基于MCGS和PLC的草甘膦膜分離控制系統設計

朱凱彥

（南通江山農藥化工股份有限公司，江蘇南通 226017）

基于MCGS和PLC的草甘膦膜分離控制系統設計

朱凱彥

（南通江山農藥化工股份有限公司，江蘇南通 226017）

設計構造了一個控制草甘膦膜分離的組態系統。該系統采用工業控制計算機作為上位機，下位機采用PLC，同時使用數據采集板卡和智能模塊，將工控機與PLC二者優點結合，同時配合增壓泵、切斷閥、變頻器在生產中使用。在MCGS組態環境中，開發草甘膦膜分離控制界面，對整個系統進行自動控制。

草甘膦膜分離；MCGS；PLC；工控

膜分離技術是近十幾年發展的一種高新技術，隨著膜設備和膜技術的不斷發展，在各行各業都有著廣泛的應用，尤其是化工及制藥行業。膜分離技術是指天然或人工合成的，有選擇透過性膜，以外界的能量或化學位差為推動力對雙組分或多組分的溶劑進行分級、分離、濃縮和提純的邊緣學科高新技術[1]。膜分離技術的優點：①能耗小，整套濃縮設備采用膜分離裝置，只需使用-電能。②采用自動控制系統，可全自動化連續運轉。③維護簡單，費用減少[2]。④污染小，常溫常壓下進行分離，無化學變化，環保。

南通江山農藥化工股份有限公司農藥二廠G草中心的草甘膦膜分離系統使用的是上位機MCGS組態軟件，搭配所用的下位機是S7-300的西門子PLC。該系統能夠完成實時和歷史數據的處理、現場數據的采集、流程控制、報警和安全機制、趨勢曲線、動畫顯示和報表和企業控制網絡的功能[3]。使用MCGS，江山員工可以很好地維護系統。MCGS軟件包括組態環境和運行環境兩部分。兩部分互相獨立又緊密相關，設計工作在組態和PLC的梯形圖編程完成后，整個膜分離的工作就可以在運行環境開始了。

1 草甘膦膜分離工藝流程

草甘膦膜分離工藝流程，如圖1所示。

草甘膦母液經過PH調節后，由母液泵（P4708）輸送至預處理系統及一級膜系統（S4706），淡液去二級儲槽（V4710），濃液回母液槽（V4706）。過濾后的淡液由二級增壓泵（P47091，P47121）輸送至二級膜處理系統（S47071），進行一次濃縮，淡液直接進淡液貯槽（V4715），濃液進三級儲槽（V47111），在濃液輸送管道中進行加酸混合。三級增壓泵（P47101，P47131）將（V47111）儲槽中的液體輸送至三級膜處理系統1（S47081），進行第二次濃縮，淡液進入蒸發系統，濃液進入三級儲槽（V47112），三級增壓泵（P47101，P47131）將（V47112）儲槽中的液體輸送至三級膜處理系統1（S47081），進行第三次濃縮，淡液進入蒸發系統，濃液進入三級貯槽（V47113）在濃液輸送管道中加工藝水混合。三級增壓泵（P47102，P47132）將（V47113）儲槽中的液體再次輸送至三級膜處理系統2（S47082），進行脫鹽處理，淡液進入蒸發系統，濃液進入三級儲槽（V47114），在濃液輸送管道中進行加工藝水混合，三級增壓泵（P47102，P47132）將（V47114）儲槽中的液體再次輸送至三級膜處理系統2（S47082），進行脫鹽處理，淡液進入四級儲槽（V47122），濃液進入三級儲槽（V47115），在濃液輸送管道中進行加工藝水混合。三級增壓泵將（V47115）儲槽中的液體再次通過三級增壓泵（P47102，P47132）輸送至三級膜處理系統2（S47082），進行脫鹽處理，淡液進入四級儲槽（V47122），濃液進入濃液貯槽（V4713）。四級增壓泵（P47111，P47141）將（V47122）中的淡液輸送至四級膜處理系統1（S4709），對淡液內的草甘膦有效成分進行濃縮，淡液進淡液沖洗槽（V4717），濃液進四級儲槽（V47121）。四級增壓泵（P47112，P47142）將（V47121）中的液體輸送至四級膜處理系統2（S4709），對液體進行濃縮處理，淡液進淡液沖洗槽（V4717），濃液進二級儲槽（V471b）。在四級膜處理系統2還有空余的情況下，幫助四級膜處理系統1處理。新增加的三級膜處理系統作用為幫助三級1和三級2系統處理二級濃液。系統中的沖洗水采用淡液沖洗槽中的儲水，通過沖洗泵（P4718，P4719），輸送至各級膜處理系統，沖洗后的液體回淡液貯槽（V4717）。

圖1 草甘膦膜分離工藝流程圖

2 系統硬件軟件設計

2.1 硬件結構框架

該控制系統是根據江山農化農藥二廠的工藝要求設計的，采用了DCS+PLC，（上位機軟件MGCS，下位機PLC）系統硬件結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構框圖

根據控制要求，系統的硬件架構分為3層。

（1）管理層

本次系統的核心部分采用工業控制計算機MGCS組態軟件和西門子（S7-300）PLC構成，負責人機接口和外部信息的交換。

（2）控制層

這是控制系統的關鍵，是聯系管理層和現場設備的橋梁，其主要功能是接受管理層設置的參數和命令控制現場設備的運行，對草甘膦膜分離的過程進行控制。同時，還把現場設備的狀態傳送給管理層。控制層由基于ISA總線的數據采集與繼電器輸出板卡PCL-725/16、模擬量輸入模塊I-7017，模擬量輸出模塊I-7024[4]。

