李樂(lè)斌，齊恩伍，呂衛(wèi)星，胡石林

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

分離氫同位素和氫同位素水的基本原理是基于氫同位素水的物理與化學(xué)性質(zhì)的差別?，F(xiàn)在使用的分離方法有化學(xué)交換法、電解法、蒸餾法、氣相色譜法等[1]。經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，特別是催化劑制備技術(shù)的提高，促進(jìn)了氫-水同位素交換工藝的不斷改善。氫-水同位素分離的電解法已由簡(jiǎn)單的氣相催化交換，發(fā)展到液相催化交換，再到聯(lián)合電解催化交換工藝技術(shù)[2-3]。聯(lián)合電解催化交換工藝將電解和化學(xué)交換分離方法結(jié)合，分離因子很高且操作溫度較低，在氫-水同位素分離領(lǐng)域得到很大的應(yīng)用。氫氣與液態(tài)水催化交換過(guò)程中工藝條件容易控制，重組分向液態(tài)水中轉(zhuǎn)移的方向，與電解過(guò)程中重組分向電解液中濃集的方向一致[4-5]。為進(jìn)一步了解催化交換反應(yīng)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室建立了一套三級(jí)聯(lián)合電解催化交換裝置，用于研究催化交換工藝和選擇合適的反應(yīng)控制條件。根據(jù)工藝具體要求，提出了一種基于PLC 的工藝控制方法并建立系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。利用PLC 及其IO 模塊完成了溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的測(cè)量與控制。

根據(jù)工藝流程建立三級(jí)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置，裝置實(shí)物如圖1所示。圖中可看出3 個(gè)催化交換塔塔徑不同，可以單級(jí)運(yùn)行也可以串級(jí)運(yùn)行。每級(jí)塔工藝流程相同，因此三級(jí)塔工藝裝置控制對(duì)象和控制方式相同。通過(guò)對(duì)工藝流程的分解得知，控制系統(tǒng)應(yīng)該包括電解槽的控制、交換塔底部的液位控制、保溫水控制，液體流量控制，壓力、溫度和氣體濃度信號(hào)采集等。工藝介質(zhì)中包含爆炸性氣體，要求所用傳感器具有防爆性，模擬量信號(hào)要經(jīng)過(guò)安全柵隔離。從安全運(yùn)行方面考慮，系統(tǒng)還包括報(bào)警與安全連鎖功能。

圖1 三級(jí)串聯(lián)交換塔實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device of three-stage series exchange tower

1 控制系統(tǒng)硬件組成

依據(jù)交換工藝具體要求，提出了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)選擇PLC300 為主控制器，配置相應(yīng)的AI、AO、DI、DO 模塊，且通道有冗余配置。模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)安全柵隔離，數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過(guò)繼電器隔離。系統(tǒng)中包含獨(dú)立運(yùn)行的PLC 系統(tǒng)，分別是三套電解系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和保溫水系統(tǒng)。它們通過(guò)交換機(jī)直接與上位機(jī)通訊。具體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可知串口服務(wù)器通過(guò)RS485 接口連接氫氣濃度測(cè)量?jī)x、氣體質(zhì)量流量控制器、保溫水系統(tǒng)的溫控儀。串口服務(wù)器選擇工業(yè)級(jí)機(jī)架式結(jié)構(gòu)，16路RS232/485/422 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口。串口可獨(dú)立全雙工工作，互不干擾且光電隔離?？刂葡到y(tǒng)以交換機(jī)為中心組建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別連接電解系統(tǒng)兩個(gè)PLC300、主工藝PLC300、工控機(jī)、冷卻水PLC1200、電解系統(tǒng)PLC200 和串口服務(wù)器。主工藝的PLC300組態(tài)PROFINET 網(wǎng)絡(luò)與閥島相連，用于控制氣動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)緊急情況下的應(yīng)急操作。主工藝系統(tǒng)采集工藝的溫度、壓力信號(hào)并完成液位PID 控制和報(bào)警與安全連鎖功能。安裝在工控機(jī)的上位機(jī)軟件依靠OPC 服務(wù)器訪問(wèn)各級(jí)PLC，完成工藝參數(shù)交互通訊。電氣與控制機(jī)柜實(shí)物圖如圖3所示。電氣機(jī)柜主要集成有加熱器和泵的控制。泵有遠(yuǎn)程與機(jī)旁、手動(dòng)與自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，加熱回路設(shè)置有急停按鈕。PLC 機(jī)柜頂安裝聲光報(bào)警燈，提示操作人員報(bào)警狀態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system

