白乳膠反應釜監控系統的設計與實現

劉微，金太東，馬躍強，唐忠華

（遼寧石油化工大學信息與控制工程學院，遼寧撫順113001）

隨著市場經濟的復蘇，傳統的白乳膠生產方式在產品的產量和質量方面已經遠遠不能達到市場的需求，主要表現在以下幾個方面：

1）小流量變化要求控制精確，人工操作不能滿足控制要求；

2）設反應釜內實時溫度為Tt，單體的實時流量為Qt，有函數關系式Qt=f（Tt）。而目前的生產過程仍采用人工觀察、記錄和調節，使反應進程減慢，造成視覺誤差，影響產品的最終產量和質量；

3）傳統的人工生產方式勞動強度大，生產成本高；同時由于化學反應劇烈，近距離的人工操作存在一定的安全隱患；

4）目前市場需求增加，不間斷的生產要求較高的自動化水平。

基于以上原因，設計一套完整的、自動化水平較高的白乳膠生產監控系統是十分必要的。

1 生產工藝介紹

白乳膠是固體原料PVA、液體配料VAC和幾種小料按一定的比例，在一定的溫度和壓力下，以引發劑為載體，經過復雜的化學反應生成的一種建筑用膠。其工藝流程如圖1所示。

反應釜［1］的一次生產過程需要兩天半的時間。第一天主要進行固體料PVA的投遞、反應釜的通氣升溫與溶醇。流量控制在第二天進行，首先以35 Hz啟動主攪拌電機，保證釜內溫度在74～76℃之間時滴加單體VAC和引發劑，滴加過程中溫度不斷升高，單體的流量也不斷變化，完成時釜內溫度為85℃。然后保溫t小時后降至60℃，加入增塑劑和水溶輕鈣，攪拌一小時停機靜止，等待第三天產品灌裝。整個生產中投料、保溫、攪拌等工序都需要觀察、記錄流量信息，并需人工計時，操作起來極其繁瑣，而且計時不準確，不利于企業對生產流程的監管，影響產品質量和產量。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

2 監控系統設計

2.1 系統控制方案及原理

控制系統可以在手動/自動兩種方式下操作，手動狀態即可進行傳統式人工操作，方便設備檢修或者運行故障期間的產品生產。自動狀態主要由PLC控制氣動閥、變頻器、電磁閥、繼電器、計量泵等設備來實現。

控制系統有4條閉合回路，均采用PID控制。其中兩條回路控制引發劑流量（流量范圍10～100 L/h）。首先在手動的狀態下，通過改變操作量MV的值來調節變頻器的頻率，從而改變計量泵的電機轉速，進而找到合適的PV2，然后將此時PV2的瞬時值賦給SV2作為設定值。調整PID的P、I參數得到理想的曲線，轉入自動狀態下觀察PV2的變化，實現引發劑的小流量控制。

另外兩條回路控制VAC流量（流量范圍160～380 L/h）。同樣在手動狀態下選擇好P、I參數，得到理想曲線后轉到自動狀態，通過PV1來控制氣動閥的開度，從而控制VAC流量；同時由PLC采集反應釜內實時溫度Tt，按照VAC流量、溫度方程Qt=Q0+50×△T計算出Qt，并將其值賦給SV1，實現VAC流量隨溫度的變化。

主攪拌機的轉速調節由PLC控制變頻器來實現多段調速。

2.2 控制系統結構組成

針對反應釜監控系統［2］的功能要求設計的控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Structure diagram of control system

系統由3部分組成：

1）現場設備節點現場設備主要包括：壓力傳感器、流量計、溫度傳感器等數據采集設備；冷卻水閥、蒸汽閥等開關設備；計量泵、氣動閥各兩臺；主變頻器、調節計量泵頻率的變頻器各兩臺。

2）控制柜它是整個控制系統的核心硬件，內部主要配置有：PLC及其擴展單元模塊；6個繼電器；兩臺三菱變頻器；一個斷路器；兩個蜂鳴器和十六臺宇電AI系列智能儀表。

3）車間監控室配有組態軟件的車間監控室，主要負責控制系統的啟動/停止、操作過程的監控、PID參數的設定、現場數據的記錄與查詢等工作。

3 硬件設計及功能介紹

監控系統的硬件部分主要由下位機（歐姆龍CP1LM30DR-A及其擴展的模擬輸入單元CPM1A-AD041、模擬輸出單元CPM1A-DA041）和上位機（PC機和組態王軟件）組成。下位機PLC采用RS-232C接口與PC進行串行通信。輸出單元中101通道控制主攪拌機的啟/停和電機的變速；100通道的其中四路控制電磁閥的開/關，另外兩路通過控制繼電器來控制蜂鳴器的動作，最后兩路控制計量泵變頻器的啟/停。

3.1 模擬輸入和模擬輸出單元

模擬輸入單元［3］CPM1A-AD041，輸入的信號量程是4～20mA（將電壓輸入端子和電流輸入端子短路），占用4CH的輸入通道，2CH的輸出通道。CPM1A-AD041在控制系統中主要負責液體引發劑、反應單體VAC的實時流量PV的采集，并把數據傳送到閉環控制的輸入端。

模擬輸出單元［3］CPM1A-DA041，輸出信號V1、V3量程采用0～10 V，控制兩個計量泵的變頻器給定單元；I2、I4量程采用4～20 mA，占用4CH的輸出通道，直接控制VAC管道上的氣動閥門。

4 控制系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機的組態設計、下位機PLC［4］控制程序設計、組態王和PLC的通信連接。

