多站點的MB+網絡集控裝置在染料化工控制系統中的應用

蔣志平 盧林德 方標

摘 要：染料由能使被染物獲得鮮明牢固顏色的有機化合物組成，文章就多站點的MB+網絡集控裝置在染料化工控制系統中的應用展開研究，介紹染料產品的分類和億得化工的染料生產工藝全自動化系統，闡述了億得化工集控智能化系統優化與改造，下位機采用施耐德高端M580系列PLC產品，上位機更改為以太網通訊，實現與下位機PLC的無縫連接，上位機選擇Cimplicity進行控制，使全廠儲罐、染料配方控制計量站等設備的控制更加安全、穩定、高效。

關鍵詞：MB+網絡;集控裝置;染料;控制系統

一、 引言

浙江億得化工有限公司廠內有幾十個分散的操作站點，生產染料過程由采購過來的化工原料罐區控制站、染料配方控制計量站、反應釜控制站、連接各反應釜的控制站、報警匯總站構成。化工原料罐區控制站主要監測和控制儲罐的溫度、壓力、原料的入料量和出料量以及儲罐的閥門和泵體;染料配方控制計量站根據實際設定配方的不同，將不同的化學原材料，按照一定的重量按照不同的給料速度輸送到同一個反應釜中進行攪拌混合，染料配方控制計量站的配方自動控制系統由主工作平臺、下料平臺、罐裝工作臺、底部出料平臺等構成;反應釜控制站主要控制反應釜內有物料的溫度、混合溶液的pH值以及反應釜內壓力和反應釜的攪拌轉速，報警匯總站主要是用于監測儲罐和反應釜閥門的工作狀態，并匯總整個系統的報警信息，并對各反應釜、儲罐進行連鎖控制。整個電氣集控系龐大而復雜，浙江億得化工有限公司生產直接染料、活性染料、硫化染料、分散染料、酸性染料的工藝過程都需要基于MB+集控系統進行數據通信和數據交換。

二、 染料分類及介紹

染料按照應用性能分為直接染料、活性染料、硫化染料、分散染料、酸性染料。直接染料不需要助劑就可以直接使棉、麻等物染色，但是固牢度比較差，容易掉色。

活性染料是染料的分子結構中有一個或若干個活性基團與染物以共價鍵的結合的形式發生化學反應，從而使紡織品顏色，如浙江億得化工有限公司生產的YD型深色活性染料具有優異的勻染性和配伍性，ED-P軋染染料系列適宜染中深色或特深色，中溫型活性染料色譜齊全、性能優異，特別適宜染艷亮的淺粉色。

硫化染料能溶解在硫化堿溶液中，不溶于水和有機溶劑，當硫化染料放于硫化堿溶液中，就可以直接使纖維染色，硫化染料生產成本低、價格低廉、色勞度高，但不適合含蛋白質的纖維染色。

分散染料是一種結構簡單，在染色過程中需要分散劑將分散染料以微小的顆粒狀態存在的是疏水性染料，分散染料幾乎不溶于水，他們懸浮于水溶液中染色，分散染料的品種眾多，按照應用性能進行分類，分散染料可分為低溫型分散染料、中溫型分散染料、高溫型分散染料。低溫型分散染料固色溫度在180～190°，在低溫的時候固色率高，隨著染色溫度的升高及固色率降低，具有較好的勻染性、移染性;中溫型分散染料分子量大，固色溫度在190～205°，固色率較高，受溫度影響較小，低溫的時候有較高的固色率，隨著溫度的升高固色率也跟著升高，勻染性、移染性中等;高溫型分散燃料分子量較大，固色溫度在200～220°，低溫的時候固色率差，隨著溫度的身高固色率升高，勻染性、移染性較差。按照分散燃料分子的化學結構可以將分散原料分為蒽醌型分散染料、偶氮型分散染料、非偶氮芳香雜環分散染料。

酸性染料含磺酸基、羧基等水溶性基因，結構多為蒽醌型酸性染料、偶氮型酸性染料在酸性和弱酸性的介質中，可以用于蛋白質纖維染色，不能用于纖維素纖維的染色，染色牢度隨著酸性染料品種的不同差別很大。浙江億得化工有限公司生產的YIDEACID中深色系、YIDEACID深色系、YIDELAN1：含金染料系列、YIDEACID YD（艷麗色）系列均屬于酸性染料，具有優異的配伍性，良好的上染性，良好的相容性，常用于適用于錦綸、錦綸、超細纖維、混紡織物的染色。

