基于PLC的催化劑評(píng)價(jià)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志俊，楊振寧，唐玉龍

中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074

費(fèi)-托合成是將合成氣體轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锏亩嘞啻呋^程［1］。通過費(fèi)-托合成反應(yīng)，合成氣體可轉(zhuǎn)化為人們生產(chǎn)生活所需要的柴油、汽油等生活必需品。在費(fèi)-托反應(yīng)過程中，合成氣體的合成比例、反應(yīng)環(huán)境的壓力和溫度對(duì)在活性催化劑下的反應(yīng)效率有重要的作用。費(fèi)-托合成的典型活性金屬包括鐵和鈷及釕，其中鈷和鐵已經(jīng)被應(yīng)用于費(fèi)-托合成反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用。鐵比鈷便宜，但是鈷基催化劑對(duì)生成線性長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏幕钚砸约斑x擇性要更好。此外，鈷基催化劑會(huì)在有水生成的反應(yīng)中更難鈍化，使催化劑更為穩(wěn)定［2］。由于混合加熱過程中受多種變量影響等特點(diǎn)，對(duì)其控制的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在反應(yīng)中合成氣量、溫度和壓力是實(shí)時(shí)變化的，要控制其保持在某一范圍內(nèi)就必須要有智能化的控制系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)沒有人機(jī)交互界面，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且價(jià)格昂貴、維修不方便、體積大、占空間。如果采用小巧的單片機(jī)控制系統(tǒng)，則又因?yàn)榭垢蓴_、抗惡劣工作環(huán)境性能較差，不適合在此種環(huán)境使用。隨著可編程控制器（PLC）技術(shù)的不斷發(fā)展，以PLC為核心的控制系統(tǒng)正在不斷進(jìn)入到各個(gè)控制領(lǐng)域。PLC具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［3］。除此之外，PLC控制系統(tǒng)還具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、操作方便、體積小、容量大、設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)，已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化三大支柱之一［4］。

本研究是基于PLC設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，提高了資金效益，節(jié)約成本，提高效率，具有歷史數(shù)據(jù)存取功能和曲線顯示等特殊功能，整個(gè)控制系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制和報(bào)警等功能，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)由監(jiān)控模塊、通信單元、CPU單元、AD/DA單元等組成，設(shè)計(jì)成開放式框架，可實(shí)現(xiàn)智能控制，具有高低限制預(yù)警和報(bào)警功能，各個(gè)部件采用模塊化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)選用OMRON公司的PLC，由以下幾個(gè)模塊組成：電源單元、CPU單元、主從鏈接單元、通信單元、開關(guān)量和模擬量輸入輸出單元等。

電源模塊負(fù)責(zé)給每個(gè)模塊提供穩(wěn)定可靠的電源，使系統(tǒng)正常運(yùn)行；CPU單元是主控制器，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)其他模塊的控制；主從鏈接單元主要用于連接擴(kuò)展從機(jī)；通信單元具有RS232和RS485通信方式，用于連接溫度控制器、壓力控制器和本地監(jiān)控觸摸屏。CPU的通信接口通過RS232轉(zhuǎn)RS485與遠(yuǎn)程監(jiān)控觸摸屏連接，便于PLC對(duì)溫度、壓力的控制以及人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)、近距離操控；開關(guān)量及模擬量輸入、輸出單元主要是對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行控制，以及為PLC提供其他輸入輸出控制信號(hào)等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

系統(tǒng)還設(shè)置有電源指示燈、運(yùn)行指示燈和報(bào)警指示燈等，在結(jié)構(gòu)框架后面安裝通道控制端口，也就是接收板，進(jìn)行對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，一共設(shè)置了十二個(gè)接收口，為簡(jiǎn)化未在圖中標(biāo)出。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