4.1 上位機組態軟件

由于反應釜內化學反應劇烈，因此對釜內溫度、液位、壓力等數據的監控十分重要。北京亞控公司開發的組態王6.53不僅使用方便，而且提供其與歐姆龍PLC的通信協議，因此在設計好組態監控畫面后，按照端口一致、通信協議配置一致、數據類型一致的準則組態好通訊網絡，下位機PLC就可以通過串行接口與上位機PC進行數據交換（包括數據采集和數據發送及一些控制命令的輸入）。圖3為1#釜工藝流程主界面，運行時可以通過此界面切換到棒圖查詢界面來查詢各個液體反應物的實時流量信息，并能人工設定PID的比例、積分等參數，然后切換到自動狀態使系統自動運行。同時生產狀態、歷史曲線的查詢都十分簡單、方便。

圖31 #釜工藝流程主界面Fig.3 1#reaction flow main surface

4.1.1 報 表行與列的鎖定

因為監控系統數據記錄采用10分鐘刷新一次，且釜內的溫度、壓力等監測的數據較多，所以根據需要，報表中的某些行、列要被鎖定，方便數據查詢和對比。所以在開發報表［5］時，選擇要鎖定行列交叉處的單元格，同時按下｛Ctrl｝+｛L｝鍵，可以鎖定選定單元格上側的所有行和左側的所有列；只鎖定行時，選擇最左側的單元格執行鎖定。只鎖定列時，選擇最上邊的單元格執行鎖定。

具體做法是以村集體（村委會）為主體成立農宅合作社，通過轉讓、租賃、入股、合作經營等方式，將村民閑置的房屋資產整合利用，村民自愿入社，引入專業的旅游企業進行經營，打造休閑旅游、度假養老、娛樂營地等產業，盤活經營現有農村閑置房屋，促進農民當地就業，賦予農民更多的財產權和收益權，入社農民每年不僅有固定的租金，年底還有分紅。

但是，鎖定行、列中的單元格不能被編輯。需要對鎖定的單元格進行編輯時，先通過快捷鍵｛Ctrl｝+｛U｝來解鎖，然后再對其進行編輯。

4.1.2 實 時數據的Web發布

為了方便公司技術部門對車間生產狀況的監管，監控系統采用組態王6.53的Web畫面發布和數據發布［5］功能。（其中數據發布是組態王6.53Web的新增功能。）

對于實時數據的發布創建，首先在工程瀏覽器左側的工程目錄顯示區內選擇Web——發布數據庫信息。在右邊的目錄內容顯示區內雙擊“新建”圖標，或者鼠標右鍵選擇“新建”圖標，在右鍵菜單中選擇“新建組”，系統彈出“新建……”對話框，如圖4所示，在對話框中輸入發布數據所需要的信息：

名稱：實時數據視圖名稱，必須填寫。長度不超過32個字符。命名要符合組態王命名規則。

圖4 實時數據的Web發布Fig.4 Real-time data Web issuance

數據視圖說明：實時數據視圖的說明信息，最多256個字符，可以為空。

類型：實時信息的類型，數據視圖和時間曲線，必須選擇。

在完成實時數據中各個發布組的創建后，對KvWeb進行配置。在組態王工程瀏覽器左側的工程目錄顯示區內鼠標雙擊“發布數據庫信息”，彈出“KvWeb設置及發布”窗口，然后配置各項參數，包括網絡標題、文件服務器設置、命令服務器設置、系統安全設置、發布，完成數據組的創建和網頁的發布。

4.2 下位機程序軟件設計

PLC的軟件程序［6］在OMRON8.2 CX-P上實現。程序設計主要有4條回路的PID控制、整個工藝流程的順序控制等。順序控制利用PLC內部輔助繼電器作為每一步開始的確定輸入，再配合計數器來定時，按時對電磁閥、氣動閥、蜂鳴器和變頻器進行實時準確的控制。PID控制回路中，首先程序初始化，將控制字及內存數據設置完成后，按照PLC內部的0～6 000對應0～100、10～100、160～380進行量程轉換和顯示，同時要求精度提高到16位，將瞬時的流量信息通過組態界面顯示在PC機上，便于工作人員的監視與調整。在操作量和各個PID參數調整理想后，恢復到自動狀態，整個過程只需一人就可以在電腦上直接控制，操作方便、簡潔。系統程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖Fig.5 Flow chart of system program

4.3 組態王與PLC的通信

組態王支持與歐姆龍PLC通過串口RS232進行通信［7］。對組態王中的OMRON CP1L驅動軟件進行下載安裝后，檢查串口的配置是否一致：

端口：COM2；

波特率：9600；

數據位：7；

奇偶校驗：偶；

停止位：2。

在組態王里定義建點時，要求對應于PLC中每個變量，PLC中的數據類型與組態王數據字典里面的數據類型必須相同，然后運行組態，測試設備PLC是否通信正常。完成系統硬件與軟件的通信。

5 結束語

利用成熟的PID技術，以PLC和組態王軟件為基礎設計了一套白乳膠反應釜的監控系統，不僅解決了目前生產中的各種問題，同時提高了整個系統的自動化水平。

系統主要達到了以下幾個功能：

1）解決了人工操作中引發劑小流量控制不精確的問題；2）通過PLC軟件編程能準確實現Qt=Q0+50×△T的VAC流量控制；

3）工藝過程中計時更加準確，減少了人工操作時的時間誤差；

4）PC監控界面信息更及時、全面，Web發布使監控系統更完善；

5）提高了生產效率，保證了產品質量。該控制系統已經成功應用于生產。

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