自主改造實現(xiàn)乳劑生產(chǎn)控溫系統(tǒng)國產(chǎn)替代

湛 釗，張建榮，朱記紅

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

彩紙乳劑是鹵化銀的微晶在明膠中分布的懸浮體。主要原材料是硝酸銀、鹵化物、明膠和多種補加劑[1]。在彩紙乳劑的生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)反應(yīng)溫度的要求十分嚴格，過高或過低或不穩(wěn)定的溫度將嚴重影響生產(chǎn)出乳劑的感光性能，特別是乳劑生產(chǎn)中的物理成熟和化學(xué)成熟兩個工序?qū)囟鹊囊蟾訃栏瘛?/p>

2 現(xiàn)狀分析

2.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，乳劑車間生產(chǎn)使用的鍋內(nèi)控溫系統(tǒng)為柯達定制開發(fā)的控溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)中關(guān)鍵的溫度檢測端應(yīng)用的是PT200輸入，RS232接口方式輸出的溫度變送模塊，該模塊年代久遠且為柯達定制模塊，無法從市場上買到替換或升級產(chǎn)品，而且此控溫系統(tǒng)完全融合在整體生產(chǎn)控制系統(tǒng)中無法分割。經(jīng)過20多年的使用，控溫系統(tǒng)出現(xiàn)了穩(wěn)定性欠佳、數(shù)據(jù)丟失等問題，近期還出現(xiàn)了關(guān)鍵變送模塊損壞問題，已不能滿足車間穩(wěn)定生產(chǎn)需求。因此，設(shè)備改造勢在必行。

2.2 改造目標(biāo)

通過對原系統(tǒng)問題的深入探討，發(fā)現(xiàn)在維持大的生產(chǎn)控制系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上著重解決溫度檢測輸入端穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性問題為最佳方案，其中的關(guān)鍵就在于重新設(shè)計溫度數(shù)據(jù)檢測變送邏輯方式，從而從根本上棄用無法獲取的進口變送模塊，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化替代。

因市場上無合適產(chǎn)品，故自主研發(fā)數(shù)據(jù)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡，重新搭建溫度檢測輸入端，在滿足生產(chǎn)溫度控制精度的前提下，消除原控溫系統(tǒng)面臨崩潰的隱患，降低備件和系統(tǒng)更換的成本，提升生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

3 方案設(shè)計與實施

3.1 系統(tǒng)總體概述

改造后的溫度控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場可用部件以及原有設(shè)備性能綜合考慮設(shè)計開發(fā)，能以最快速度投入生產(chǎn)使用。系統(tǒng)在盡量保留原有控制邏輯的前提下，對測量通信結(jié)構(gòu)和通信方式作出調(diào)整，控制系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示，系統(tǒng)通過PT200傳感器獲取鍋內(nèi)實時溫度，采用雙傳感器并聯(lián)得到近似PT100采樣效果；應(yīng)用PT100轉(zhuǎn)RS485溫度變送器變送溫度數(shù)據(jù)，傳輸給自做協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡；通過協(xié)議雙向轉(zhuǎn)換完成PLC的指令下達和數(shù)據(jù)接收；PLC完成數(shù)據(jù)處理，并通過溫度控制邏輯控制溫度升降執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)鍋內(nèi)溫度；各崗位的控制電腦可通過界面可視化操控鍋內(nèi)溫度。

圖1 控溫系統(tǒng)整體示意圖Fig1. Overall schematic diagram of temperature control system

系統(tǒng)設(shè)計的重點在于溫度采集環(huán)節(jié)和協(xié)議轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

3.2 溫度采集環(huán)節(jié)硬件設(shè)計

為提高乳劑生產(chǎn)鍋內(nèi)控溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，切實保證物料的正常生產(chǎn)性能，設(shè)計了冗余的溫度監(jiān)測方案。該方案分別應(yīng)用現(xiàn)有兩個PT200溫度傳感器，搭建一主一輔兩條溫度監(jiān)測線路，最終輸入PLC中，可實現(xiàn)主線路和輔線路的自主切換，當(dāng)主線路故障時，自動切換至輔線路，從而保證生產(chǎn)穩(wěn)定。

兩條線路的搭建邏輯一樣，即將PT200溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過國內(nèi)定做的PT200溫度變送器（精度為0.1℃）轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號，之后再通過18位的4～20 mA到RS485轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉螹ODBUS協(xié)議的通用字符串?dāng)?shù)據(jù)，通過RS485總線傳回控制室。

