液氯鋼瓶智能充裝控制系統設計及應用

師帥

(常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164)

氯氣在化工、石油、造紙、印染、制革、橡膠等行業用途廣泛，可以在一定壓力下進行液化，液氯為儲存和運輸的主要形式。液氯包裝多以鋼瓶充裝為主，生產中操作人員較多、工作效率低，且操作人員生產勞動強度大，因此，提高液氯包裝的自動化、信息化水平非常重要。

1 液氯鋼瓶充裝控制系統簡介

1.1 硬件組成及布置

硬件主要包括1臺琴式控制柜、20個現場操作箱和1臺上位機等。中央控制室布置有琴式控制柜和上位機，現場鋼瓶秤旁邊都布置現場操作箱?？刂乒駜炔康闹饕姎庠?個西門子S7-300(CPU315-2DP)CPU模塊、2個PS307電源模塊、1個IM360接口模塊、2個IM361接口模塊、10個SM321信號輸入模塊、10個SM322信號輸出模塊及隔離變壓器等；現場操作箱包括的主要電氣元件：稱重儀表、文本顯示器、開關按鈕及報警指示燈等。每個現場操作箱的硬件配置是一樣的，每臺液氯鋼瓶秤分別由各自的現場操作箱來操作控制。控制系統硬件布置如圖1所示。S7-300PLC通過PROFIBUS-DP總線與20臺稱重儀表進行通信，中控室上位機通過Modbus總線與20個現場文本顯示器進行通信，S7-300PLC與上位機通過MPI進行通信，每個現場操作箱的電源及I/O信號都來自于控制柜。

1.2 智能充裝工作原理

S7-300作為DP主站，通過PROFIBUS-DP總線與20臺稱重儀表進行通信，20臺稱重儀表為DP從站；鋼瓶秤的稱重數據實時傳送至稱重儀表，稱重儀表再傳送至PLC控制器，PLC根據充裝流程的需要，對稱重儀表進行去皮或清皮等操作；上位機即為鋼瓶信息管理計算機，作為Modbus主站，通過Modbus總線與20臺文本顯示器進行通信，鋼瓶號或皮重值可以通過文本顯示器進行人工輸入，再傳送至上位機。PLC在進行充裝時先向上位機發出充裝請求信號，上位機根據當前已獲數據判斷后，把允許充裝、目標值及允差值等通過MPI傳送給PLC，PLC獲得充裝允許及相關數據后，按流程控制充裝球閥及狀態指示輸出等，充裝完成后，PLC將充裝過程數據再通過MPI通信傳送至上位機，上位機記錄、顯示、存儲及分析相關數據。另外，上位機還與LED大屏幕進行通信，LED大屏幕可以實時顯示20臺鋼瓶秤的充裝數據。智能充裝示意如圖2所示。

圖1 控制系統硬件布置圖

圖2 智能充裝示意圖

2 液氯鋼瓶充裝控制方式

智能充裝控制系統具有本地和遠程兩種控制方式。本地控制為稱重儀表單獨控制充裝流程，此方式為PLC系統故障時臨時使用。遠程控制為正常操作時使用，主要由PLC控制充裝流程，稱重儀表在此方式下主要用于采集稱重數據。

2.1 本地控制

本地控制充裝流程為：方式選擇開關選為本地，儀表中完成預置點方式、預置點值及允許自動清皮等參數設置；人工吊裝鋼瓶于秤上，并連接鋼瓶快速接頭，按一下本地啟動按鈕，儀表首先完成去皮，然后充裝電磁閥得電，充裝球閥打開，液氯充裝開始；充裝過程中按充裝停止按鈕可以暫停充裝，按啟動按鈕可以繼續充裝；充裝電磁閥在質量達到預置點設置的目標值時失電，同時球閥關閉，充裝完成；人工打開回收物料球閥，而后再拆除鋼瓶銅管接頭，儀表在鋼瓶被吊離秤臺后執行清皮操作。這樣就完成了一次本地控制充裝流程。

