王天虬,張立新

(南通醋酸纖維有限公司電儀維修部，江蘇南通 226000)

0 引言

醋片又稱二醋酸纖維素片(C2H4O2)，常作為煙用絲束的生產(chǎn)原料。木漿纖維經(jīng)醋化、水解、沉析、干燥等工藝生產(chǎn)過程，由羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)送至醋片料倉，料倉在醋片生產(chǎn)中起存儲、貯藏的作用。

醋片接收器采用切向?qū)胧叫L(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，含干燥醋片的氣流以15～18 m/s速度沿切向進(jìn)入接收器，氣流由直線變?yōu)閳A周運(yùn)動，大顆粒醋片受慣性力的作用逐步下沉，由分離器底部的旋轉(zhuǎn)喂料閥送入料倉。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流不斷向中心部分流入，形成內(nèi)旋流，內(nèi)旋流攜帶粒度細(xì)、密度小的醋片粉塵旋轉(zhuǎn)向上，經(jīng)濾袋過濾后，排入大氣。醋片粉塵長時(shí)間積聚在濾袋上容易造成過濾性能降低，接收器內(nèi)部壓力升高，最終導(dǎo)致濾袋破損，粉塵進(jìn)入大氣，造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此需要脈沖反吹裝置對濾袋進(jìn)行清理。

脈沖反吹裝置廣泛采用，對裝置及其運(yùn)行效果的監(jiān)控成為研究熱點(diǎn)[1-3]。張大志等設(shè)計(jì)了基于PLC的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，對溫度、壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。潘云等設(shè)計(jì)了矩陣控制模式，減少了開關(guān)量的控制點(diǎn)數(shù)[5]。劉凱麗研究了基于數(shù)字圖像處理布袋除塵器檢漏技術(shù)，準(zhǔn)確定位布袋破損位置[6]。本文設(shè)計(jì)了基于200PLC和KTP1200觸摸屏的新型脈沖反吹裝置監(jiān)控系統(tǒng)，3051壓力變送器實(shí)現(xiàn)對氣源壓力的監(jiān)控；采用PROFIBUS-DP總線將裝置參數(shù)傳給觸摸屏；利用PMT2型粉塵變送器作為輔助裝置，監(jiān)控接收器內(nèi)部。

1 接收器及反吹裝置結(jié)構(gòu)

醋片接收器安裝在料倉頂部，內(nèi)部分為凈氣區(qū)、布袋區(qū)、醋片收集區(qū)。接收器布袋區(qū)共16個(gè)小室，對應(yīng)16只脈沖電磁閥進(jìn)行吹掃，每個(gè)小室中有72個(gè)濾袋進(jìn)行干式過濾。脈沖電磁閥是脈沖反吹裝置的核心部件，控制反吹氣源的通斷，ASCO控制器控制脈沖電磁閥的脈沖信號。電磁閥工作時(shí)，控制器向電磁閥線圈輸入時(shí)長為1 s的正向脈沖信號，電磁閥打開，壓力為0.6 MPa的壓縮空氣經(jīng)過文丘里管進(jìn)入對應(yīng)的小室，將附著在濾袋上的醋片粉塵吹回醋片收集區(qū)。

如圖1所示，16只電磁閥分為2組分別裝在接收器東、西兩側(cè)。反吹裝置由西側(cè)第1只電磁閥開始，每隔4 s打開下一只電磁閥，直到東側(cè)最后一只電磁閥工作完畢構(gòu)成循環(huán)，同一時(shí)刻僅有一只電磁閥打開。東側(cè)與西側(cè)各裝有橢圓型空氣緩沖罐，分別向東、西兩側(cè)8只電磁閥提供壓縮空氣。

圖1 接收器及反吹裝置示意圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)由200PLC、壓力變送器、粉塵變送器、KTP1200觸摸屏構(gòu)成。其中200PLC作為系統(tǒng)的主控單元，負(fù)責(zé)讀取來自現(xiàn)場4臺變送器的電流信號，經(jīng)檢測算法計(jì)算后，結(jié)果通過PROFIBUS-DP的通信方式傳遞給觸摸屏。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 脈沖反吹裝置監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.1 PROFIBUS-DP總線的通信協(xié)議

