師帥

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

氯氣在化工、石油、造紙、印染、制革、橡膠等行業(yè)用途廣泛，可以在一定壓力下進(jìn)行液化，液氯為儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹饕问?。液氯包裝多以鋼瓶充裝為主，生產(chǎn)中操作人員較多、工作效率低，且操作人員生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此，提高液氯包裝的自動(dòng)化、信息化水平非常重要。

1 液氯鋼瓶充裝控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 硬件組成及布置

硬件主要包括1臺(tái)琴式控制柜、20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作箱和1臺(tái)上位機(jī)等。中央控制室布置有琴式控制柜和上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)鋼瓶秤旁邊都布置現(xiàn)場(chǎng)操作箱?？刂乒駜?nèi)部的主要電氣元件：1個(gè)西門(mén)子S7-300(CPU315-2DP)CPU模塊、2個(gè)PS307電源模塊、1個(gè)IM360接口模塊、2個(gè)IM361接口模塊、10個(gè)SM321信號(hào)輸入模塊、10個(gè)SM322信號(hào)輸出模塊及隔離變壓器等；現(xiàn)場(chǎng)操作箱包括的主要電氣元件：稱重儀表、文本顯示器、開(kāi)關(guān)按鈕及報(bào)警指示燈等。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作箱的硬件配置是一樣的，每臺(tái)液氯鋼瓶秤分別由各自的現(xiàn)場(chǎng)操作箱來(lái)操作控制?？刂葡到y(tǒng)硬件布置如圖1所示。S7-300PLC通過(guò)PROFIBUS-DP總線與20臺(tái)稱重儀表進(jìn)行通信，中控室上位機(jī)通過(guò)Modbus總線與20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)文本顯示器進(jìn)行通信，S7-300PLC與上位機(jī)通過(guò)MPI進(jìn)行通信，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作箱的電源及I/O信號(hào)都來(lái)自于控制柜。

1.2 智能充裝工作原理

S7-300作為DP主站，通過(guò)PROFIBUS-DP總線與20臺(tái)稱重儀表進(jìn)行通信，20臺(tái)稱重儀表為DP從站；鋼瓶秤的稱重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至稱重儀表，稱重儀表再傳送至PLC控制器，PLC根據(jù)充裝流程的需要，對(duì)稱重儀表進(jìn)行去皮或清皮等操作；上位機(jī)即為鋼瓶信息管理計(jì)算機(jī)，作為Modbus主站，通過(guò)Modbus總線與20臺(tái)文本顯示器進(jìn)行通信，鋼瓶號(hào)或皮重值可以通過(guò)文本顯示器進(jìn)行人工輸入，再傳送至上位機(jī)。PLC在進(jìn)行充裝時(shí)先向上位機(jī)發(fā)出充裝請(qǐng)求信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前已獲數(shù)據(jù)判斷后，把允許充裝、目標(biāo)值及允差值等通過(guò)MPI傳送給PLC，PLC獲得充裝允許及相關(guān)數(shù)據(jù)后，按流程控制充裝球閥及狀態(tài)指示輸出等，充裝完成后，PLC將充裝過(guò)程數(shù)據(jù)再通過(guò)MPI通信傳送至上位機(jī)，上位機(jī)記錄、顯示、存儲(chǔ)及分析相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，上位機(jī)還與LED大屏幕進(jìn)行通信，LED大屏幕可以實(shí)時(shí)顯示20臺(tái)鋼瓶秤的充裝數(shù)據(jù)。智能充裝示意如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件布置圖

圖2 智能充裝示意圖

2 液氯鋼瓶充裝控制方式

智能充裝控制系統(tǒng)具有本地和遠(yuǎn)程兩種控制方式。本地控制為稱重儀表單獨(dú)控制充裝流程，此方式為PLC系統(tǒng)故障時(shí)臨時(shí)使用。遠(yuǎn)程控制為正常操作時(shí)使用，主要由PLC控制充裝流程，稱重儀表在此方式下主要用于采集稱重?cái)?shù)據(jù)。

2.1 本地控制

本地控制充裝流程為：方式選擇開(kāi)關(guān)選為本地，儀表中完成預(yù)置點(diǎn)方式、預(yù)置點(diǎn)值及允許自動(dòng)清皮等參數(shù)設(shè)置；人工吊裝鋼瓶于秤上，并連接鋼瓶快速接頭，按一下本地啟動(dòng)按鈕，儀表首先完成去皮，然后充裝電磁閥得電，充裝球閥打開(kāi)，液氯充裝開(kāi)始；充裝過(guò)程中按充裝停止按鈕可以暫停充裝，按啟動(dòng)按鈕可以繼續(xù)充裝；充裝電磁閥在質(zhì)量達(dá)到預(yù)置點(diǎn)設(shè)置的目標(biāo)值時(shí)失電，同時(shí)球閥關(guān)閉，充裝完成；人工打開(kāi)回收物料球閥，而后再拆除鋼瓶銅管接頭，儀表在鋼瓶被吊離秤臺(tái)后執(zhí)行清皮操作。這樣就完成了一次本地控制充裝流程。