3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡設(shè)計

3.3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡硬件設(shè)計

如圖2所示，協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡由MCU、通信模塊和供電模塊三部分組成。通信時，分為指令下達和采集數(shù)據(jù)上傳兩部分。PLC下發(fā)的指令以特定的字符串格式通過RS232總線進入串口模塊1，再轉(zhuǎn)換為TTL電平信號輸入MCU的UART1串口；在MCU中指令數(shù)據(jù)經(jīng)過解算之后重新編碼，形成符合MODBUS協(xié)議的特定十六進制指令字符串；指令字符串通過UART2串口以TTL形式傳遞給RS232串口模塊2；轉(zhuǎn)換編碼后通過RS232總線進入RS232轉(zhuǎn)RS485模塊，進而轉(zhuǎn)換為可通過RS485總線傳遞的指令數(shù)據(jù)；最后該指令數(shù)據(jù)傳遞給現(xiàn)場的溫度采集硬件[2]。采集數(shù)據(jù)上傳的流程基本為沿指令下達路線逆向上傳，但在MCU中會將符合MODBUS協(xié)議的溫度采集數(shù)據(jù)解算并重新編碼為PLC可讀取的符合自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)字符串上傳。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡結(jié)構(gòu)圖Fig2. Structure diagram of protocol conversion board

3.3.1.1 板卡MCU選型

MCU與各個組塊之間進行數(shù)據(jù)通信，并對接收數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)發(fā)，是整個終端的核心部分。設(shè)計中采用STM32F103ZET6處理器，該款處理器是意法半導(dǎo)體推出的一款性能較強的微控制器。該控制器具有STANDBY和STOP兩種低功耗模式，可適應(yīng)不同情況需求；此外，它集成有多種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并應(yīng)用32位的Cortex-M3內(nèi)核，擁有72 MHz的運行頻率，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域[3-4]。

3.3.1.2 板卡通信模塊設(shè)計

板卡的通信模塊部分分為RS232串口通信模塊和RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換模塊。RS232串口通信模塊可將TTL串口格式數(shù)據(jù)編碼為符合RS232格式的串行數(shù)據(jù)，該模塊應(yīng)用DC3V-5V電源供電；RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換模塊負責(zé)將符合RS232格式的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485總線上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)，該模塊無需單獨供電，可從輸入的RS232信號線上取DC3V-5V電壓進行供電，如圖3所示。

圖3 RS232串口模塊和RS232轉(zhuǎn)RS485模塊Fig3. RS232 serial port module and RS232 to RS485 module

3.3.2 板卡軟件設(shè)計

3.3.2.1 主程序設(shè)計

如圖4所示，板卡主程序中先進行芯片初始化，初始化IO口、串口、標(biāo)志位以及中斷和計時器，之后進入主循環(huán)。

圖4 板卡主程序邏輯圖Fig4. Logic diagram of board main program

主循環(huán)邏輯主要完成四部分功能：

（1）接收指令并發(fā)送采集指令。

（2）接收并緩存溫度數(shù)據(jù)。

（3）解算并格式化溫度數(shù)據(jù)。

（4）發(fā)送溫度數(shù)據(jù)回PLC。

2.3.2.2 中斷程序設(shè)計

（1）UART1中斷

UART1中斷負責(zé)實時等待來自于PLC的通信指令，并確保接收到正確的指令信息存入接收緩存中，程序流程圖如圖5所示。

圖5 UART1中斷程序流程圖Fig5. Flow chart of uart1 interrupt program

中斷被觸發(fā)后，先判別中斷接收狀態(tài)為“準(zhǔn)入”；之后，判別接收緩存標(biāo)志位Buffer_Data_Com1.Flag_R=0，以確保UART1的接收緩存寄存器組已做好接收準(zhǔn)備。之后，將本次中斷接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)放入接收緩存寄存器數(shù)組Buffer_Data_Com1.Buffer_RX的第UART1_Count_R個字節(jié)處（UART1_Count_R為接收字節(jié)指針地址，初始值為0，Buffer_Data_Com1.Buffer_RX[0]即為數(shù)組Buffer_Data_Com1.Buffer_RX中的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)）。

開始指令正確性判別，首先判別UART1串口接收的指令包包頭為0x23即字符“#”，判別正確后將緩存寄存器數(shù)組的指針地址后移一位；之后進行第二條件判別，即數(shù)據(jù)包第6字節(jié)為0x0D且數(shù)據(jù)包正確接收完成后的指針地址為6，判別正確后表示指令數(shù)據(jù)包已正確接收，將Buffer_Data_Com1.Flag_R置1，復(fù)位指針UART1_Count_R的值為0，成功接收到本次數(shù)據(jù)包。

若接收到的指令數(shù)據(jù)包中包含的特征數(shù)據(jù)有錯，則該指令數(shù)據(jù)包被判別為錯誤數(shù)據(jù)包，則應(yīng)用條件UART1_Count_R>6將UART1_Count_R置0，即舍棄數(shù)據(jù)包。

（2）UART2中斷

UART2中斷負責(zé)實時等待來自于溫度采集模塊的溫度數(shù)據(jù)，并確保接收到正確的指令信息存入接收緩存中，程序流程圖如圖6所示。

圖6 UART1中斷程序流程圖Fig6. Flow chart of uart1 interrupt program

中斷被觸發(fā)后，先判別中斷接收狀態(tài)為“準(zhǔn)入”；之后，判別接收緩存標(biāo)志位Buffer_Data_Com2.Flag_R=0，以確保UART2的接收緩存寄存器組已做好接收準(zhǔn)備。之后，將本次中斷接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)放入接收緩存寄存器數(shù)組Buffer_Data_Com2.Buffer_RX的第UART2_Count_R個字節(jié)處（UART2_Count_R為接收字節(jié)指針地址，初始值為0，Buffer_Data_Com2.Buffer_RX[0]即為數(shù)組Buffer_Data_Com1.Buffer_RX中的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)）。