催化劑評(píng)價(jià)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，底部設(shè)計(jì)四只鋼架支腳架，承受整個(gè)系統(tǒng)重量。中部為H2、CO、N2三組四路氣體輸入通道以及開關(guān)閥和E5850質(zhì)量流量計(jì)，通過開關(guān)閥、流量計(jì)三種氣體按一定比例到達(dá)混合器，最后輸送到反應(yīng)爐中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)爐內(nèi)氣體溫度和壓力信號(hào)進(jìn)行采集，將溫度傳感器和壓力傳感器采集來的溫度和壓力信號(hào)分別傳遞給溫度控制器和壓力控制器［5］。上部以O(shè)MRON的CJ2M型PLC作為核心控制單元，經(jīng)開關(guān)量IO單元、AD/DA模擬量單元、通信單元等采集各類信號(hào)，以RS232和RS485通信接口與觸摸屏進(jìn)行信息交換，完成系統(tǒng)各信息采集測(cè)量的功能，同時(shí)接收來自觸摸屏的指令對(duì)各開關(guān)閥、流量計(jì)的開度狀態(tài)等實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.1 PLC配置

首先對(duì)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［6］，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，輸入點(diǎn)數(shù)包含流量計(jì)、溫度控制器、壓力計(jì)、開關(guān)閥、操作按鈕等，總數(shù)為79點(diǎn)。輸出點(diǎn)數(shù)包含流量計(jì)、溫度控制器、壓力計(jì)、開關(guān)閥、指示燈等，總數(shù)為50點(diǎn)。同時(shí)為了以后系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)、添加新的智能化控制功能，預(yù)留約200點(diǎn)的I/O點(diǎn)數(shù)作為備用控制點(diǎn)。其次本系統(tǒng)要求有強(qiáng)大的通訊能力、充足的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、快速的數(shù)據(jù)處理能力、良好的兼容性和人性化的開發(fā)要求。根據(jù)以上要求，選用了OMRON公司CJ2M系列的PLC。其中CPU單元I/O控制點(diǎn)數(shù)多達(dá)2 560點(diǎn)，有20 kB程序容量，最多3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，內(nèi)置USB和RS-232接口，使通信變得簡(jiǎn)單可靠實(shí)用。40 ns的指令執(zhí)行速度能夠快速的執(zhí)行指令，通過鏈接單元擴(kuò)展通信模塊和AD、DA模塊。便于對(duì)各模擬量到數(shù)字量的采集轉(zhuǎn)換。PLC內(nèi)部I/O存儲(chǔ)器分為多種功能區(qū)，CIO區(qū)中的字用于數(shù)據(jù)交換，I/O區(qū)中的字被分配給基本I/O單元的外部I/O端子，其他工作區(qū)、保持區(qū)、輔助區(qū)等足以滿足系統(tǒng)的使用和將來的擴(kuò)充［7-8］。

系統(tǒng)的配置和參數(shù)設(shè)置，模擬量輸入輸出總點(diǎn)數(shù)設(shè)為32點(diǎn)，開關(guān)量輸入輸出總點(diǎn)數(shù)設(shè)為48點(diǎn)，模擬量采集和輸出精度設(shè)為12位，保證數(shù)據(jù)的高精度。模擬量的輸入/輸出電壓設(shè)為0 V～10 V，信息轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)為250 μs，分辨率設(shè)為8 000。

2.2 流量和溫度及壓力控制

因?yàn)橐獙?duì)合成氣體的氣體流量做精確的控制，選擇了美國(guó)BROOKS儀器的精密質(zhì)量流量計(jì)5850E型。該流量計(jì)是一種用于精確測(cè)量和快速控制氣體流量的質(zhì)量流量測(cè)量控制集成裝置，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)以及許多其他電子或計(jì)算機(jī)控制的氣體處理行業(yè)。BROOKS 5850E型由三個(gè)基本單元組成：流量傳感器，控制閥和集成電子控制系統(tǒng)，這種組合產(chǎn)生了穩(wěn)定的氣體，不需要連續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)整氣體壓力。