PROFIBUS協(xié)議能周期性地實(shí)時(shí)響應(yīng)新任務(wù)。數(shù)據(jù)鏈層中數(shù)據(jù)幀的傳輸過程分為數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放3個(gè)階段[7]，數(shù)據(jù)鏈路的建立遵循令牌總線和主從方式，即持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，主站發(fā)出命令，從站給予響應(yīng)，在主站未發(fā)出終止命令之前，從站可以持續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀。主站與從站間的傳輸幀格式如圖3所示。

圖3 PROFIBUS-DP幀格式

F、A、C為幀標(biāo)志字段、分別表示從站地址、命令和控制信息[8]。PKW和PZD共同構(gòu)成了信息字段，PKW為讀寫控制字，PZD為存儲器的具體控制值和狀態(tài)字，一般長為2～10 B，F(xiàn)CS為幀校驗(yàn)字段。本設(shè)計(jì)中，PLC作為主站將變量存儲器內(nèi)的字?jǐn)?shù)據(jù)VW37向從站發(fā)送，任務(wù)代號為7H(寫參數(shù)，單字)，控制字為9C7FH，數(shù)據(jù)值為7D00H(32000)。

2.2 系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，電磁閥指令由ASCO控制器E909PB16MU發(fā)出，與雙觸點(diǎn)型繼電器構(gòu)成電磁閥指令系統(tǒng)。ASCO控制器的16路輸出分別驅(qū)動16只繼電器線圈，繼電器主觸點(diǎn)接入220 V回路控制電磁閥啟停，副觸點(diǎn)接入24 V回路，作為DI信號接入PLC。電磁閥打開持續(xù)1 s，相鄰電磁閥間隔3 s，開閉信號經(jīng)繼電器回路可以同步傳給PLC。

圖4 電磁閥指令信號回路

粉塵變送器采用PMT2型變送器，變送器安裝于醋片接收器的出風(fēng)管道上，在濾袋破損時(shí)檢測醋片粉塵濃度，作為輔助設(shè)備監(jiān)測脈沖反吹裝置運(yùn)行效果。PMT2型變送器根據(jù)粒子所帶電荷數(shù)給出電流信號輸出。本文檢測目標(biāo)為醋片粒子，選擇量程為5～1 000pA，即電荷的感應(yīng)電流為1 000 pA時(shí)變送器輸出20 mA。

2.3 PLC電路設(shè)計(jì)

本文選用的PLC型號為226CN6ES7216-2BD23-0XB8，共24路數(shù)字量輸入，256個(gè)高速定時(shí)器，9.6、19.2、187.5 kbps 3種PPI/T波特率可供選擇。變送器驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流分別為24 V、4～20 mA，模擬量輸入模塊選擇4個(gè)模擬量通道的EM231，轉(zhuǎn)換精度為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.25 ms，極限輸入電壓為30 V，極限電流為30 mA，滿足變送器的驅(qū)動要求。為提高測量的精度與響應(yīng)速度，輸入模塊DIP撥碼開關(guān)設(shè)置為單極性on、on、off。

利用226CN自帶的24 V電源作為繼電器輔助觸點(diǎn)電源，24 V電源經(jīng)繼電器接入PLC數(shù)字量輸入通道構(gòu)成檢測回路，繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)，電磁閥指令信號送入控制器。對空氣儲罐壓力的檢測采用3051型壓力變送器，校準(zhǔn)范圍為0～1 034.214 kPa，現(xiàn)場實(shí)測電磁閥動作時(shí)，空氣儲罐壓力變化范圍是480～580 kPa。3051壓力變送器為兩線制變送器，24 V電源正極接入變送器，變送器回線接入模擬量輸入通道正極，采用HART475手操器對變送器進(jìn)行組態(tài)，4 mA與20 mA分別對應(yīng)量程上下限值450 kPa與600 kPa。

2.4 觸摸屏通信設(shè)計(jì)