開始指令正確性判別，首先判別UART2串口接收的溫度數(shù)據(jù)包包頭為0x01，判別正確后將緩存寄存器數(shù)組的指針地址后移一位；之后進行第二條件判別，即數(shù)據(jù)包第2字節(jié)為0x03且數(shù)據(jù)包正確接收完成后數(shù)據(jù)長度為7字節(jié)，判別正確后表示指令數(shù)據(jù)包已正確接收，將Buffer_Data_Com2.Flag_R置1，復(fù)位指針UART2_Count_R的值為0，成功接收到本次數(shù)據(jù)包。

若接收到的溫度數(shù)據(jù)包中包含的特征數(shù)據(jù)有錯，則該溫度數(shù)據(jù)包被判別為錯誤數(shù)據(jù)包，則應(yīng)用條件UART2_Count_R>7將UART2_Count_R置0，即舍棄數(shù)據(jù)包。

3.3.3 通信協(xié)議解算設(shè)計

板卡設(shè)計中涉及到的協(xié)議格式共4種（如圖7）：PLC下達的采集指令（COMMAND_PLC）、下達到溫度采集模塊的采集指令（COMMAND_ToMod）、溫度采集模塊回傳的溫度數(shù)據(jù)（TMP_Source）以及傳回PLC的溫度數(shù)據(jù)（TMP_ToPLC）。

圖7 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式Fig7. Communication protocol data format

PLC下達的采集指令（COMMAND_PLC）數(shù)據(jù)包共6個字節(jié)，數(shù)據(jù)內(nèi)容為固定值。

下達到溫度采集模塊的采集指令（COMMAND_ToMod）數(shù)據(jù)包共8個字節(jié)，數(shù)據(jù)內(nèi)容為固定值。該數(shù)據(jù)符合MODBUS_RTU協(xié)議，首字節(jié)為目標(biāo)地址“0X01”，第二字節(jié)為指令字節(jié)，第三、第四字節(jié)為預(yù)讀取寄存器首地址，第五、第六字節(jié)為讀取數(shù)據(jù)個數(shù)，最后兩個字節(jié)為校驗字節(jié)，采用CRC校驗。

溫度采集模塊回傳的溫度數(shù)據(jù)（TMP_Source）符合MODBUS_RTU協(xié)議，首字節(jié)為發(fā)送方地址，第二字節(jié)為反饋指令代碼，第三字節(jié)為反饋數(shù)據(jù)寄存器首地址，第四、第五字節(jié)為溫度數(shù)據(jù)，第六、第七字節(jié)為CRC校驗位。

傳回PLC的溫度數(shù)據(jù)（TMP_ToPLC）數(shù)據(jù)為自定義通信協(xié)議，共13個字節(jié)。前五個字節(jié)為固定值，后面跟六位溫度數(shù)據(jù)，最后以“0X0D”為包尾。該溫度數(shù)據(jù)為十進制，遂需將接收到的十六進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制字符串格式數(shù)據(jù)，之后分別填入相應(yīng)的地址內(nèi)。

4 效果驗證

以物理成熟溫度控制系統(tǒng)改造完成前后數(shù)據(jù)為例，物理成熟溫度控制改造完后，溫度控制系統(tǒng)恢復(fù)正常。經(jīng)過溫度標(biāo)定后得到的生產(chǎn)控溫曲線如圖8中所示，圖中紅線和綠線為改造之前系統(tǒng)完好情況下的控溫曲線，其中綠線為溫度設(shè)定曲線，紅線為溫度控制曲線；圖中黃線和藍線為改造之后控溫曲線，其中黃為溫度設(shè)定曲線，藍線為溫度控制曲線。經(jīng)對比可見改造后的溫度調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，與系統(tǒng)完好時的控溫效果基本相同，甚至更優(yōu)。改造后的實際控溫穩(wěn)定均值基本與設(shè)定值相同，調(diào)節(jié)最大偏差為0.1℃，可完全滿足生產(chǎn)溫度需求。

圖8 物理成熟控溫曲線圖Fig8. Temperature control curve of physical maturity

5 總結(jié)

乳劑控溫系統(tǒng)改造完成后，自動控溫波動范圍不大于±0.1℃，運行數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，可完全替代原有瓶頸設(shè)備。該系統(tǒng)以自做協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡為核心，替代柯達原廠定制溫度轉(zhuǎn)換模塊，打破生產(chǎn)設(shè)備瓶頸，使車間消除了因此系統(tǒng)損壞而長期停產(chǎn)的隱患。同時該系統(tǒng)的改造成功也提升了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為產(chǎn)品質(zhì)量提供了有力保證。