連接BROOKS 5850E型流量計(jì)和PLC輸入板采用D15接口線，每一個(gè)流量計(jì)需要一個(gè)接口線與之相連，共12個(gè)。

在費(fèi)-托反應(yīng)過程中，反應(yīng)爐的溫度要有不同時(shí)間段的設(shè)置?？紤]到本系統(tǒng)的智能性要求，選擇精達(dá)儀表智能PID調(diào)節(jié)器XMA5000F，該調(diào)節(jié)器內(nèi)部有四條多段時(shí)間程序曲線控制方案，通過設(shè)置可以給出四條各16段的溫度時(shí)間曲線，完全滿足反應(yīng)爐的溫度控制需求。溫度控制器通過RS485接口使用MODBUS RTU協(xié)議與PLC連接，MODBUS是MODICON公司于1979年開發(fā)的一種通信協(xié)議［9］，通過MODBUS協(xié)議，對(duì)溫控器的各項(xiàng)設(shè)置可以通過對(duì)PLC編程來實(shí)現(xiàn)，人機(jī)交互上由觸摸屏來設(shè)置或者選擇時(shí)間曲線程序，操作簡(jiǎn)單。溫控器與PLC的連接線采用RS485兩線制，通過自制的連接線將溫控器和PLC連接起來。

反應(yīng)爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)要求在恒定的壓力下進(jìn)行，并且在不同合成氣體流量比和不同的催化劑環(huán)境下應(yīng)該能夠改變到所需要的壓力范圍，針對(duì)3個(gè)氣體流量通道使用了四個(gè)壓力控制器。本系統(tǒng)選擇康斯特ConST821智能壓力控制器，該壓力控制器內(nèi)置正壓源和負(fù)壓源，全自動(dòng)輸出設(shè)定壓力，內(nèi)置兩只壓力模塊，準(zhǔn)確度0.02或0.05級(jí)，采用變速率快速逼近壓力開關(guān)檢定方法，速度快、結(jié)果準(zhǔn)。通訊方式選擇RS485與PLC連接起來，設(shè)定好通訊參數(shù)，通過PLC編程即可讀寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.3 通信設(shè)計(jì)

利用上、下位機(jī)模式的串行通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，是典型的應(yīng)用方式［10］。本系統(tǒng)設(shè)置有CPU單元通信端口和CJ1W-SCU41通信模塊，CPU單元通信端口運(yùn)用RS232轉(zhuǎn)RS485接口連接遠(yuǎn)程觸摸屏，通信模塊具有RS232和RS484兩種通信端口，RS232連接本地觸摸屏，溫度控制器和壓力控制器采用的是RS485通信，RS-485協(xié)議，半雙工廣播方式，傳輸速率 128 kbs［11］。

CJ2M CPU具有良好的兼容性，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控觸摸屏和本地監(jiān)控觸摸屏都選擇威綸通工業(yè)觸摸屏，通過CPU單元通信端口經(jīng)RS232-RS485轉(zhuǎn)換器連接到遠(yuǎn)程屏，通過CJ1W-SCU41通信單元RS232連接到本地屏，經(jīng)RS485連接到溫控器和壓控器。在連接這兩種通信時(shí)，都需要在通信單元上設(shè)置通信參數(shù)，PLC也需要編程設(shè)置相同的通信參數(shù)，使連接雙方協(xié)議設(shè)置相同［12］。

主控制器預(yù)留有以太網(wǎng)單元模塊接口，可以通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)-托反應(yīng)實(shí)驗(yàn)更大范圍的管理。

2.4 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控的人機(jī)交互通過兩個(gè)監(jiān)控屏完成，一是本地觸摸屏，另一是遠(yuǎn)程觸摸屏，既可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)的本地操控，也可以達(dá)到遠(yuǎn)程操控的效果，節(jié)約時(shí)間，提高效率，更具有實(shí)用性［13］。本地屏為威綸通MT6070iE 7吋工業(yè)觸摸屏，分辨率800×480，亮度300，對(duì)比度500∶1。遠(yuǎn)程屏為威綸通MT8101iE 10吋工業(yè)觸摸屏，分辨率800×480，亮度300，對(duì)比度500∶1。