觸摸屏作為上位機(jī)，是將測量結(jié)果反映給用戶的媒介，對測量結(jié)果有準(zhǔn)確性與即時(shí)性的要求。KTP1200觸摸屏支持的通信方式MPI、TCP/IP、PROFIBUS-DP，為減少系統(tǒng)復(fù)雜度，盡可能減少設(shè)備數(shù)量，采用PROFIBUS-DP通信方式，使用主從模式，即一個(gè)主設(shè)備PLC與一個(gè)從設(shè)備觸摸屏間通信，觸摸屏地址為1，PLC地址為2，物理鏈接采用PROFIBUS-DP電纜，主站與從站的通信波特率為19.2 kbps，對于高頻長距離通信，防止傳輸時(shí)在DP電纜末端形成反射波[9]，干擾原信號傳輸，在末端加入終端電阻220 Ω，并且為了確保電纜內(nèi)A、B信號的相對關(guān)系，加入390 Ω偏置電阻，以吸收傳輸線上的反射波，增強(qiáng)信號強(qiáng)度[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測算法設(shè)計(jì)

東側(cè)、西側(cè)壓縮空氣壓力變送器選取模擬量輸入通道1和通道4，地址分別為AIW0和AIW6。變送器輸出電流4、20 mA對應(yīng)數(shù)字量為6 400、32 000，代表著壓力值450、600 kPa，空氣儲罐壓力下降的波谷，代表著電磁閥打開，壓縮空氣吹掃正常，因此對壓力下降的監(jiān)測成為電磁閥打開的主要判據(jù)。西側(cè)電磁閥打開時(shí)，對應(yīng)西側(cè)壓力變送器地址AIW6數(shù)值從28 586下降為11 520，認(rèn)為在壓力低于設(shè)定值時(shí)電磁閥打開，地址Q2.1輸出1，同理東側(cè)電磁閥打開時(shí)Q2.2輸出1。第1至16個(gè)電磁閥的指令信號對應(yīng)的地址為I0.0至I1.7，動作信號對應(yīng)的地址為Q0.0至Q1.7。PLC的數(shù)字量輸入端I得到信號時(shí)，啟動通電延時(shí)定時(shí)器TonX(X=33～36，97～100,37～44)，定時(shí)時(shí)間為4 s。如圖5所示，單個(gè)電磁閥動作情況的判斷過程如下：在定時(shí)4 s內(nèi)，Q2.1或Q2.2輸出為1時(shí)，復(fù)位對應(yīng)的定時(shí)器TonX，代表著電磁閥打開，Q2.1或Q2.2與定時(shí)器的使能端輔助觸點(diǎn)串聯(lián)，使電磁閥輸出Q動作，串聯(lián)的目的是使每個(gè)電磁閥的動作在檢測周期內(nèi)能唯一地顯示在觸摸屏上，這樣能在觸摸屏上精確地觀察到每個(gè)電磁閥的動作情況。定時(shí)時(shí)間結(jié)束，Q2.1或Q2.2沒有復(fù)位定時(shí)器，則將定時(shí)器的輸出T賦給Q并自鎖，電磁閥未動作得以記錄下來。

每個(gè)電磁閥的判斷程序啟動前，由電磁閥指令信號I復(fù)位前一個(gè)電磁閥的定時(shí)器，這樣保證了在每個(gè)電磁閥判斷程序運(yùn)行時(shí)，對應(yīng)的定時(shí)器都處于計(jì)時(shí)起點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)16個(gè)電磁閥的監(jiān)測算法流程圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)測算法流程圖

3.2 趨勢記錄與報(bào)警記錄程序設(shè)計(jì)

趨勢圖記錄每個(gè)電磁閥開關(guān)周期內(nèi)變送器壓力的變化情況，在單個(gè)電磁閥的判斷程序內(nèi)，變送器壓力動作信號Q2.1或Q2.2有輸出時(shí)，壓力值存儲在變量存儲區(qū)內(nèi)，由傳送指令賦值給每個(gè)電磁閥的字變量。變送器壓力的測量值在轉(zhuǎn)換前需要依據(jù)式(1)進(jìn)行量綱的轉(zhuǎn)換，由無量綱的測量值轉(zhuǎn)換為kPa為單位的壓力值。

(1)

式中：p為測量壓力值；x為AI卡讀到的計(jì)算值。

在定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)電磁閥仍然沒有動作，此時(shí)需要給出報(bào)警信號至觸摸屏。在組態(tài)軟件博途15中，報(bào)警觸發(fā)變量只能是字變量，因此將模擬量10傳送給字變量地址VWx(x=63、65…93)作為報(bào)警觸發(fā)變量。