圖3 電氣與控制機(jī)柜實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of electrical and control cabinet

2 控制系統(tǒng)軟件編寫(xiě)

控制系統(tǒng)軟件部分包括開(kāi)發(fā)PLC 程序和上位機(jī)畫(huà)面程序。由于PLC 硬件選用西門子控制器，編程軟件首選博途。博途又叫做全集成自動(dòng)化軟件，是西門子推出的全新的工業(yè)自動(dòng)化軟件，采用新型、統(tǒng)一軟件框架，可在同一開(kāi)發(fā)環(huán)境中組態(tài)可編程控制器和人機(jī)界面，集成了傳統(tǒng)的西門子STEP7和WINCC 的功能，可以更加直觀、高效、快速地進(jìn)行自動(dòng)化項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)[6]。閥島通過(guò)PROFINET 網(wǎng)絡(luò)與PLC 通訊，硬件組態(tài)時(shí)需首先安裝閥島的GSD文件，然后在硬件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)視圖界面中設(shè)置IP 地址，建立PROFINET 網(wǎng)絡(luò)，最后根據(jù)硬件型號(hào)配置閥島的參數(shù)模塊，配置PROFINET 網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 配置PROFINET 網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Configuring PROFINET network

對(duì)于常規(guī)溫度、壓力信號(hào)的測(cè)量，PLC 編程時(shí)可以調(diào)用SCALE 縮放指令完成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)采集，調(diào)用UNSCALE 取消縮放指令完成模擬量標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。程序中還包括液位的PID 控制程序。通常情況下要保證PID 調(diào)節(jié)節(jié)奏與PLC 采樣周期保持一致性，將PID 程序編寫(xiě)在中斷組織塊中，本系統(tǒng)在組織塊OB35 中編寫(xiě)PID 程序。編程時(shí)可以調(diào)用系統(tǒng)集成的基本連續(xù)PID 控制器，并增加無(wú)擾切換功能即在手自動(dòng)控制切換時(shí)，保證調(diào)節(jié)量不會(huì)跳變。用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)電氣設(shè)備啟?？刂婆c狀態(tài)反饋、工藝參數(shù)報(bào)警與安全連鎖等邏輯控制，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

上位機(jī)軟件是操作員完成工藝流程監(jiān)控的界面，包括數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、歷史趨勢(shì)、操作指令輸入、設(shè)備狀態(tài)顯示等信息。本系統(tǒng)串口通訊設(shè)備比較多，且通訊協(xié)議非標(biāo)準(zhǔn)格式，不能被PLC 直接獲取，需要開(kāi)發(fā)自由口驅(qū)動(dòng)程序，難度較大。綜上原因，采取上位機(jī)軟件直接編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法，獲得設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。上位機(jī)軟件采用NI 公司的LabVIEW軟件，它提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言[7]。

