多路巡檢分析控制系統的設計與實現

李樂斌 武 超 劉 艷 任 英 呂衛星

（中國原子能科學研究院）

隨著化工工業的不斷發展，各個工藝中對樣品分析的頻率和范圍顯著增強，實時獲取裝置中組分含量對產品和安全運行至關重要。 工藝分析能力的持續發展和提高，產生了更復雜的分析儀器、更多的測量類別。 分析設備的功能越來越強大、可靠，驅動程序、分析系統專用軟件越來越復雜，用戶界面也越來越友好。 然而分析儀配套的取樣系統的基本設計幾乎沒有什么變化［1］。 考慮到某項目建立的CFETR 等離子體排灰氣氣體分析模擬實驗裝置取樣點多且成分復雜，需要多種儀器相互配合、多種取樣管道交叉使用等具體問題，也為了提高分析系統的效率，降低系統的設計、制造和安裝成本，降低運行費用和維護費用等，提出一種多路巡檢分析方法并設計其控制系統，利用幾臺氣相色譜儀實現對多個取樣點的在線分析，達到系統小型化、模塊化和智能化的要求。 多路巡檢分析控制系統中有對同位素氣體和雜質氣體的分析， 包括取樣管線的溫度/壓力/流量信號控制、閥門控制、分析數據顯示及輔助低溫系統集成等。

1 工藝流程

整個裝置完成同位素組分取樣分析和雜質氣體組分分析，具有取樣點分布廣、組分成分復雜及成分含量范圍大等特點。 通過控制進樣壓力、 溫度及定量環體積等幾方面來調整進樣量，并配合不同的氣相色譜達到分析的目的。 取樣系統主要是對樣品進行提取、 收集和可能的預處理，把樣品運送到分析儀，經過適當處理后將其送進分析儀，處理分析后的尾氣送回工藝管路或排空［2］。 首先啟動干泵抽去取樣管道內的殘留氣體，避免產生氣體污染帶來累計效應，然后沖入惰性氣體進行清洗，設定時間到后抽真空。 重復幾次抽洗過程。 抽洗結束，保證真空度達到預設值后進入等待狀態。 根據氣體組分的不同，選擇不同的取樣通道，按照既定的程序進行取樣與分析。 取樣裝置由閥門、調壓閥、氣體質量流量控制器、過濾器、儀表和傳感器、冷卻器、載氣及管線等組成。 通過取樣系統與分析儀器的相互配合完成系統的取樣分析。 圖1 為取樣分析流程。

圖1 取樣分析流程示意圖

2 控制系統硬件組成

根據工藝流程， 控制系統選擇PLC 1500 作為主控制器，配合氣體質量流量控制器、閥島、交換機、工控機、溫度和壓力傳感器、色譜儀等設備組成取樣分析系統。 其中PLC 控制器與氣體質流量控制器通過Profibus-DP 通信、 與閥島通過Profinet 通信、與工控機通過OPC 通信。 氣相色譜儀作為獨立運行的設備不受PLC 控制，只將所分析的結果上傳到上位機界面。 取樣管路上裝有氣動閥門，通過閥島控制氣動閥的開關。 常規溫度、壓力信號經過安全柵隔離后接入PLC 的AI 模塊，報警聯鎖信號輸出到中間繼電器隔離。

從控制精度和集成度方面考慮，智能儀表采用數字通信方式代替模擬方式，用閥島控制代替傳統的電磁閥控制。 這些操作可以減少線路數量，有利于實現小型化、模塊化和智能化。 控制系統結構如圖2 所示。PLC、工控機、色譜儀、串口服務器通過交換機以星型結構連接， 實現數據交換。 低溫裝置通過串口服務器和交換機連接到工控機，實現低溫溫度設定與回讀功能。 控制系統包含各種通信接口的冗余配置，有利于后期設備硬件維護，提高系統的擴展性。 整個裝置還包括移動式壓縮氣泵和干泵。 氣泵為氣動閥提供干凈氣源，不參與PLC 控制，只需提供電源即可獨立運行。 管道在抽洗過程中使用干泵，PLC 通過輸出DO 信號控制它的啟停。裝置實物如圖3 所示。整個裝置由鋁型材搭建而成，底部有萬向輪可以自由移動。

圖2 控制系統結構框圖

圖3 裝置實物圖

3 控制系統軟件編程

控制系統軟件部分包括上位機軟件和下位機軟件。 上位機是可以直接發出操控命令的計算機，下位機是直接控制設備獲取設備狀態的PLC［3］。 上位機程序完成參數的顯示與設定、歷史曲線顯示及數據記錄等功能。 操作員通過上位機界面了解工藝運行情況、調整運行工況。 下位機程序是PLC 編程，PLC 編程已廣泛應用于工業生產的各個方面［4］。 通過PLC 可完成數據采集、順序控制及聯鎖報警邏輯控制等。

上位機流程圖界面如圖4 所示。 根據工藝特殊要求， 所有閥門都有自動和手動控制模式，每一個測量通道都可手自動測量。 界面顯示設備狀態、運行參數和分析結果。 氣體質量流量控制器設置通信開關，打開開關讀寫參數，關閉開關一直讀參數。 這種編程方法可以減少網絡負荷，提高通信響應速度。 流量控制器的功能包括流量值設定與反饋、控制模式切換及清零等。 干泵和氣動閥相互作用完成管道的抽洗、取樣過程，最后將合格的樣品送到分析設備。 在上位機中還編寫了串口通信程序，利用VISA 模塊，實現低溫裝置溫度參數設定與回讀。

圖4 上位機流程圖界面

下位機程序包括PLC 控制器與各設備之間的各種通信、 常規信號采集及邏輯控制輸出等。打開編程軟件首先組態硬件（圖5）。 在軟件程序中分別安裝儀器儀表的GSD 文件或GSDML 文件。系統中，PLC 包括Profibus-DP 和Profinet 兩種網絡結構，分別連接不同的設備。 在設備塊中設置不同的DP 或IP 地址以建立與PLC 的物理連接。

圖5 PLC 硬件組態

Profibus-DP 網絡速度高、成本低，用于現場層主站與從站之間的高速數據傳送。 主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息［5］。Profinet 是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，借由Profinet IO 來實現和現場連接的外部設備的通信功能［6］。 裝置中的設備多采用這兩種通信方式，這樣可以獲得更多的設備信息。 圖6 顯示了氣體質量流量計控制器Profibus-DP 網絡組態中添加的設備參數。 根據工藝具體要求，選擇適當的設備參數，有利于設備診斷，提高控制精度，利于裝置的穩定運行。

圖6 設備參數

4 結束語

隨著分析儀器的不斷更新與發展，化工裝置要求的在線分析已基本實現。 而實時在線分析要求取樣系統是自動化的，并且與整套設備操作系統是集成在一起的。 依托建立的CFETR 等離子體排灰氣氣體分析模擬實驗裝置，按照工藝流程對取樣點與組分分析的具體要求，建立了一套多路巡檢分析控制系統。 系統包括常規溫度、壓力信號采集，Profibus-DP 通信，Profinet 通信， 串口通信及OPC 通信等， 實現了自動取樣分析的功能，達到系統小型化、模塊化和智能化的要求。 經過長期運行表明，多路巡檢分析控制系統運行穩定可靠，操作界面友好簡單、集成度高，實用性強，實驗結果可為取樣分析工程領域提供參考。