4 觸摸屏KTP1200組態(tài)設(shè)計(jì)

在畫面中添加電磁閥圖形、按鈕控件、用于顯示數(shù)值的I/O域、用于顯示曲線的趨勢視圖、用于顯示報(bào)警的報(bào)警視圖，如圖6所示，觸摸屏首頁為16個(gè)電磁閥總畫面、粉塵濃度、旋風(fēng)分離器壓力、報(bào)警復(fù)位按鈕；6個(gè)分頁為東側(cè)1～8號電磁閥、西側(cè)1～8號電磁閥動作曲線、粉塵濃度、接收器壓力、東西側(cè)空氣儲罐壓力以及報(bào)警記錄畫面。

圖6 觸摸屏首頁畫面

電磁閥外觀鏈接布爾型輸出變量Q0.0至Q1.7，變量值為0時(shí)顯示綠色，變量值為1時(shí)顯示紅色，電磁閥顯示紅色時(shí)就表示該閥在監(jiān)測周期內(nèi)未動作。按鈕控件的事件選項(xiàng)內(nèi)，在單擊時(shí)設(shè)置激活頁面函數(shù)，這樣在按下時(shí)能切換至分畫面，方便維護(hù)人員分析數(shù)據(jù)。I/O域設(shè)置為十進(jìn)制輸出，在控制器內(nèi)執(zhí)行量綱轉(zhuǎn)換程序后的變送器值能正確顯示在I/O域內(nèi)。趨勢視圖內(nèi)添加數(shù)據(jù)源xValve_Trend、separator_pressure、dust，將數(shù)據(jù)趨勢準(zhǔn)確記錄在視圖中，其中電磁閥動作時(shí)的壓力曲線為周期性尖峰狀脈沖。在模擬量報(bào)警中添加valve_alarm報(bào)警觸發(fā)變量，如前文所述，報(bào)警觸發(fā)變量的地址為VWx(x=63、65…93)，設(shè)置為大于5時(shí)，報(bào)警被觸發(fā)，此時(shí)的報(bào)警內(nèi)容就被顯示在報(bào)警視圖中，同時(shí)記錄在以Alarm_log為文件名的文檔中。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場壓縮空氣儲罐取壓點(diǎn)位于第4個(gè)與第5個(gè)電磁閥之間，采用膜片式壓力表測量電磁閥開關(guān)時(shí)壓力的變化范圍，具體數(shù)值如表1所示。由數(shù)據(jù)可知，壓力變化的感知量隨著閥與取壓點(diǎn)距離的增加而衰減，為了保證所有的電磁閥打開時(shí)都能被監(jiān)測算法捕捉到，程序內(nèi)閾值壓力設(shè)為530 kPa(即小于20 053)時(shí)，Q2.1或Q2.2變?yōu)?。

表1 電磁閥打開時(shí)壓力變化值、與取壓點(diǎn)距離(壓力表測量)

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，導(dǎo)壓管距離大于2 m時(shí)，測得的壓力變化值會進(jìn)一步衰減，因此為了減小變送器安裝位置對測量的影響，現(xiàn)場壓力變送器的安裝應(yīng)與空氣儲罐之間的距離小于50 cm，并保證導(dǎo)壓管的長度小于1 m。

現(xiàn)場采用9316屏蔽電纜作為信號電纜，定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間等于E909PB16MU控制器設(shè)置的相鄰電磁閥打開周期。實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，電磁閥的動作能被準(zhǔn)確監(jiān)測到并能及時(shí)顯示在觸摸屏上，對于故障電磁閥，能在畫面上準(zhǔn)確記錄，并能觸發(fā)報(bào)警變量將報(bào)警內(nèi)容、時(shí)間記錄在Alarm_log文件中，其余各壓力變送器顯示值與HART475手操器的讀取值一致。

6 結(jié)束語

本文提出了一種醋片料倉接收器脈沖反吹裝置監(jiān)控系統(tǒng)，通過對電磁閥指令電路、PLC控制電路、觸摸屏組態(tài)以及監(jiān)測算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對醋片料倉接收器反吹裝置及接收器運(yùn)行情況的監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測脈沖反吹裝置的運(yùn)行情況，并且能將接收器的運(yùn)行狀況反映在觸摸屏中，為高效生產(chǎn)提供參考。