2.2 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制充裝流程為：方式選擇開(kāi)關(guān)選為遠(yuǎn)程，人工吊裝鋼瓶于秤上，并連接鋼瓶快速接頭，按一下啟動(dòng)按鈕，PLC根據(jù)稱重?cái)?shù)據(jù)等向上位機(jī)發(fā)出充裝請(qǐng)求信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)文本顯示器已輸入的鋼瓶信息及數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)作出判斷，而后向PLC發(fā)出允許充裝信號(hào)、目標(biāo)充裝值、允差值及提前報(bào)警值等，PLC接收到允許充裝等數(shù)據(jù)后，先完成去皮操作，充裝電磁閥在去皮成功后得電，充裝球閥打開(kāi)，充裝指示燈常亮。充裝質(zhì)量顯示為提前報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器斷續(xù)鳴叫提醒，即充裝流程快要結(jié)束，充裝電磁閥在充裝質(zhì)量顯示為目標(biāo)值時(shí)失電，蜂鳴器連續(xù)鳴叫，充裝指示燈閃爍，同時(shí)報(bào)警燈閃爍提醒(此時(shí)也可以通過(guò)按報(bào)警解除按鈕解除當(dāng)前報(bào)警)，指示充裝停止并完成，PLC記錄稱重充裝數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前質(zhì)量、累計(jì)質(zhì)量及累計(jì)瓶數(shù)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)MPI通信把充裝數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。人工打開(kāi)回收物料球閥，而后拆除鋼瓶銅管接頭，儀表在鋼瓶被吊離秤臺(tái)后執(zhí)行清皮操作，這樣就完成了一次遠(yuǎn)程控制充裝流程。

3 液氯充裝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

充裝系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，以下從PLC程序結(jié)構(gòu)、硬件配置與地址分配、充裝主控制流程、上位機(jī)監(jiān)控等幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 S7-300PLC程序結(jié)構(gòu)

充裝系統(tǒng)S7-300PLC程序在結(jié)構(gòu)上為OB1程序循環(huán)組織塊調(diào)用FC101～FC120共20個(gè)FC塊，程序調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。FC101～FC120分別為1～20號(hào)秤的控制功能，每臺(tái)秤的FC功能都調(diào)用了公共功能FC300和FC301，F(xiàn)C300為PLC讀取稱重儀表數(shù)據(jù)的共用功能，F(xiàn)C301為充裝主控制流程共用功能，而且每臺(tái)秤的FC301功能及其他控制程序都會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)塊DB，1～20號(hào)秤分別對(duì)應(yīng)DB101～DB120共20個(gè)數(shù)據(jù)塊，這20個(gè)DB調(diào)用了相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型UDT1。這樣的程序結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化了每臺(tái)秤相同部分功能的編程工作量，提高了PLC程序設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)提高了程序的正確性、可靠性及后期程序維護(hù)的效率。

圖3 S7-300程序調(diào)用結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件配置與地址分配

S7-300PLC系統(tǒng)硬件配置圖如圖4所示，硬件配置主要包括對(duì)電源PS模塊、CPU模塊、接口IM模塊、信號(hào)SM輸入與輸出模塊及20臺(tái)稱重儀表的配置。配置中要注意，稱重儀表首先要安裝相應(yīng)儀表的GSD文件，然后才能在硬件配置界面的模塊目錄樹(shù)中找到相應(yīng)的儀表模塊，本系統(tǒng)儀表的配置使用了2AO加2AI的模式，即每塊儀表的讀與寫(xiě)各使用2個(gè)字。配置中還要注意稱重儀表DP地址的設(shè)置修改，以及所有I/O地址的統(tǒng)籌規(guī)劃與設(shè)置修改。

液氯鋼瓶充裝PLC系統(tǒng)地址分配表如表1所示。S7-300CPU的PROFIBUS-DP總線地址為2，其他20臺(tái)稱重儀表的DP地址分別為11至30。稱重儀表的I/O地址從IB30、QB30開(kāi)始至IB127、QB127結(jié)束，為了記憶地址的方便性，儀表地址一般都是從0或5開(kāi)始，每臺(tái)儀表的AI/AO總共占用8個(gè)字節(jié)。每臺(tái)秤的充裝控制各占用8個(gè)點(diǎn)輸入和8個(gè)點(diǎn)輸出，地址從I0.0、Q0.0開(kāi)始至I19.7、Q19.7結(jié)束。

圖4 S7-300PLC系統(tǒng)硬件配置圖

表1 液氯鋼瓶充裝PLC系統(tǒng)地址分配表

3.3 充裝主控制流程

遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，20臺(tái)鋼瓶秤的充裝主控制流程基本相同，主要包括充裝流程與復(fù)檢流程，F(xiàn)C301為液氯充裝主控制流程共用功能，所以每臺(tái)秤的FC都調(diào)用了FC301，F(xiàn)C301的充裝流程如圖5所示，F(xiàn)C301的復(fù)檢流程如圖6所示。

