基于DCS的罐裝聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究

劉文學(xué)+陳相銘+江萬里+李榮平

摘 要： 針對罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)特性及自動化控制要求，提出基于DCS的罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。介紹了罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)工藝流程，并且詳細(xì)闡述了DCS系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、配電柜配置以及主要復(fù)雜工藝的實施方案。系統(tǒng)具有操作方便、維護(hù)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，不僅降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了廠區(qū)生產(chǎn)環(huán)境，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞： DCS； ECS?100； 聚氨酯發(fā)泡膠； 自動控制； 罐區(qū)

中圖分類號： TN876?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0156?04

Research on DCS?based production control system of canned polyurethane foam adhesive

LIU Wenxue， CHEN Xiangming， JIANG Wanli， LI Rongping

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050018， China）

Abstract： According to the production features of canned polyurethane foam adhesive and automation control requirement， a DCS?based production control system of the canned polyurethane foam adhesive is presented. The production technical process of the canned polyurethane foam adhesive is introduced. The hardware design， software design and network design of the DCS?based production control system， configuration of power distribution cabinet and implementation plan of the main complex technology are described in detail. The system has the characteristics of convenient operation， simple maintenance and stable running. The system input into operation can reduce the labor intensity of workers and improve the production environment of factory， and has perfect economic benefit.

Keywords： DCS； ECS?100； polyurethane foam adhesive； automatic control； tank field

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，對居住環(huán)境的要求也越來越高，此時，人們對裝飾的質(zhì)量提出了更高的要求，而在裝飾過程中，尤其是門窗的安裝，難免會留下縫隙，聚氨酯發(fā)泡膠主要用于建筑門窗與墻體、冷庫設(shè)備、管道安裝、保溫板材的接縫孔洞間的密封。

聚氨酯泡沫是氣霧技術(shù)和聚氨酯泡沫技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)物。本文提到的是管式罐裝聚氨酯發(fā)泡膠。目前，國內(nèi)罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)仍處于人工半自動化的階段，在一定程度上制約著聚氨酯發(fā)泡膠的發(fā)展。近年來，由于DCS控制系統(tǒng)具有可靠性高、擴(kuò)展靈活以及控制功能強(qiáng)大等特點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、熱電等行業(yè)的自動化控制中，因此采用DCS對罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)進(jìn)行控制。DCS系統(tǒng)可靠性高、分散控制、集中操作、配置靈活、組態(tài)方便，是一種有效的工具和實現(xiàn)手段，可以實現(xiàn)對罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)進(jìn)行控制。

1 罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)工藝流程

1.1 聚氨酯發(fā)泡膠的發(fā)泡方法

聚氨酯發(fā)泡膠采用預(yù)聚體法發(fā)泡工藝[1]，首先將聚醚多元醇（白料）和二異氰酸酯（黑料）依次灌裝到瓶罐中制成預(yù)聚體，然后在預(yù)聚體中加入水、催化劑、表面活性劑、其他添加劑等在攪拌下混合進(jìn)行發(fā)泡，固化后在一定溫度（一般為常溫）下熟化。

1.2 罐裝聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)工藝流程和簡介

罐裝聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。首先用吸盤式機(jī)械手抓取空瓶罐，將其豎立放在鏈板輸送機(jī)上，在輸送機(jī)的傳動下，將空瓶罐送到注入聚醚多元醇（白料）工位，罐區(qū)中的原料經(jīng)混合反應(yīng)釜混合通過流量計注入到空瓶罐中。在鏈板輸送機(jī)的傳動下，依次到達(dá)注入二異氰酸酯（黑料）、壓入噴嘴工位、注入發(fā)泡劑工位、注入催化劑工位、加壓（充入一定量的壓縮空氣）工位、上外瓶蓋工位，在相應(yīng)的工位完成對應(yīng)的操作。在裝箱工位，每12瓶裝入一箱，并放入一次性膠管，然后封箱。當(dāng)封裝成箱的產(chǎn)品到達(dá)振動搖勻工位時，每6箱一組進(jìn)行振動搖勻，使原料充分混合。最后對成箱的產(chǎn)品進(jìn)行噴碼、碼垛并運(yùn)到倉庫儲存。

2 罐裝聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

由于罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的控制點比較分散，因此選用DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制。在DCS系統(tǒng)中，由于浙江中控在化工控制等方面業(yè)績突出，因此選用了浙江中控ECS?100控制系統(tǒng)，它將最新的現(xiàn)場總線技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，從而實現(xiàn)了多種總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成[2]。該生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要進(jìn)行了以下幾方面的設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的工藝生產(chǎn)流程，通過輸入輸出點的統(tǒng)計可得：熱電阻輸入信號（PT100）25點，模擬量輸入信號（AI）35點，數(shù)字量輸入信號（DI）200點，數(shù)字量輸出信號（DO）146點。在DCS的硬件系統(tǒng)設(shè)計中，主要對工程師站、操作員站、控制站進(jìn)行了相應(yīng)的硬件配置，其控制系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