三、 億得化工的染料生產工藝全自動化系統介紹

染料生產工藝流程復雜、操作煩瑣、工人強度大，而且生產的原料具有毒性，間歇生產工藝處于非穩態生產反應，釜內的物料狀態、反應溫度和壓力都隨著時間改變，大部分反應的終點判斷需要依靠化學分析或者有下一道工序的完成來判斷，而不能在反應結束后立即得到結果，無法在自控中實現。間歇生產工藝依靠人工操作控制設備反應釜，操作人員的生產經驗和熟練程度，決定著產品的質量穩定性。全自動化連續生產工藝自動入料系統是固體物料使用機械設備或者是氣體管道自動給料，氣體管道自動給料模塊由流量計、自動稱重模塊、泵體、PLC控制系統進行定量計量，通過閥門對給料速度進行自動調節，自動給料系統運行精度高、重復性好、操作方便、運行可靠可降低工人勞動強度。反應釜中的偶合反應、氮化反應、羧酸化反應對pH值有嚴格的要求，pH值自動控制系統通過酸堿用量將pH值控制在允許波動的范圍以內。壓力控制系統主要是為硝化反應、氯化反應、磺化反應中，氮化反應、還原反應的反應釜內設置壓力安全監控系統，實現壓力的自動監測、超限報警、應急控制。

浙江億得化工有限公司采用全自動化連續生產工藝取代傳統間歇式生產工藝，通過應用先進設備，實現染料生產過程的全自動控制，避免人為因素干擾分散染料的生產過程導致的產品質量問題，從生產源頭上對染料廢水進行適當控制，降低染料供給工廠對周圍環境的污染，實現清潔綠色生產。實現染料生產過程中重氮化反應和偶合反應的自動連續進行，精準控制分散染料進料速度、反應釜的生產溫度，提高染料產品的品質和生產效率，促進企業的安全高效連續生產，浙江億得化工有限公司的復配增效技術、活性染料增溶加工技術、綠色染料加工工藝—膜分離技術、液體活性染料的分子結構設計技術在行業處于領頭羊位置。

四、 億得化工集控智能化系統優化與改造

目前浙江億得化工有限公司廠內使用的控制系統MB+網雙絞線電纜通訊主要構成部件為下位機為Schneider Modicon Quantum 140系列PLC產品、上位機為GE公司的Cimplicity5.5（現在主流版本為9.5）、工控機為Pentium Ⅲ時代產品，通信速率慢而影響控制信號，同時由于廠里機電設備較多，通訊控制信號會產生較大的延時，給安全生產帶來較大的安全隱患。

為了解決這些問題，對浙江億得化工有限公司全廠生產控制系統進行一次全面的技術升級改造。浙江億得化工有限公司內部的工程師對自動控制已經有了一定的探索經驗，對該項目所述內容較為熟悉，對行業領域達到了較高專業技術水平，在管理上靈活，可調節性好，能耗降低，能降低職工勞動強度，實現效益最大化，升級新系統要提前制訂好方案，提前采購相關硬件設施，特別是對主要升級硬件要詳細研究其參數指標以及工作方式，確保能與原Quantum 140系統PLC IO模塊兼容，并安排好專人對設備的控制做好配套設備的配置和前期工作的規劃與布置，經過精心準備和實地勘察，現場各方面具備系統升級改造的條件，在人力、物力、時間、環境等方面均已經準備就緒，可以對改造方案實施和應用。

項目實施由浙江億得化工有限公司機電科對設備提出相關技術要求，并進行有關方面的協調和溝通，專業技術人員完成技術協議的擬定，并由項目參與人員及廠領導和采購部門對項目協議進行技術確認，形成統一共識，最終待設備到貨后進行設備的后期安裝與調試，并形成調試報告，完成項目。

隨著全球科技的快速發展，工業控制產品更新換代也更加迅速，產品也更加快速、精準、高效。在過去的20年里施耐德產品已由原來的Quantum、Premium等PLC產品升級更新為新一代的Modicon這種深度集成以太網的控制器，使控制更加安全、穩定、快速、高效。上位機軟件已由原本的Cimplicity5.5更新至Cimplicity9.5，經過多次技術優化升級，實現了多重任務處理、協同作業、分布式體系結構的重大技術升級，使與下位機通訊控制更加穩定、快捷，人機界面更加簡潔、友好，同時可實時采集現場設備運行信號和存儲各崗位的控制命令，使出現的問題可查可究和進行快速處理。