（3）執行層

執行層的設備執行控制層發出的控制命令，包括四級膜分離過程中所使用的切斷閥、增壓泵、調節閥開度信號、熱電阻溫度信號、流量信號、變送器所顯示的液位高低和壓力大小等。

在上位機組態軟件MCGS搭配使用PLC的原因：①PLC優點在于其尋址速度快，尋址速度是相比工控機使用DCS要快得多，且便于處理開關量點的邏輯關系，特別是在設置連鎖保護程序時（尤其是程序量較大，開關量多），本次設計所使用的切斷閥和增壓泵的數量多且為開關量。②MCGS屬于DCS系統組態軟件，DCS系統優點在于處理的點數量多且相比PLC適用于處理模擬量點。本次設計的組態系統中溫度、壓力、液位、流量、變頻啟動增壓泵以及調節閥開度等信號均為模擬量信號。③將PLC與工控機的MCGS搭配使用，可以取兩者長處，PLC專門負責開關量啟停，但無法將信號送回至中控室的工控機中顯示，而MCGS配合專業控制模塊、數據采集和繼電器輸出板卡（I-7017、I-7024、PCL-725/16）負責模擬量點的控制同時將PLC的回送信號顯示。

2.2 系統軟硬件接口設計

STEP 7-Micro/WIN軟件是在計算機中運行的，只有將工控機與其PLC連接起來，才能在工控機中將STEP 7-Micro/ WIN軟件編寫的程序寫入PLC中，或將PLC已有的程序讀入工控機重新修改[5]。

PC與PLC的連接方式這里采用，給PC端安裝CP通信卡（如CP5611通信卡），在用專用電纜將CP通信卡與PLC連接起來，采用CP通信卡可以獲得很高的通信速率，但其價格很高[6]。考慮到江山股份G草工段生產的安全性以及提高中控信號的通信質量故使用CP通信卡。外部連接后需在其相應的軟件中設置，工控機MCGS中組態模式的設備窗口中設置PLC的接入，在STEP 7-Micro/WIN中設置接口、地址、波特率等。在STEP 7-Micro/WIN中程序塊內容主要是對膜分離的PLC程序進行設計的。

3 上位機控制畫面組態

江山股份的MCGS組態工程中的工作分為幾部分。首先按照控制要求畫出相應的流程圖并且定義變量，這些參數變量分別為實現各個功能服務。然后在用戶窗口中組態，并將各個輸入框與實時數據庫中的數據連接，同時將實時曲線中的顯示曲線的變量和給定值以及測量值連接上。然后在主控窗口中定義其初始設置等。經過檢查無誤后，組態工作即完成。然后運行系統，可手動輸入調節閥的開度以及PLC處理切斷閥的開關顯示。

4 運行策略

運行策略的兩種用途。①正常狀況下的生產運行。②緊急情況下的連鎖保護。運行策略采用了類似VB的結構對于初學者上手容易，并且可以采用漢字作為變量，簡單易懂，系統變量的設定是關鍵環節[4]，關系到軟硬件之間的聯系變量畫面。運行策略按照系統工藝要求，編寫源代碼，某正常運行語句：

IF沖洗流量=50 and沖洗溫度<40℃ and設計壓水<0.2 MPa；

THAN

FV105=1；P4708=1；FV101=0；FV102=0；FV103=0；FV104=0；

5 結語

經過多次調試，系統穩定運行。江山股份使用該系統后，發揮了硬件可靠性高的優點，提升大型工業連續化生產的效率。直接導致的最直觀的經濟效益為：①廢水中提取草甘膦2100t/年。②減少甘氨酸消耗量1800t/年。間接的經濟效益：①降低三廢的廢水處理壓力。②機電儀運行效率提升，維修與更換的設備減少。在目前激烈的市場競爭形勢下，南通江山股份使用該系統更有利于提升草甘膦產品的市場競爭力。

[1] 徐國明，周良，鄭瑞庸，等.IDA路線的草甘膦清潔生產方法和綠色化學合成技術[J].農藥，2007，46（10）：656-658.

[2] 汪家銘.草甘膦發展概況及市場前景[J].廣州化工，2002，36（2）：18-22.

[3] 袁秀英，牛云陞，余群威.組態控制技術[M].北京：電子工業出版社，2003：123-124.

[4] 李江全，嚴海娟，劉嬌娣.西門子PLC通信與控制應用編程實例[M].北京：中國電力出版社，2011：135-136.

[5] 陳進，郎朗，婁珂，等.基于MCGS的污水處理系統研制[J].工業儀表與自動化裝置，2009：61-63.

[6] 熊偉.工控組態軟件及應用[M].北京：中國電力出版社，2011：5-6.

Design of Control System for Glyphosate Membrane Separation Based on MCGS and PLC

Zhu Kai-yan

A conf i guration system was designed to control the membrane separation.The system uses the industrial control computer as the host computer，the lower computer uses PLC，and uses the data acquisition board and the intelligent module，combines the advantages of industrial control computer and PLC，with the booster pump，cut off valve，Frequency converter inverter used in production.In the MCGS conf i gurable interface，glyphosate membrane separation control interface is developed，and the whole system is automatically controlled.

glyphosate membrane separation；MCGS；PLC；industrial control

X703.1

A

1003–6490（2017）03–0105–02

2017–03–09

朱凱彥（1989—），男，江蘇南通人，助理工程師，主要研究方向為研究方向為自動控制系統的控制速度，穩定性和可靠性。