和含磷水池的溫度值，利用PLC系統(tǒng)預先內(nèi)置的溫度和密度關系表，自動測算出當前溫度下的含磷水密度和黃磷密度。根據(jù)式(1)，可以分別計算出進磷前后含磷水的質(zhì)量和黃磷的質(zhì)量。

2.1計量系統(tǒng)配置

計量系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、監(jiān)控上位機(計算機)、打印機、稱重控制儀、稱重模塊、溫度計及流量開關等組成[4]。PLC系統(tǒng)是計量系統(tǒng)的核心，具有可靠性高、操作簡便和靈活性高等特點。與DCS系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有配置靈活、造價低、穩(wěn)定性好等特點[5]。PLC通過邏輯程序?qū)崿F(xiàn)黃磷自動計量控制，監(jiān)控上位機主要實現(xiàn)過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理控制，打印機主要用于計量票據(jù)的打印，稱重控制儀和稱重模塊完成質(zhì)量測量及信號傳輸，溫度計主要用于黃磷計量罐和含磷水池的溫度監(jiān)控，流量開關則實現(xiàn)計量過程的聯(lián)鎖。計量系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 計量系統(tǒng)配置圖

2.2PLC系統(tǒng)的硬件組成

黃磷計量系統(tǒng)共有18點輸入/輸出信號(I/O)，分別為：4點模擬量輸入(AI)、3點RTD溫度信號輸入(AI)、5點開關量輸出(DI)、6點開關量輸入(DO)。PLC系統(tǒng)的硬件配置如下。

①CPU。PLC采用英國歐陸(ESUITE)公司生產(chǎn)的T2550PLC自治控制系統(tǒng)，其處理器為高速32位RISCCPU，CPU主頻為100MHz。處理器可工作于單重工作方式或冗余工作方式。在冗余工作方式下，以其中一個處理器模件作為主處理器，如其發(fā)生故障，由副處理器模件替代工作。在處理器模件內(nèi)部有一塊可拆卸的閃存模件，其容量為32MB?？刂撇呗院拖到y(tǒng)軟件裝于其中，簡單地更換此模件即可實現(xiàn)將控制策略和操作軟件快速傳遞至備用的設備，以滿足黃磷計量系統(tǒng)需要[6]。

②信號輸入/輸出模塊。根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出信號(I/O)構成，此控制系統(tǒng)選用的信號輸入/輸出模塊是：2塊T2550M/AI3三通道模擬量輸入模件，2500M/AI3/UNIV；2塊T2550M/AI2雙通道通用模擬量輸入模件(PT100輸入)，2500M/AI2/UNIV；1塊T2550M/DI8八通道數(shù)字量輸入模件，2500M/DI8；1塊T2550M/D08八通道數(shù)字量輸出模件，2500M/DO8/LOGIC/EXTPWR。每塊模件均考慮一定備用量，以利于控制系統(tǒng)的擴展。

③通信系統(tǒng)。上位機通過簡單的RJ45接口與下位機PLC系統(tǒng)ELIN控制網(wǎng)進行通信。T2550自治控制系統(tǒng)在控制層和操作層上,通過100Mb/sELIN控制網(wǎng)與其他網(wǎng)上節(jié)點進行通信。ELIN控制網(wǎng)允許網(wǎng)絡節(jié)點間通過星型拓撲進行連接。所有的ELIN控制網(wǎng)節(jié)點呈現(xiàn)為全局化分散數(shù)據(jù)庫的一部分，數(shù)據(jù)庫可由網(wǎng)絡中的任一節(jié)點進行雙向?qū)崟r訪問，以支持控制策略互連的完整性、靈活性。

④操作站硬件。主機配置如下：DELLOptiPlex760；19英寸(1英寸=25.4mm)4∶3彩色液晶顯示屏；CPU為英特爾酷睿雙核，主頻為2.4GHz；內(nèi)存為2GB；硬盤為320GB；DVD光驅(qū)；獨立顯存為512MB；光電鼠標；鍵盤。

2.3PLC系統(tǒng)的軟件配置

①PLC系統(tǒng)的運行環(huán)境。其基本操作系統(tǒng)為WindowsXPServerPack3，因數(shù)據(jù)管理的需要，還安裝了Office2003軟件，使其具有開放的操作環(huán)境。

②PLC系統(tǒng)的下位機軟件。界面友好、基于Windows的套裝軟件包EUROTHERMPROJECTSTUDIO用于T2550的組態(tài)。通過EUROTHERMPROJECTSTUDIO可設置、分配I/O點及編制復雜的連續(xù)控制和順序控制算法。組態(tài)軟件中的功能塊支持就地數(shù)學運算和組合邏輯運算功能。強大的組態(tài)工具支持工程師在線組態(tài)、修改控制策略，同時支持策略的上傳、保存功能，以便準確、完整地對控制站內(nèi)控制算法進行備份、歸檔。

③PLC系統(tǒng)的上位機軟件。上位機采用ifix4.0組態(tài)軟件，上位機界面組態(tài)功能包括工藝流程圖顯示功能、系統(tǒng)操作功能、報警記錄功能、實時曲線功能、歷史曲線功能和報表打印功能[7]。此外，上位機還安裝了美國微軟公司的VisualBasic6.0應用開發(fā)程序。利用其自帶的ActiveX通信控件(mscomm．ocx)，上位機可方便地從串口讀取數(shù)據(jù)[8]，實現(xiàn)計算機與稱重控制儀之間的串口數(shù)據(jù)通信。