根據集控系統智能化改造計劃，新的PLC支持分布式IO控制方式，只需更換原PLC的CPU，其他IO采集模塊以站點形式存在，因此不要更改整體的電氣連接，只需更改局部電氣接入方式，達到目的同時，最大限度地減少了人力和物力的使用。同時采用分步進行的方案，穩中求進，進中有序，既不影響生產任務，同時能高效完成集控系統智能化改造任務，可編程控制器（PLC）是計算機家族中的一員，它主要用來代替繼電器來實現邏輯控制，現在PLC的功能強大，質量優良，品牌很多，特點各異。其中有西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器由CPU、指令及數據內存、輸入/輸出接口、電源、數字模擬轉換等功能單元組成。早期的可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來隨著不斷地發展，這些當初功能簡單的計算機模塊已經有了包括邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能，名稱也改為可編程控制器（Programmable Controller），但是由于它的簡寫PC與個人電腦（Personal Computer）的簡寫相沖突，加上習慣的原因，人們還是經常使用可編程邏輯控制器這一稱呼，并仍使用PLC這一縮寫。現在工業上使用的可編程邏輯控制器已經相當或接近于一臺緊湊型電腦的主機，其在擴展性和可靠性方面的優勢使其被廣泛應用于目前的各類工業控制領域。不管是在計算機直接控制系統還是集中分散式控制系統DCS，或者現場總線控制系統FCS中，總是有各類PLC控制器的大量使用。

PLC的生產廠商很多，如西門子、施耐德、三菱、臺達等，幾乎涉及工業自動化領域的廠商都會有其PLC產品提供。施耐德PLC主要有Modicon旗下的Quantum、Compact（已停產）、Momentum等系列，編程軟件是Concept;而TE旗下的Premium、Micro系列則使用PL7 Pro。施耐德在整合Modicon和TE品牌的自動化產品后，將Unity Pro軟件作為未來中高端PLC的統一平臺。支持Quantum、Premium和M340三個系列。Momentum和Micro作為成熟產品未來不會再有多大的改進，所以會繼續沿用原來的軟件平臺。旗下最新生產全新的Modicon M580是業界第一款真正做到“E網到底”的PAC，被命名為ePAC。Modicon M580是施耐德電氣協同自動化系統——PlantStruxure的核心組成部分。Modicon M580完全基于工業以太網實現連接和通訊，能夠使工廠的設計、實施以及運行達到前所未有的靈活性、透明化和安全性。Modicon M580的發布引領了下一代PAC技術的發展方向，開創了自動化控制的全新時代，實現真正意義的開放網絡。

GE數字化集團的CIMPLICITY可對客戶端服務器進行真實可視化并進行控制。CIMPLICITY在GE數字化集團數十年的研究和開發的基礎上創建，是可供全球大型制造商選擇的HMI和SCADA。對于所有規模的應用，CIMPLICITY都有助于加快響應速度、降低成本并提高盈利能力。

億得化工將最近國內外下位機PLC、上位機Cimplicity與工控電腦的技術進行各項指標對比，先確定技術要求，以支持以太網通訊、支持IO分布式控制、多站點、環形網絡連接為技術要求目標，再對設備進行選型和確定控制系統，結合現有的電氣化、構筑物、空間、檢修條件等客觀因素進行合理配置、補充和改造。下位機采用施耐德高端M580系列PLC產品，M580 ePAC它是全球首款真正將以工業太網嵌入其核心的ePAC，采用連接分布式I/O設備結構，網絡環網架構，一段通信故障，可反向通訊，使各站保持實時在線，保證設備正常運轉。上位機更改為以太網通訊，上位機選擇Cimplicity進行控制，實現與下位機PLC的無縫連接，同時可實時采集現場設備運行信息與存儲各崗位的控制命令，使出現的問題可查可究，同時生產數據也可更好的輔助指導生產，使其更加高效、穩定、快捷。

通過以上內容改進，經過現場實際運行測試，實現采用當前最新的控制技術保證設備的控制更加安全、穩定、高效。采用環形工業以太網網絡結構保證設備永不掉線、永不脫離監控，中控室操作界面更加穩定、簡單、高效、界面更加豐富友好。實現“設備可控、現象可查、原因可究”的目標。

五、 結語

億得化工致力于開發高品質環保節能型活性染料新品種和染色新工藝來滿足客戶需求，億得化工MB+網絡集控裝置使全廠大部分設備通過工業自動化PLC系統遠程遙控管理，并將所有這些設備按照區域進行分模塊集中控制，形成現場輪流循環巡視，多個集中控制基點，一個總指揮中心聯合運行的區域自動化管理模式，億得化工染料控制系統在實際生產中更加運行可靠、穩定。

參考文獻：

[1]劉自華，車向北，劉衛波，等.基于MMS/SNMP協議的智能變電站遠程運維系統設計[J].自動化與儀器儀表，2019（5）：48-51.

作者簡介：

蔣志平，盧林德，方標，浙江億得化工有限公司。