基于PLC的大型化工生產過程控制系統設計*

藍 煜，李汝勇，姜 琦，熊樹生

(浙江大學，浙江 杭州 310012)

0 引言

化工技術在人類發展的進程上有著不可替代的地位，人們的生活已經離不開各種化工產品，如塑料、汽油、肥料等。近年來，我國化工行業發展迅速，但也存在著許多問題，其中最主要的問題之一是我國化工企業總體上以小規模、技術水平低、產品檔次不高為主要特征[1]。由于這類企業在生產過程中自動化程度低，人工成本較高，在生產過程中控制精度不高，輕則導致生產效率不高，重則出現安全事故。因此，對中小化工企業來說，針對生產工藝及流程，設計開發成本低、穩定性強、維護簡單和易于操作的控制系統不僅能直接提升企業效益，還能促進化工行業自動化程度的提升，具有較高的技術價值。

曾明輝[2]等針對某化工生產過程中連續氧化工藝部分的自動化程度低、生產環境惡劣和低控制精度等問題，基于西門子S7系列PLC(Programmable LogicController，PLC)設計了一套控制系統，結合上位機軟件設計開發，實現了控制過程在線監測、遠程操作等功能，提升了生產系統的穩定性和精確性。鄒志云[3]等基于西門子S7系列PLC，運用延時反饋自整定控制原理，針對某小型精細化工生產過程設計的控制系統，改進了Ziegler-Nichols(Z-N)PID參數整定算法，提高了控制相應速度。從以上應用不難看出，在化工生產過程中，利用具有低成本、性能滿足控制需求、穩定性高和維護簡單等特點的PLC作為控制器，借助組態軟件開發人機交互界面，選用抗干擾能力更強的工控機作為上位機，是目前小型化工企業生產控制系統開發的主要方案之一。

針對某企業的混合燃料生產過程，首先通過開發在線監控功能，實現生產過程中關鍵參數運行數據實時更新，其次對各個環節的啟停控制設計了手動和自動兩種工作模式，不僅提升生產過程的自動化程度，也利于操作人員對設備的維護和檢修；最后針對控制系統匹配了人機交互界面并實現生產設備、控制器和上位機之間的穩定通訊。

1 生產過程控制系統設計

1.1 生產過程控制系統設計

該產品的進料、原料混合、產品檢測、儲存成品5個環節均在罐區中完成，罐區內分為原料A、原料B、原料C、原料D區，混合區E，成品區F，每個區域由兩個相通的罐體組成。進料準備及成品運輸在裝/卸車鶴位進行。在系統設計中，使用了不同的傳感器實現對關鍵參數的監控。對于各個罐體的液位監控及實現聯鎖控制，每個罐體內都配備了雷達液位計和磁翻板液位計；溫度監控方面，根據生產需求，僅在原料罐和成品罐中安裝了熱電阻；壓力監控方面，每個罐體內均安裝了壓力變送器；由于該生產過程對于各原料的配比較為嚴格，需要對各條管線加裝渦街流量計。其中需要系統參與控制的點位中包括24個氣動切斷閥、9個泵的啟停開關，監測點位包括12個罐內的24個液位測點，原料儲存罐和成品罐的10個溫度測點，具體的點位配置見表1。

表1 生產過程控制與檢測點位配置表

在正式生產前，在裝車鶴位里將原料輸送至對應的原料罐，此時原料卸車泵開啟，到達預設開啟時長后關閉，或當兩個相同原料罐中的液位均達到高限位時，聯鎖值置0，卸車泵關閉，并發出警報；正式生產階段的第一步，先選取自動/手動模式，以自動模式為例，在生產過程中，需要對原料A、B、C或D進行混合，其中C和D不可同時加入，故設計了產品1和產品2生產模式供操作者選擇；選取生產模式后，相關的進料切斷閥打開后，打料泵啟動，在到達預設時間后，混合罐進料切斷閥關閉，打料泵關閉；對產品進行取樣檢測，檢測通過后，將混合罐內的產品輸送至成品罐中，混合罐出料切斷閥和成品打料泵開啟，待到混合罐內產品輸送完畢后，出料切斷閥和成品打料閥關閉；產品的裝車環節在裝卸車貨位中進行，成品罐出料切斷閥和成品裝車泵開啟直至輸出產品的總流量到達預設值后關閉。