工程師站主要完成對系統(tǒng)軟件的組態(tài)、編譯及下載，并完成對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視。本系統(tǒng)中，在控制室里設(shè)計了2臺互為冗余的工程師站和1臺專用服務(wù)器。工程師站和服務(wù)器均選用研華IPC?610L工控機(jī)，每臺各配置1臺顯示器，另外配置2臺打印機(jī)。

操作員站主要是由工業(yè)PC機(jī)、打印機(jī)、鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)等部件組成的人機(jī)系統(tǒng)，它是操作人員完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的人機(jī)界面[3]。本系統(tǒng)配置了2臺操作員站，1臺在控制室，1臺在現(xiàn)場值班室，操作員站也選用了研華IPC?610L工控機(jī)，每臺各配置1臺顯示器，用來顯示系統(tǒng)流程圖、趨勢畫面、報警畫面，另外給現(xiàn)場值班室的操作員站配置1臺打印機(jī)。

現(xiàn)場控制站是系統(tǒng)中直接與工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行信息交互的I/O處理單元，用于完成整個工業(yè)過程的實時監(jiān)控功能[4]。該控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場信號點（包括AI，DO，DI）給控制站配置了5個浙江中控的端子板和機(jī)籠混裝機(jī)柜，并編號為1#，2#，3#，4#，5#。每個混合機(jī)柜配置了4只機(jī)籠：1個電源箱機(jī)籠、3個I/O機(jī)籠。在電源機(jī)籠里配置了一對冗余的24 V直流電源和一對冗余的FW247主控卡。在I/O機(jī)籠的最左端配置兩塊冗余的電源指示卡，然后配置兩塊冗余的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，剩下的16個I/O卡件位根據(jù)不同類型的信號選擇相應(yīng)的I/O卡件。在機(jī)籠下面配置端子板，根據(jù)不同的I/O卡件選擇相應(yīng)的端子板，端子板上有各種起保護(hù)作用的功能電路（如濾波電路、抗浪涌沖擊電路、過流保護(hù)電路等），它們可以對信號進(jìn)行前期處理及保護(hù)[5]。

2.2 軟件設(shè)計

ECS?100控制系統(tǒng)采用的應(yīng)用軟件是AdvanTrol?Pro軟件包，它是基于Windows 2000操作系統(tǒng)的自動控制應(yīng)用軟件平臺。所選用的研華IPC?610L工控機(jī)的硬件環(huán)境完全滿足。

控制室操作員站定義為OPS53，現(xiàn)場值班室的操作員站定義為OPS54，在安裝AdvanTrol?Prol軟件包時，選擇“操作員站安裝”，軟件安裝完成以后，操作員站系統(tǒng)里僅包含系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控軟件，這樣它就可以完成用戶對人機(jī)交互界面的監(jiān)控（如系統(tǒng)流程圖、調(diào)整畫面、趨勢畫面、報警畫面等操作功能）。

控制室2臺工程師站定義為OPS50和OPS51，專用服務(wù)器定義為OPS52。其中工程師站OPS50還兼做廠級的管理用戶，工程師站OPS51兼做單項服務(wù)器。在安裝AdvanTrol?Pro軟件包時，2臺工程師站應(yīng)選擇“工程師站安裝”，專用服務(wù)器選擇“服務(wù)器安裝”。安裝后的工程師站包含系統(tǒng)組態(tài)軟件和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控軟件兩部分內(nèi)容。因此工程師站一方面可以實現(xiàn)操作員站的全部功能，另一方面可以實現(xiàn)用戶對測點、人機(jī)界面的組態(tài)、控制方案、相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整和現(xiàn)場控制站調(diào)試與下裝，以及可以實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)實時和歷史數(shù)據(jù)集中管理和監(jiān)視[6]。將專用服務(wù)器OPS52設(shè)為主服務(wù)器，工程師站OPS51單項服務(wù)器設(shè)置為從服務(wù)器，從而兩服務(wù)器就是冗余設(shè)置。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時，客戶端將首先自動從主服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時，從服務(wù)器將在5 s內(nèi)迅速升級為主服務(wù)器。