2.2 遠程控制

遠程控制充裝流程為：方式選擇開關選為遠程，人工吊裝鋼瓶于秤上，并連接鋼瓶快速接頭，按一下啟動按鈕，PLC根據稱重數據等向上位機發出充裝請求信號，上位機根據文本顯示器已輸入的鋼瓶信息及數據庫中的數據作出判斷，而后向PLC發出允許充裝信號、目標充裝值、允差值及提前報警值等，PLC接收到允許充裝等數據后，先完成去皮操作，充裝電磁閥在去皮成功后得電，充裝球閥打開，充裝指示燈常亮。充裝質量顯示為提前報警值時，蜂鳴器斷續鳴叫提醒，即充裝流程快要結束，充裝電磁閥在充裝質量顯示為目標值時失電，蜂鳴器連續鳴叫，充裝指示燈閃爍，同時報警燈閃爍提醒(此時也可以通過按報警解除按鈕解除當前報警)，指示充裝停止并完成，PLC記錄稱重充裝數據，包括當前質量、累計質量及累計瓶數等數據，并通過MPI通信把充裝數據傳送給上位機。人工打開回收物料球閥，而后拆除鋼瓶銅管接頭，儀表在鋼瓶被吊離秤臺后執行清皮操作，這樣就完成了一次遠程控制充裝流程。

3 液氯充裝控制系統軟件設計

充裝系統軟件設計主要包括PLC程序設計和上位機程序設計，以下從PLC程序結構、硬件配置與地址分配、充裝主控制流程、上位機監控等幾個方面進行說明。

3.1 S7-300PLC程序結構

充裝系統S7-300PLC程序在結構上為OB1程序循環組織塊調用FC101～FC120共20個FC塊，程序調用結構如圖3所示。FC101～FC120分別為1～20號秤的控制功能，每臺秤的FC功能都調用了公共功能FC300和FC301，FC300為PLC讀取稱重儀表數據的共用功能，FC301為充裝主控制流程共用功能，而且每臺秤的FC301功能及其他控制程序都會調用數據塊DB，1～20號秤分別對應DB101～DB120共20個數據塊，這20個DB調用了相同的數據類型UDT1。這樣的程序結構盡可能簡化了每臺秤相同部分功能的編程工作量，提高了PLC程序設計的效率，同時提高了程序的正確性、可靠性及后期程序維護的效率。

圖3 S7-300程序調用結構圖

3.2 硬件配置與地址分配

S7-300PLC系統硬件配置圖如圖4所示，硬件配置主要包括對電源PS模塊、CPU模塊、接口IM模塊、信號SM輸入與輸出模塊及20臺稱重儀表的配置。配置中要注意，稱重儀表首先要安裝相應儀表的GSD文件，然后才能在硬件配置界面的模塊目錄樹中找到相應的儀表模塊，本系統儀表的配置使用了2AO加2AI的模式，即每塊儀表的讀與寫各使用2個字。配置中還要注意稱重儀表DP地址的設置修改，以及所有I/O地址的統籌規劃與設置修改。

液氯鋼瓶充裝PLC系統地址分配表如表1所示。S7-300CPU的PROFIBUS-DP總線地址為2，其他20臺稱重儀表的DP地址分別為11至30。稱重儀表的I/O地址從IB30、QB30開始至IB127、QB127結束，為了記憶地址的方便性，儀表地址一般都是從0或5開始，每臺儀表的AI/AO總共占用8個字節。每臺秤的充裝控制各占用8個點輸入和8個點輸出，地址從I0.0、Q0.0開始至I19.7、Q19.7結束。

圖4 S7-300PLC系統硬件配置圖

表1 液氯鋼瓶充裝PLC系統地址分配表

3.3 充裝主控制流程

遠程控制方式時，20臺鋼瓶秤的充裝主控制流程基本相同，主要包括充裝流程與復檢流程，FC301為液氯充裝主控制流程共用功能，所以每臺秤的FC都調用了FC301，FC301的充裝流程如圖5所示，FC301的復檢流程如圖6所示。