2.1 上位機(jī)軟件OPC 通訊

LabVIEW 軟件可以通過(guò)多種方式與任何可編程控制器進(jìn)行通訊，常用的通訊方式包括OPC 通訊、以太網(wǎng)通訊、串口通訊等。本系統(tǒng)選擇OPC 服務(wù)器與PLC 通訊。OPC 定義了在控制設(shè)備和人機(jī)界面之間進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)象數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以將不同開(kāi)發(fā)商研發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用軟件有機(jī)地集成或連接起來(lái)[8]。LabVIEW 軟件安裝DSC 模塊后可以生成OPC 服務(wù)器。打開(kāi)服務(wù)器，選擇通訊協(xié)議建立連接通道，填寫(xiě)PLC 以太網(wǎng)地址連接相應(yīng)的PLC，最后新建標(biāo)簽變量，綁定對(duì)應(yīng)的PLC 物理地址即可建立連接。圖5表示OPC 與PLC 之間建立的標(biāo)簽變量。從圖5可以看出，溫度、壓力變量通過(guò)數(shù)組變量連接，其他變量按照位、雙字?jǐn)?shù)據(jù)格式連接。通過(guò)OPC 服務(wù)器將控制系統(tǒng)中所有PLC 與LabVIEW 建立通訊，上位機(jī)可以按需對(duì)所有建立的標(biāo)簽變量進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。

圖5 OPC 與PLC 之間建立的標(biāo)簽變量Fig.5 Label variables established between OPC and PLC

系統(tǒng)中的氣體質(zhì)量流量控制器也是通過(guò)OPC服務(wù)器與上位機(jī)通訊。氣體質(zhì)量流量控制器為MOD BUS-RTU 協(xié)議，RS458 串行接口，通過(guò)串口服務(wù)器連接上位機(jī)。在OPC 服務(wù)器中配置儀器通訊協(xié)議，直接訪問(wèn)通訊協(xié)議說(shuō)明的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址獲取數(shù)據(jù)。

2.2 上位機(jī)軟件串口通訊

控制系統(tǒng)中溫控儀和氣體濃度測(cè)量?jī)x支持串口通訊，用LabVIEW 編寫(xiě)串口通訊驅(qū)動(dòng)程序主要用到VISA 函數(shù)。它包括VISA 配置串口、VISA 寫(xiě)入、VISA 讀取、VISA 關(guān)閉和屬性節(jié)點(diǎn)函數(shù)[9]。氣體濃度測(cè)量?jī)x的串口通訊程序如圖6所示。編程時(shí)首先初始化串口，按照儀表的自定義通訊協(xié)議寫(xiě)入特定的語(yǔ)句，最后讀取字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。編寫(xiě)程序時(shí)在讀取數(shù)據(jù)前必須添加Bytes at Port 這個(gè)串口屬性節(jié)點(diǎn)，避免在讀取字節(jié)個(gè)數(shù)與儀表發(fā)送的字節(jié)數(shù)不匹配，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。使用此屬性節(jié)點(diǎn)可以讀取當(dāng)前串口緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，然后將它的輸出連接到VISA 讀取的輸入端。這樣緩沖區(qū)數(shù)據(jù)就可以完整讀取，不會(huì)有任何等待和數(shù)據(jù)錯(cuò)位情況。另外在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)一般要添加延時(shí)等待命令，可以提高程序的時(shí)效性，避免數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)沖突。

圖6 氣體濃度傳感器的串口通訊程序Fig.6 Serial communication program of gas concentration sensor

3 結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步研究工藝的優(yōu)化路線，實(shí)驗(yàn)室建立了一套串級(jí)聯(lián)合電解催化交換實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究氫-水液相交換過(guò)程，摸清楚工藝運(yùn)行條件。根據(jù)工藝流程的具體要求設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的控制系統(tǒng)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)裝置。該控制系統(tǒng)集成多種通訊協(xié)議，連接多種類型PLC 系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了數(shù)據(jù)采集與控制要求。上位機(jī)軟件依靠OPC 服務(wù)器連接PLC 系統(tǒng)、智能儀表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通過(guò)LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)采集與顯示、流量和液位PID 控制、歷史趨勢(shì)、報(bào)警與安全連鎖等功能，達(dá)到工藝運(yùn)行要求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行界面、操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，為相關(guān)領(lǐng)域提供參考價(jià)值。