2.4稱重控制儀

稱重控制儀采用杭州頂松自動化控制設備有限公司生產(chǎn)的DS822-A3稱重控制器，其具有以下特點，可以滿足黃磷計量系統(tǒng)的需要。

①先進的A/D轉(zhuǎn)換技術，精度高，速度快，溫漂低，可長期穩(wěn)定、可靠運行。

②RS-232和RS-485串行通信接口，1臺或多臺控制器均可方便地與計算機聯(lián)網(wǎng)。

③斷電數(shù)據(jù)保護。

④抗干擾性能強，可靠性高[9]。

2.5技術方案的實施

①根據(jù)工藝流程及生產(chǎn)操作的需要，通過ifix4.0組態(tài)軟件，繪制黃磷計量系統(tǒng)工藝流程圖，對溫度、壓力、質(zhì)量等參數(shù)設置動態(tài)顯示，對機泵、程控閥進行遠程控制組態(tài)，對重要的參數(shù)進行報警顯示；所有需要記錄的參數(shù)均設置實時趨勢和歷史趨勢畫面，以便查詢。

②根據(jù)工藝對黃磷收貨單(結算用)的要求，利用VisualBasic6.0自帶的ActiveX控件，繪制黃磷收貨單。收貨單內(nèi)容包括: 記錄人、發(fā)貨重量、收貨時間、收貨單號、車牌號、供貨商名稱、承運單位名稱、稱量質(zhì)量、稱量溫度、稱量密度及最終黃磷質(zhì)量等。

③根據(jù)不同的用戶，設置不同登錄用戶名和口令，并對關鍵參數(shù)設置不同的操作級別，以防止操作人員惡意修改或誤操作；對于可能對計量過程產(chǎn)生較大影響的操作，設置二次操作確認按鈕，以防止誤操作或人為疏忽，確保整個系統(tǒng)的安全性和準確性。

④PLC控制程序設計。操作人員按事先設置的操作權限登錄黃磷計量系統(tǒng)，確認現(xiàn)場一切準備就緒后，即可啟動計量裝置；填寫并確認車牌號、供貨商信息、承運單位信息、發(fā)貨質(zhì)量等信息后，打開進磷閥門，開始黃磷計量程序；進磷過程完成后，經(jīng)操作人員確認，PLC自動生成黃磷收貨單和計量單，打印并保存，數(shù)據(jù)保存期限為半年[10]。

車牌號、供貨商信息、承運單位等信息可以在計量數(shù)據(jù)庫內(nèi)選擇，也可在權限范圍內(nèi)添加、修改和刪除等?？筛鶕?jù)黃磷計量單號、時間、供貨商等信息查詢原始計量數(shù)據(jù)，并再次打印計量單。

3 技術特點

①黃磷和含磷水的密度均由事先內(nèi)置的密度與溫度的關系表引用得出，可避免人為誤差。

②由于黃磷計量系統(tǒng)具有供應商、承運商及車輛牌號數(shù)據(jù)庫管理功能，操作人員可以方便地添加、選擇和刪除供應商、承運商及車輛牌號信息，保證數(shù)據(jù)庫信息即時更新，提高了黃磷入庫工作的效率。

③由于黃磷計量系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)和歷史票據(jù)存儲、查詢功能，極大地提高了生產(chǎn)管理的可溯性，可以方便地為操作人員和管理人員提供時間段查詢、收貨單號查詢及原始記錄單據(jù)再打印功能，提高了管理系統(tǒng)的實用性。

④由于黃磷計量系統(tǒng)具有開放式的數(shù)據(jù)庫，可以與MES系統(tǒng)、NC系統(tǒng)、ERP進行通信連接，實現(xiàn)智能化工廠管理功能，同時也可為智能化工廠及大數(shù)據(jù)管理提供依據(jù)。

4 結束語

為了解決黃磷運輸和貯存時多種物質(zhì)(黃磷、水及磷泥的混合物)混合后難以準確計量黃磷的問題，研究了目前黃磷計量的主要方法。

本文以體積換算法計量原理為基礎，通過溫度測量、質(zhì)量稱量及密度換算來實現(xiàn)黃磷計量，設計開發(fā)了基于PLC的黃磷計量控制系統(tǒng)。應用結果表明，該黃磷計量控制系統(tǒng)安全可靠、操作方便，實現(xiàn)了黃磷計量過程的自動計量、自動計算和自動生成收貨單功能，減少了人工記錄、人工計算造成的數(shù)據(jù)誤差，保證了整個計量系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，可以為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。

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ApplicationofPLCinYellowPhosphorusMeteringDevice

ZHANG Weidong

(Yibin Tianyuan Group Co.,Ltd.,Yibin644004,China)

In transportation and storage of yellow phosphorus,due to multiple materials (yellow phosphorus,water,and phosphate mud) may mix together,it is difficult to accurately measuring.Aiming at this feature,the main methods and principles of yellow phosphorus metrology are researched,and the currently advanced volume conversion algorithm is selected. By using the relationship between temperature and density,the relationship between mass and volume,corresponding mathematical model is setup,and the yellow phosphorus metering system is designed. The establishment of the control system mathematical model,the configuration of the system,the communication design,and the configurations of hardware and software as well as database management are elaborated in detail. Through the configuration of PLC hardware and software and network communication connects in the yellow phosphorus metering system,the automatic and precise metering functions for yellow phosphorus are implemented. After the PLC-based yellow phosphorus metering system put into service,the system is safe, reliable and easy to operate.Various functions of automatic measurement,automatic calculation and automatic generation of receipts are realized,thus the accuracy and stability of the whole metering system are ensured,certain economic benefits for the enterprise are accomplished. The application shows that the PLC system can also be used to make accurate measurement for other kinds of mixing substances that is difficult to be measured accurately.

PLC; Metering system; Weighing controller; Control program; Database; Data management

TH86;TP29

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710011

修改稿收到日期:2017-03-22

張維棟(1970—)，男，學士，工程師,主要從事自控設計及自動控制技術研究。E-mailyibinzhang2004@126.com。