對上述生產過程進行分析后，最終確定的生產過程控制系統見圖1。

1.2 PLC控制系統設計

在控制系統設計之初，為了使控制系統能夠實現設備及生產工藝的全部動作，在確認控制方案后，需要對PLC進行選型，PLC選型應遵循實用、可靠、易于擴展、業內領域運用成熟的原則，首先對所需的輸入輸出(I/O)點位的數量進行估算，選用的PLC的I/O點位數量應為實際使用點位數量的110%～120%[4]；其次是存儲器容量的估算，程序容量可參考式(1)進行估算；最后是針對PLC的功能進行選擇，如對控制系統的通信、運算速度等功能上是否有特定需求。根據以上原則，設計的PLC控制系統見圖2，控制系統選用臺達DVP60ES200R/T作為主站，DVP32ES200R/T作為從站，通過采用RS-485通訊串口通信的方式實現主站與從站的通訊；臺達DVP32XP系列I/O點位數量擴展模塊兩臺，臺達DVP04AD系列4路模擬量模塊11臺，臺達DVP04PT溫度測量模塊3臺；選擇臺達DOP-100系列人機界面作為上位機，主站通過RS-485通訊串口與上位機實現通訊功能；主站與電腦通過COM1端口(RS-232C)連接后，基于ISPSoft組態軟件及通訊管理軟件COMMGR，可以對控制程序進行編寫、修改及上載和下載。

N=(15n1+100n2)×125%

(1)

式中，n1為數字量I/O點位的數量，n2為模擬I/O點位的數量。

1.3 控制程序設計

當PLC啟動時，在第一個掃描周期里會進行一次初始化，這一步將會對特定的寄存器賦值，初始化完成后PLC進入循環階段，循環階段包括內部檢查、輸入點位采樣、執行用戶程序、輸出點位刷新。根據這一特點，對PLC控制程序進行設計。控制程序分為聯機功能初始化模塊、主站初始化、從站初始化、模擬量讀取、連鎖模塊、主程序模塊6個部分。下面對各個模塊進行說明。

1)聯機功能初始化模塊

單臺DVP系列PLC只支持最大8個模擬量擴展模塊，單臺DVP最大模擬量點位數量少于實際需求點位數量，故需要配置從站配合進行輸入信號采樣，并將采集的信號傳遞給主站進行下一步處理，所以第一步需要實現主從站的通訊功能，利用MOV指令將預設值傳送到特殊寄存器之中。特殊繼電器M1002僅在第一次運行時保持ON，以后的循環掃描周期均為OFF，利用這一特殊繼電器可完成各項初始設置并且使其一直保持設定值。在初始設定中對COM2的通訊協議、PLC通訊地址等參數進行設定后，使用PLC LINK構建網絡，網絡結構見圖3。在DVP系列的從站功能中，讀取與寫入數據長度均為16，故將從站讀取裝置設置為D100～D115，寫入裝置設置為D150～D165，主站讀取寫入裝置均為默認值。

2)主站初始化

這一步的目的是對模擬量點位擴展模塊進行初始化設定。以DVP04AD擴展模塊初始為例，首先需要對該模塊的輸入模式進行設定，本項目中所有傳感器輸出信號均為4～20 mA的電流信號，所以控制寄存器CR#02～CR#05里的值均設置為16#0006；控制寄存器CR#08～CR#011決定了采樣次數，并將多次采樣的值求和后取平均值輸出，為了獲取參數的瞬時值，還需將控制寄存器CR#08～CR#011里的值均設置為1。此外需要注意的是，在對擴展模塊進行操作時，需要使用TO指令。

