白乳膠反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉微，金太東，馬躍強(qiáng)，唐忠華

（遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

隨著市場經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，傳統(tǒng)的白乳膠生產(chǎn)方式在產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到市場的需求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）小流量變化要求控制精確，人工操作不能滿足控制要求；

2）設(shè)反應(yīng)釜內(nèi)實(shí)時(shí)溫度為Tt，單體的實(shí)時(shí)流量為Qt，有函數(shù)關(guān)系式Qt=f（Tt）。而目前的生產(chǎn)過程仍采用人工觀察、記錄和調(diào)節(jié)，使反應(yīng)進(jìn)程減慢，造成視覺誤差，影響產(chǎn)品的最終產(chǎn)量和質(zhì)量；

3）傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)成本高；同時(shí)由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，近距離的人工操作存在一定的安全隱患；

4）目前市場需求增加，不間斷的生產(chǎn)要求較高的自動(dòng)化水平。

基于以上原因，設(shè)計(jì)一套完整的、自動(dòng)化水平較高的白乳膠生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。

1 生產(chǎn)工藝介紹

白乳膠是固體原料PVA、液體配料VAC和幾種小料按一定的比例，在一定的溫度和壓力下，以引發(fā)劑為載體，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成的一種建筑用膠。其工藝流程如圖1所示。

反應(yīng)釜［1］的一次生產(chǎn)過程需要兩天半的時(shí)間。第一天主要進(jìn)行固體料PVA的投遞、反應(yīng)釜的通氣升溫與溶醇。流量控制在第二天進(jìn)行，首先以35 Hz啟動(dòng)主攪拌電機(jī)，保證釜內(nèi)溫度在74～76℃之間時(shí)滴加單體VAC和引發(fā)劑，滴加過程中溫度不斷升高，單體的流量也不斷變化，完成時(shí)釜內(nèi)溫度為85℃。然后保溫t小時(shí)后降至60℃，加入增塑劑和水溶輕鈣，攪拌一小時(shí)停機(jī)靜止，等待第三天產(chǎn)品灌裝。整個(gè)生產(chǎn)中投料、保溫、攪拌等工序都需要觀察、記錄流量信息，并需人工計(jì)時(shí)，操作起來極其繁瑣，而且計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確，不利于企業(yè)對(duì)生產(chǎn)流程的監(jiān)管，影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制方案及原理

控制系統(tǒng)可以在手動(dòng)/自動(dòng)兩種方式下操作，手動(dòng)狀態(tài)即可進(jìn)行傳統(tǒng)式人工操作，方便設(shè)備檢修或者運(yùn)行故障期間的產(chǎn)品生產(chǎn)。自動(dòng)狀態(tài)主要由PLC控制氣動(dòng)閥、變頻器、電磁閥、繼電器、計(jì)量泵等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

控制系統(tǒng)有4條閉合回路，均采用PID控制。其中兩條回路控制引發(fā)劑流量（流量范圍10～100 L/h）。首先在手動(dòng)的狀態(tài)下，通過改變操作量MV的值來調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而改變計(jì)量泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而找到合適的PV2，然后將此時(shí)PV2的瞬時(shí)值賦給SV2作為設(shè)定值。調(diào)整PID的P、I參數(shù)得到理想的曲線，轉(zhuǎn)入自動(dòng)狀態(tài)下觀察PV2的變化，實(shí)現(xiàn)引發(fā)劑的小流量控制。

另外兩條回路控制VAC流量（流量范圍160～380 L/h）。同樣在手動(dòng)狀態(tài)下選擇好P、I參數(shù)，得到理想曲線后轉(zhuǎn)到自動(dòng)狀態(tài)，通過PV1來控制氣動(dòng)閥的開度，從而控制VAC流量；同時(shí)由PLC采集反應(yīng)釜內(nèi)實(shí)時(shí)溫度Tt，按照VAC流量、溫度方程Qt=Q0+50×△T計(jì)算出Qt，并將其值賦給SV1，實(shí)現(xiàn)VAC流量隨溫度的變化。

主攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由PLC控制變頻器來實(shí)現(xiàn)多段調(diào)速。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)［2］的功能要求設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system

系統(tǒng)由3部分組成：

1）現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場設(shè)備主要包括：壓力傳感器、流量計(jì)、溫度傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備；冷卻水閥、蒸汽閥等開關(guān)設(shè)備；計(jì)量泵、氣動(dòng)閥各兩臺(tái)；主變頻器、調(diào)節(jié)計(jì)量泵頻率的變頻器各兩臺(tái)。

2）控制柜它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心硬件，內(nèi)部主要配置有：PLC及其擴(kuò)展單元模塊；6個(gè)繼電器；兩臺(tái)三菱變頻器；一個(gè)斷路器；兩個(gè)蜂鳴器和十六臺(tái)宇電AI系列智能儀表。