按下現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的充裝啟動(dòng)按鈕即為啟動(dòng)充裝。PLC可以通過(guò)獲取稱重儀表的毛質(zhì)量值，并與正常鋼瓶的皮質(zhì)量進(jìn)行比較來(lái)判斷鋼瓶上秤與否。PLC同樣可以通過(guò)獲取稱重儀表的凈質(zhì)量狀態(tài)及當(dāng)前質(zhì)量來(lái)判斷去皮是否成功。鋼瓶的允差值來(lái)自于上位機(jī)，通過(guò)PLC判斷后進(jìn)行允差報(bào)警輸出。通過(guò)稱重儀表凈質(zhì)量數(shù)值可以判斷鋼瓶是否下秤。若鋼瓶已下秤，則凈質(zhì)量為負(fù)值。通過(guò)對(duì)稱重儀表皮質(zhì)量狀態(tài)的獲取可以判斷清皮是否成功。若儀表顯示皮質(zhì)量為零，則清皮完成，而后充裝流程跳轉(zhuǎn)至初始狀態(tài)。

按下現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的復(fù)檢按鈕即為啟動(dòng)復(fù)檢。PLC先把當(dāng)前秤的復(fù)檢請(qǐng)求發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)收到請(qǐng)求后應(yīng)答PLC，并就當(dāng)前秤的稱重?cái)?shù)據(jù)與復(fù)檢秤的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后把復(fù)檢合格或不合格的信號(hào)發(fā)送給PLC，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的指示燈輸出復(fù)檢結(jié)果。

3.4 上位機(jī)監(jiān)控

本系統(tǒng)上位機(jī)作為液氯鋼瓶信息管理計(jì)算機(jī)，通過(guò)MPI通信與PLC之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。每臺(tái)液氯鋼瓶秤的上位機(jī)與PLC之間數(shù)據(jù)交換表如表2所示，20臺(tái)鋼瓶秤的數(shù)據(jù)交換表基本相同，在PLC程序中有20個(gè)DB塊分別用來(lái)作為20臺(tái)秤與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換區(qū)域，DB塊的數(shù)據(jù)格式與表2中描述的數(shù)據(jù)格式相同。表2中主要包括兩類(lèi)數(shù)據(jù)，一類(lèi)是PLC傳送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)，一類(lèi)是上位機(jī)傳送至PLC的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括位、字節(jié)和實(shí)數(shù)類(lèi)型。

上位機(jī)不僅參與充裝及復(fù)檢控制，同時(shí)對(duì)鋼瓶數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示、打印等操作，并且液氯充裝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)也可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行查看。上位機(jī)與中控室LED大屏幕連接，鋼瓶的實(shí)時(shí)充裝數(shù)據(jù)及狀態(tài)都可以在大屏幕上顯示。操作人員一般不需要經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)觀察充裝情況，只要在中控室通過(guò)看大屏幕就能了解現(xiàn)場(chǎng)20臺(tái)秤的充裝情況；需要人工操作的時(shí)候再去現(xiàn)場(chǎng)操作，這樣極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)遺漏氯氣等情況對(duì)人員身體造成的傷害。另外，上位機(jī)還可以通過(guò)企業(yè)網(wǎng)(Intranet)與MIS(企業(yè)管理系統(tǒng))或ERP進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，有效提升企業(yè)信息化管理水平。

圖5 充裝流程圖

4 控制系統(tǒng)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，控制系統(tǒng)主要出現(xiàn)了稱重儀表DP通信偶爾故障的情況，表現(xiàn)為正常充裝過(guò)程中在稱重?cái)?shù)據(jù)未達(dá)到目標(biāo)值時(shí)會(huì)提前完成充裝，并超差報(bào)警，這樣給生產(chǎn)帶來(lái)了很大不便。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)不斷觀察和分析，認(rèn)真聽(tīng)取操作人員描述，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，詳細(xì)分析故障原因，對(duì)偶爾出現(xiàn)通信故障的情況采取了3項(xiàng)措施：①重新對(duì)系統(tǒng)所有電氣設(shè)備進(jìn)行更可靠地接地處理；②優(yōu)化PLC程序，對(duì)PLC讀取稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了比較、算術(shù)運(yùn)算等處理，對(duì)明顯太大或太小的數(shù)據(jù)限定了最大值和最小值，并采用多次讀取數(shù)據(jù)再求平均值的方法；③在9號(hào)秤與10號(hào)秤的DP通信總線上添加了西門(mén)子RS485中繼器，用于增強(qiáng)通信傳送信號(hào)。上述3項(xiàng)措施實(shí)施后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間觀察，系統(tǒng)基本沒(méi)有再出現(xiàn)充裝未到目標(biāo)值而提前完成充裝的情況，系統(tǒng)整體運(yùn)行情況良好。

圖6 復(fù)檢流程圖

表2 液氯鋼瓶秤上位機(jī)與PLC數(shù)據(jù)交換表

5 結(jié)語(yǔ)

上述液氯鋼瓶智能充裝控制系統(tǒng)在某電化企業(yè)已成功應(yīng)用，系統(tǒng)使用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)幾次對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化及方案改進(jìn)措施，目前運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，生產(chǎn)效率大幅提高，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)過(guò)程安全隱患明顯降低，鋼瓶充裝智能化水平和鋼瓶管理信息化水平顯著提升。