按下現場操作箱上的充裝啟動按鈕即為啟動充裝。PLC可以通過獲取稱重儀表的毛質量值，并與正常鋼瓶的皮質量進行比較來判斷鋼瓶上秤與否。PLC同樣可以通過獲取稱重儀表的凈質量狀態及當前質量來判斷去皮是否成功。鋼瓶的允差值來自于上位機，通過PLC判斷后進行允差報警輸出。通過稱重儀表凈質量數值可以判斷鋼瓶是否下秤。若鋼瓶已下秤，則凈質量為負值。通過對稱重儀表皮質量狀態的獲取可以判斷清皮是否成功。若儀表顯示皮質量為零，則清皮完成，而后充裝流程跳轉至初始狀態。

按下現場操作箱上的復檢按鈕即為啟動復檢。PLC先把當前秤的復檢請求發送給上位機，上位機收到請求后應答PLC，并就當前秤的稱重數據與復檢秤的稱重數據進行比較，然后把復檢合格或不合格的信號發送給PLC，再通過現場操作箱上的指示燈輸出復檢結果。

3.4 上位機監控

本系統上位機作為液氯鋼瓶信息管理計算機，通過MPI通信與PLC之間實時交換數據。每臺液氯鋼瓶秤的上位機與PLC之間數據交換表如表2所示，20臺鋼瓶秤的數據交換表基本相同，在PLC程序中有20個DB塊分別用來作為20臺秤與上位機的數據交換區域，DB塊的數據格式與表2中描述的數據格式相同。表2中主要包括兩類數據，一類是PLC傳送至上位機的數據，一類是上位機傳送至PLC的數據，數據包括位、字節和實數類型。

上位機不僅參與充裝及復檢控制，同時對鋼瓶數據進行存儲、分析、顯示、打印等操作，并且液氯充裝實時數據及歷史數據也可以通過上位機進行查看。上位機與中控室LED大屏幕連接，鋼瓶的實時充裝數據及狀態都可以在大屏幕上顯示。操作人員一般不需要經常在現場觀察充裝情況，只要在中控室通過看大屏幕就能了解現場20臺秤的充裝情況；需要人工操作的時候再去現場操作，這樣極大地減少了現場遺漏氯氣等情況對人員身體造成的傷害。另外，上位機還可以通過企業網(Intranet)與MIS(企業管理系統)或ERP進行數據對接，有效提升企業信息化管理水平。

圖5 充裝流程圖

4 控制系統優化

在實際應用過程中，控制系統主要出現了稱重儀表DP通信偶爾故障的情況，表現為正常充裝過程中在稱重數據未達到目標值時會提前完成充裝，并超差報警，這樣給生產帶來了很大不便。經現場不斷觀察和分析，認真聽取操作人員描述，結合現場出現的故障現象，詳細分析故障原因，對偶爾出現通信故障的情況采取了3項措施：①重新對系統所有電氣設備進行更可靠地接地處理；②優化PLC程序，對PLC讀取稱重儀表的稱重數據進行了比較、算術運算等處理，對明顯太大或太小的數據限定了最大值和最小值，并采用多次讀取數據再求平均值的方法；③在9號秤與10號秤的DP通信總線上添加了西門子RS485中繼器，用于增強通信傳送信號。上述3項措施實施后，經過一段時間觀察，系統基本沒有再出現充裝未到目標值而提前完成充裝的情況，系統整體運行情況良好。

圖6 復檢流程圖

表2 液氯鋼瓶秤上位機與PLC數據交換表

5 結語

上述液氯鋼瓶智能充裝控制系統在某電化企業已成功應用，系統使用過程中，經過幾次對控制系統升級優化及方案改進措施，目前運行穩定，故障率較低，生產效率大幅提高，操作人員勞動強度及生產過程安全隱患明顯降低，鋼瓶充裝智能化水平和鋼瓶管理信息化水平顯著提升。