3）車間監(jiān)控室配有組態(tài)軟件的車間監(jiān)控室，主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止、操作過程的監(jiān)控、PID參數(shù)的設(shè)定、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的記錄與查詢等工作。

3 硬件設(shè)計(jì)及功能介紹

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要由下位機(jī)（歐姆龍CP1LM30DR-A及其擴(kuò)展的模擬輸入單元CPM1A-AD041、模擬輸出單元CPM1A-DA041）和上位機(jī)（PC機(jī)和組態(tài)王軟件）組成。下位機(jī)PLC采用RS-232C接口與PC進(jìn)行串行通信。輸出單元中101通道控制主攪拌機(jī)的啟/停和電機(jī)的變速；100通道的其中四路控制電磁閥的開/關(guān)，另外兩路通過控制繼電器來控制蜂鳴器的動(dòng)作，最后兩路控制計(jì)量泵變頻器的啟/停。

3.1 模擬輸入和模擬輸出單元

模擬輸入單元［3］CPM1A-AD041，輸入的信號(hào)量程是4～20mA（將電壓輸入端子和電流輸入端子短路），占用4CH的輸入通道，2CH的輸出通道。CPM1A-AD041在控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)液體引發(fā)劑、反應(yīng)單體VAC的實(shí)時(shí)流量PV的采集，并把數(shù)據(jù)傳送到閉環(huán)控制的輸入端。

模擬輸出單元［3］CPM1A-DA041，輸出信號(hào)V1、V3量程采用0～10 V，控制兩個(gè)計(jì)量泵的變頻器給定單元；I2、I4量程采用4～20 mA，占用4CH的輸出通道，直接控制VAC管道上的氣動(dòng)閥門。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)的組態(tài)設(shè)計(jì)、下位機(jī)PLC［4］控制程序設(shè)計(jì)、組態(tài)王和PLC的通信連接。

4.1 上位機(jī)組態(tài)軟件

由于反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)劇烈，因此對(duì)釜內(nèi)溫度、液位、壓力等數(shù)據(jù)的監(jiān)控十分重要。北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王6.53不僅使用方便，而且提供其與歐姆龍PLC的通信協(xié)議，因此在設(shè)計(jì)好組態(tài)監(jiān)控畫面后，按照端口一致、通信協(xié)議配置一致、數(shù)據(jù)類型一致的準(zhǔn)則組態(tài)好通訊網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)PLC就可以通過串行接口與上位機(jī)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送及一些控制命令的輸入）。圖3為1#釜工藝流程主界面，運(yùn)行時(shí)可以通過此界面切換到棒圖查詢界面來查詢各個(gè)液體反應(yīng)物的實(shí)時(shí)流量信息，并能人工設(shè)定PID的比例、積分等參數(shù)，然后切換到自動(dòng)狀態(tài)使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)、歷史曲線的查詢都十分簡單、方便。

圖31 #釜工藝流程主界面Fig.3 1#reaction flow main surface

4.1.1 報(bào) 表行與列的鎖定

因?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄采用10分鐘刷新一次，且釜內(nèi)的溫度、壓力等監(jiān)測的數(shù)據(jù)較多，所以根據(jù)需要，報(bào)表中的某些行、列要被鎖定，方便數(shù)據(jù)查詢和對(duì)比。所以在開發(fā)報(bào)表［5］時(shí)，選擇要鎖定行列交叉處的單元格，同時(shí)按下｛Ctrl｝+｛L｝鍵，可以鎖定選定單元格上側(cè)的所有行和左側(cè)的所有列；只鎖定行時(shí)，選擇最左側(cè)的單元格執(zhí)行鎖定。只鎖定列時(shí)，選擇最上邊的單元格執(zhí)行鎖定。

具體做法是以村集體（村委會(huì)）為主體成立農(nóng)宅合作社，通過轉(zhuǎn)讓、租賃、入股、合作經(jīng)營等方式，將村民閑置的房屋資產(chǎn)整合利用，村民自愿入社，引入專業(yè)的旅游企業(yè)進(jìn)行經(jīng)營，打造休閑旅游、度假養(yǎng)老、娛樂營地等產(chǎn)業(yè)，盤活經(jīng)營現(xiàn)有農(nóng)村閑置房屋，促進(jìn)農(nóng)民當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)，賦予農(nóng)民更多的財(cái)產(chǎn)權(quán)和收益權(quán)，入社農(nóng)民每年不僅有固定的租金，年底還有分紅。

但是，鎖定行、列中的單元格不能被編輯。需要對(duì)鎖定的單元格進(jìn)行編輯時(shí)，先通過快捷鍵｛Ctrl｝+｛U｝來解鎖，然后再對(duì)其進(jìn)行編輯。