主控制卡（FW247）是現(xiàn)場控制站軟硬件的核心，主控制卡通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和輸出，并且主控制卡還可以進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)算，它可以通過控制網(wǎng)與工程師站和操作員站實現(xiàn)通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在控制站5個機(jī)柜中，主控制卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡都是冗余配置的，一旦工作中任一個卡件發(fā)生故障時，另外一個卡件將會自動進(jìn)入工作狀態(tài)，可實現(xiàn)不間斷切換，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，將通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為四層，從上到下依次為管理信息網(wǎng)、操作網(wǎng)、過程控制網(wǎng)以及I/O總線。其中管理信息網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)并實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余配置，它可以實現(xiàn)工廠級的信息傳送與管理，同時也是實現(xiàn)全廠信息綜合管理的重要通道[7]，管理信息網(wǎng)通過服務(wù)器站與過程控制網(wǎng)（SCnetⅡ）聯(lián)接。AdvanTrol?Pro軟件包在網(wǎng)絡(luò)策略與數(shù)據(jù)分組的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)具有對等C/S特征的操作網(wǎng)，它可以實現(xiàn)操作站之間多種實時數(shù)據(jù)通信和歷史查詢功能[8]，過程控制網(wǎng)采用高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)SCnetⅡ，它可以直接連接系統(tǒng)的操作站和控制站，過程控制網(wǎng)各個節(jié)點的通信接口處都采用了專業(yè)的以太網(wǎng)控制器，數(shù)據(jù)傳輸均遵循UDP/IP與TCP/IP協(xié)議。I/O總線是控制站內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，總共分為兩層，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡與I/O卡件之間連接的是SBUS?S1，主控制卡與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡之間連接的是SBUS?S2，其中SBUS?S2總線是由10M/100M的冗余工業(yè)以太網(wǎng)組建的，是控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線。另外在ECS?100系統(tǒng)中，每個控制站內(nèi)都配置兩對集線器（HUB）：一對用于構(gòu)成冗余的SCnetⅡ網(wǎng)；另一對構(gòu)成冗余的SBUS?S2網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置如圖2所示。

2.4 配電柜配置

該控制系統(tǒng)一共配置了2套配電柜：分別是罐區(qū)1套和儀器儀表電源柜1套。配電柜的進(jìn)線為兩路：其中一路進(jìn)線來自不間斷電源UPS；另一路進(jìn)線來自廠用電源。儀器儀表電源柜內(nèi)配置了兩路電源自動切換裝置，在其他控制站機(jī)柜內(nèi)也配置冗余的電源切換裝置與回路保護(hù)裝置，并用這兩路電源給各個控制站機(jī)柜進(jìn)行供電。

2.5 主要復(fù)雜工藝的控制方案

2.5.1 罐區(qū)上料控制

聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)所需原料都存放在儲料罐中。在向空瓶罐注入聚氨酯預(yù)聚體工藝環(huán)節(jié)中，聚醚多元醇存放在1號罐，二異氰酸酯存放在2號罐。每個儲料罐下面都有4個稱重模塊，模塊內(nèi)有傳感器，實時傳遞儲料罐的質(zhì)量數(shù)據(jù)。另外，罐區(qū)還配有相應(yīng)的液位變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、高精度流量計[9]。現(xiàn)場的PLC通過相應(yīng)的模塊主要對質(zhì)量、液位、溫度、壓力、流量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集，傳輸?shù)娇刂剖遥贒CS控制系統(tǒng)中按照需要進(jìn)行畫面顯示，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。然后系統(tǒng)對采集的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并作出控制命令，控制命令通過PLC作用到現(xiàn)場控制器，從而控制1、2號罐的物料經(jīng)高精度流量計按比例定量注入到空瓶罐中。

2.5.2 瓶罐上噴嘴控制

在瓶罐上噴嘴工位中，采用振動給料機(jī)構(gòu)，用PLC對其進(jìn)行控制，而DCS對其進(jìn)行監(jiān)控。工作時，PLC向調(diào)頻控制器發(fā)出信號，調(diào)頻控制器對料斗下面的脈沖電磁鐵施加周期性控制信號，這樣就可以使料斗沿垂直方向振動，由于傾斜的彈簧片使料斗繞其垂直軸做扭擺振動[10]，而料斗內(nèi)的噴嘴，由于受到這種振動的作用，則沿螺旋軌道上升。當(dāng)噴嘴到達(dá)出料口，被光電傳感器1檢測到時，水平橫向氣缸A伸出，水平橫向氣缸A的前端有可以固定噴嘴的帶彈簧片的環(huán)形裝置[11]。當(dāng)光電傳感器2檢測噴嘴已經(jīng)到位時，水平氣缸A復(fù)位。當(dāng)光電傳感器3檢測空瓶罐到位時，豎直氣缸B伸出并保持0.5 s，將噴嘴壓緊在瓶罐口，其控制流程如圖3所示。

3 結(jié) 語

通過運(yùn)用集散式控制系統(tǒng)（DCS）使罐裝聚氨酯發(fā)泡膠生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)了集中管理、分散控制的要求。到目前已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了半年多，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)充分運(yùn)用了DCS軟硬件資源，發(fā)揮了DCS控制系統(tǒng)實時、準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的特點。不僅大幅度地提高了罐裝聚氨酯發(fā)泡膠的生產(chǎn)效率，而且改善了廠區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境，降低了工人的勞動強(qiáng)度。另外，系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面采用層次化結(jié)構(gòu)，具有良好的可擴(kuò)展性。

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