在上位計(jì)算機(jī)上采用威綸通Easy Builder Pro組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，Easy Builder Pro完整的圖形用戶界面，允許使用相關(guān)元件、電氣符號(hào)、配合PLC的相應(yīng)控制位地址和本機(jī)觸摸屏地址，還可以加上較復(fù)雜的運(yùn)算宏指令的使用［14］，共同創(chuàng)建面向?qū)ο蟮?、基于符?hào)的項(xiàng)目。觸摸屏上設(shè)計(jì)了四個(gè)通道的總監(jiān)控界面，可以修改任意通道各路氣體的流量設(shè)定值。圖2是匯總界面示意圖。從圖2中可知，用戶可以同時(shí)看到四組中每種氣體的流量情況。根據(jù)需要可以在這里直接設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，方便管理。

圖2 匯總界面Fig.2 Combined interfaces

通過設(shè)置每一組氣體對(duì)應(yīng)流量數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線圖，可看到相應(yīng)的氣體的流量歷史使用情況。圖3（a）給出了第一組氣體的流量趨勢(shì)圖設(shè)計(jì)示意。從圖中可以看到，用戶可以在這里查看到某一路中三種氣體的流量趨勢(shì)情況，并可操控清除數(shù)據(jù)、停止和暫停曲線顯示。

圖3 （a）氣體流量數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖設(shè)計(jì)，（b）監(jiān)控界面Fig.3 （a）Design of gas flow data trend，（b）Monitor interface

監(jiān)控系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)要求顯示H2、CO、N2三路氣體通道，在各通道上有開關(guān)閥、流量計(jì)、管道、以及管道中氣體的流向。在開關(guān)閥上方還應(yīng)顯示設(shè)定的通過流量值，以及當(dāng)前的流量值。流量計(jì)的開度控制，設(shè)計(jì)了一個(gè)彈出窗口，可以設(shè)置相應(yīng)的開度。用戶可以根據(jù)需要控制開關(guān)閥和流量計(jì)的開度。界面上還繪制了混合器、反應(yīng)爐等。四組的設(shè)計(jì)一樣，圖3（b）給出了第一組的監(jiān)控人機(jī)界面，三路氣體經(jīng)開關(guān)閥、流量計(jì)到達(dá)混合器刪除，然后送到反應(yīng)爐進(jìn)行反應(yīng)，最后經(jīng)輸出閥門輸出。點(diǎn)擊開關(guān)閥和流量計(jì)會(huì)彈出開關(guān)量的設(shè)置，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置開關(guān)閥和流量計(jì)0%到100%的開度。

3 接口電路設(shè)計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)采用的是D15針接口，其中有設(shè)定值、測(cè)量返回值、閥門開度控制、電源接線等，需要設(shè)計(jì)接口電路板。圖4是對(duì)一個(gè)流量計(jì)的控制接口電路圖，PLC信號(hào)由端口接入后，ON和OFF信號(hào)用兩個(gè)繼電器U3A和U3B互鎖，由+15 V或-15 V直流電源分別控制流量計(jì)的全開和全關(guān)控制。由PLC模擬量DA信號(hào)接入D15連接線控制流量計(jì)的任意閥門開度，SIG信號(hào)接入D15連接線采集流量計(jì)實(shí)際流量。流量計(jì)的開度控制，除了可以由PLC的DA控制，還設(shè)計(jì)了接口板上由旋鈕調(diào)節(jié)的0 V～5 V直流電壓來控制，以備故障時(shí)可以人工手動(dòng)操控流量計(jì)。