4.1.2 實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)的Web發(fā)布

為了方便公司技術(shù)部門對(duì)車間生產(chǎn)狀況的監(jiān)管，監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王6.53的Web畫面發(fā)布和數(shù)據(jù)發(fā)布［5］功能。（其中數(shù)據(jù)發(fā)布是組態(tài)王6.53Web的新增功能。）

對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)布創(chuàng)建，首先在工程瀏覽器左側(cè)的工程目錄顯示區(qū)內(nèi)選擇Web——發(fā)布數(shù)據(jù)庫信息。在右邊的目錄內(nèi)容顯示區(qū)內(nèi)雙擊“新建”圖標(biāo)，或者鼠標(biāo)右鍵選擇“新建”圖標(biāo)，在右鍵菜單中選擇“新建組”，系統(tǒng)彈出“新建……”對(duì)話框，如圖4所示，在對(duì)話框中輸入發(fā)布數(shù)據(jù)所需要的信息：

名稱：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)視圖名稱，必須填寫。長度不超過32個(gè)字符。命名要符合組態(tài)王命名規(guī)則。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的Web發(fā)布Fig.4 Real-time data Web issuance

數(shù)據(jù)視圖說明：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)視圖的說明信息，最多256個(gè)字符，可以為空。

類型：實(shí)時(shí)信息的類型，數(shù)據(jù)視圖和時(shí)間曲線，必須選擇。

在完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中各個(gè)發(fā)布組的創(chuàng)建后，對(duì)KvWeb進(jìn)行配置。在組態(tài)王工程瀏覽器左側(cè)的工程目錄顯示區(qū)內(nèi)鼠標(biāo)雙擊“發(fā)布數(shù)據(jù)庫信息”，彈出“KvWeb設(shè)置及發(fā)布”窗口，然后配置各項(xiàng)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題、文件服務(wù)器設(shè)置、命令服務(wù)器設(shè)置、系統(tǒng)安全設(shè)置、發(fā)布，完成數(shù)據(jù)組的創(chuàng)建和網(wǎng)頁的發(fā)布。

4.2 下位機(jī)程序軟件設(shè)計(jì)

PLC的軟件程序［6］在OMRON8.2 CX-P上實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)主要有4條回路的PID控制、整個(gè)工藝流程的順序控制等。順序控制利用PLC內(nèi)部輔助繼電器作為每一步開始的確定輸入，再配合計(jì)數(shù)器來定時(shí)，按時(shí)對(duì)電磁閥、氣動(dòng)閥、蜂鳴器和變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制。PID控制回路中，首先程序初始化，將控制字及內(nèi)存數(shù)據(jù)設(shè)置完成后，按照PLC內(nèi)部的0～6 000對(duì)應(yīng)0～100、10～100、160～380進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換和顯示，同時(shí)要求精度提高到16位，將瞬時(shí)的流量信息通過組態(tài)界面顯示在PC機(jī)上，便于工作人員的監(jiān)視與調(diào)整。在操作量和各個(gè)PID參數(shù)調(diào)整理想后，恢復(fù)到自動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)過程只需一人就可以在電腦上直接控制，操作方便、簡潔。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Flow chart of system program

4.3 組態(tài)王與PLC的通信

組態(tài)王支持與歐姆龍PLC通過串口RS232進(jìn)行通信［7］。對(duì)組態(tài)王中的OMRON CP1L驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行下載安裝后，檢查串口的配置是否一致：

端口：COM2；

波特率：9600；

數(shù)據(jù)位：7；

奇偶校驗(yàn)：偶；

停止位：2。

在組態(tài)王里定義建點(diǎn)時(shí)，要求對(duì)應(yīng)于PLC中每個(gè)變量，PLC中的數(shù)據(jù)類型與組態(tài)王數(shù)據(jù)字典里面的數(shù)據(jù)類型必須相同，然后運(yùn)行組態(tài)，測試設(shè)備PLC是否通信正常。完成系統(tǒng)硬件與軟件的通信。

5 結(jié)束語

利用成熟的PID技術(shù)，以PLC和組態(tài)王軟件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一套白乳膠反應(yīng)釜的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅解決了目前生產(chǎn)中的各種問題，同時(shí)提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

系統(tǒng)主要達(dá)到了以下幾個(gè)功能：

1）解決了人工操作中引發(fā)劑小流量控制不精確的問題；2）通過PLC軟件編程能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)Qt=Q0+50×△T的VAC流量控制；

3）工藝過程中計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確，減少了人工操作時(shí)的時(shí)間誤差；

4）PC監(jiān)控界面信息更及時(shí)、全面，Web發(fā)布使監(jiān)控系統(tǒng)更完善；

5）提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。該控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

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