3)模擬量讀取

圖4是用戶手冊中給出的4～20 mA輸出模式下的A/D轉化特性曲線，Gain是當數字輸出為16000時的電流輸入值；Offset時當數字輸出為0時的電流輸入值，根據Z這一特性曲線對程序進行設計。以雷達液位計為例，其測量范圍為0～9000 mm，式(2)是實際的液位X與輸出的數字信號Y之間的關系，對應的程序見圖5，寄存器D9900里存儲著第一個A/D擴展模塊里第一個通道采集電信號后轉化的模擬信號，使用MOV將模擬量的值搬運到寄存器D0，使用DIV指令將D0內的模擬量除以32后，再用MUL乘以8得到當前的液位，并仍儲存在D0中。

Y=(X-0)/(32000-0)*(9000 mm-0 mm)

(2)

4)從站模塊

在主站設置好通訊相關參數后，僅需對從站的模擬量點位擴展模塊進行初始化設定，將模擬量模塊讀取的值送入D100～D115后，主站將自動讀取從站寄存器D100～D115內的值。

5)聯鎖模塊

為了防止誤觸，該生產系統一共設置了12個聯鎖回路，圖6是原料A的進料聯鎖回路和聯鎖模塊梯形圖。為了實現聯鎖功能，使用CMP指令，將液位限值Hlimit與當前液位Hpresent進行比較，若Hlimit>Hpresent，則輸出1，反之輸出0 ；再用簡單的位邏輯指令即可實現原料A的進料聯鎖回路。

6)主程序

主程序的功能是實現生產模式的選擇及各個控制點位的開閉。在生產部分需要操作者先選擇手動/自動模式，在選擇產品A/B生產模式，才可進入生產參數設定。模式的選擇使用MC和MCR指令實現，圖7是模式選擇的示意程序，如選擇自動模式，則X0導通，M10置位，M11復位，此時程序自動執行MCN0—MCRN0之間的程序，反之執行MCN3—MCRN3之間的程序；控制點位的開閉主要是在生產參數設置階段控制生產過程中相關的泵及氣動切斷閥的開閉時間，此處使用特殊繼電器M1012每隔100 ms發出一次時鐘脈沖的特點，配合CNT計數指令，設置泵及氣動切斷閥的關閉時間后，泵與氣動切斷閥開啟，當計數器置1后使泵及氣動切斷閥狀態復位(即置0)。

2 上位機程序設計

使用軟件DOPSoft開發上位機軟件，實現上位機與PLC之間的通訊，從而實現人機交互，包括實現工藝流程顯示、系統啟停控制、手自動切換、測量參數顯示、運行參數設置、查看報警信息等。對上位機程序設計時，需要完成交互界面圖形設計、對I/O設備進行定義、建立動畫連接等工作后，運行和調試程序。根據第1章中設計的PLC程序，使用DOPSoft中完成變量名、變量類型、讀取內存地址設置，生產控制系統的控制器和傳感器通過PLC與上位機程序中的變量相匹配。最終得到的人機界面包括歡迎界面1幅、I/O監控(切斷閥)3幅、I/O監控(機泵)1幅、控制主界面1幅，其中圖8、圖9分別是I/O監控表(機泵界面)和控制主界面。

3 結束語

根據企業生產需求，基于臺達DVP系列PLC開發了一套實用性強、可靠性高、自動化程度高的化工生產過程控制系統，并實現了以下功能：

1)結合生產工藝和控制目標，實現了對生產過程中的液位、流量、溫度、壓力及機泵狀態等參數的有效監測和控制。

2)針對系統中模擬輸入點位數量多的問題，提出了主從站相互協同工作的架構，并設計了通訊程序，實現主從站之間的穩定通訊。

3)通過編寫相應的控制程序，實現聯鎖功能，避免了生產過程中由誤觸導致的安全事故，為企業安全生產提供了保障。

4)匹配了相應人機界面，操作者只需要完成工作模式選擇及生產參數設置，提升了操作流程的智能化，并且使操作者以更加直觀的形式進行系統狀態及關鍵參數監控。