圖4 接口電路圖Fig.4 Interface circuit

4 PLC控制設(shè)計(jì)

PLC控制程序設(shè)計(jì)在CX-Programer軟件中用梯形圖形式編寫程序完成。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)、溫度控制器、壓力控制器的控制和數(shù)據(jù)讀寫，除此之外還要有通信監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)量程轉(zhuǎn)換、高低限報(bào)警等功能，同時(shí)與監(jiān)控觸摸屏交互，提供數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控。

4.1 流量計(jì)控制程序

對(duì)流量計(jì)的控制需要將數(shù)字信號(hào)、開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，需要對(duì)模擬量單元進(jìn)行設(shè)置［15］，模擬量單元初始化需要設(shè)置單元號(hào)，輸入單元號(hào)設(shè)為0、輸出單元設(shè)為1和2。

模擬量AD單元設(shè)置包括：模擬輸入信號(hào)的量程設(shè)置，模擬輸入點(diǎn)數(shù)和分辨率，以及是否需要模擬量輸入的平均值處理等，此外還需要對(duì)單元CIO通道進(jìn)行分配。

模擬量DA單元，與模擬量AD單元一樣，設(shè)置包括：模擬輸出信號(hào)的量程設(shè)置，模擬輸出點(diǎn)數(shù)和分辨率等，也同樣還需要對(duì)單元CIO通道進(jìn)行分配。

初始化通道完成后，CPU通過MOV指令將數(shù)字信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，這些數(shù)字信號(hào)在模擬量輸出單元中通過DA后，轉(zhuǎn)換為成比例的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號(hào)或電流信號(hào)，控制流量計(jì)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)PLC的模擬量輸出控制。

流量計(jì)的開關(guān)控制，與模擬量設(shè)計(jì)相似，將開關(guān)信號(hào)存入到I/O存儲(chǔ)區(qū)中，由開關(guān)單元直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成開關(guān)信號(hào)，控制流量計(jì)閥門的全開和全關(guān)，輸出信號(hào)1表示全開，0表示全關(guān)。

4.2 通信控制

為了保證通信一直都能夠順利連接，觸摸屏和PLC一直處于通信狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)不被丟失。為了避免控制器出現(xiàn)失控的情況，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)通信做了軟件檢測(cè)，一旦通信出錯(cuò)，或者通信線斷開，PLC就會(huì)給監(jiān)控觸摸屏發(fā)送通信錯(cuò)誤信息，監(jiān)控屏提示通信錯(cuò)誤等告警。

設(shè)置通信單元還需要注意對(duì)TERM開關(guān)和WIRE開關(guān)的設(shè)置，TERM是終端電阻，當(dāng)使用422/485方式通信，該單元為傳送線路的最后一個(gè)時(shí)，該開關(guān)要打到ON；WIRE開關(guān)是設(shè)置2線制或4線制的，使用485方式撥到2位置，使用422方式撥到4位置［16］。

PLC中用串口讀（RXD）、寫（TXD）指令，依據(jù)溫度控制器、壓力控制器的通信協(xié)議，編寫程序段讀寫控制器數(shù)據(jù)區(qū)，完成對(duì)溫度、壓力數(shù)據(jù)的操作，實(shí)現(xiàn)控制。

5 結(jié) 語

所研制的系統(tǒng)現(xiàn)已投入實(shí)驗(yàn)室使用。實(shí)驗(yàn)室有12路氣體需要控制，所以選型設(shè)計(jì)4個(gè)壓力控制器和3個(gè)溫度控制器。系統(tǒng)投入運(yùn)行將接近一年，運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)便，減輕了實(shí)驗(yàn)室人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

系統(tǒng)投入成本低，綜合效益高，值得中小型實(shí)驗(yàn)室和化工類企業(yè)借鑒。同時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)置有上位機(jī)，使用模塊化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)功能完整性增加了很大的便利，對(duì)系統(tǒng)性能的提高也具有很大的潛力。

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