付偉

【摘 要】本文以西門子可編程控制器為核心，根據(jù)新型增塑劑的生產(chǎn)工藝，建立完善的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過獨(dú)到的軟件設(shè)計(jì)，解決生產(chǎn)反應(yīng)過程中的高滯后性溫度控制問題，大大提高生產(chǎn)效率和反應(yīng)的穩(wěn)定性、可靠性，方便管理，安全操作。

【關(guān)鍵詞】可編程控制器；增塑劑生產(chǎn)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；軟件設(shè)計(jì)

0.引言

增塑劑是世界產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的塑料助劑之一。近年來，我國已成為亞洲地區(qū)增塑劑生產(chǎn)量和消費(fèi)最多的國家。目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的主增塑劑在許多性能上特別是衛(wèi)生、低毒性等都難以滿足環(huán)保的要求。新型增塑劑無毒，不含仿雌激素和抗雄激素物質(zhì)，無致癌物質(zhì)，不會引起過氧化物酶體增殖。

可編程控制器（PLC）有著突出的適應(yīng)能力、靈活的應(yīng)用方法、方便的操作方式、穩(wěn)定的可靠運(yùn)行、相對容易的維護(hù)維修和良好的性價比等諸多優(yōu)點(diǎn)，也是本文應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)新型增塑劑的自動化生產(chǎn)控制的根本原因。通過邏輯、順序控制與人機(jī)交互解決新型增塑劑的自動化生產(chǎn)中的諸多難點(diǎn)。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

增塑劑的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)基本上是以PLC為控制核心，對控制現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測和和分析，通過人機(jī)交互界面進(jìn)行指令發(fā)布，在反饋給PLC進(jìn)行邏輯、順序控制輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的自動化控制。人機(jī)交互采用兩臺高性能工控機(jī)，互為主備，可對關(guān)鍵數(shù)據(jù)、工藝流程、數(shù)據(jù)報表、實(shí)時歷史曲線進(jìn)行顯示打印?？傮w設(shè)計(jì)原則如下圖：

2.工藝流程分析

2.1工藝流程簡介

新型增塑劑的生產(chǎn)主要是化合反應(yīng)，通過三種主料和一種催化劑按照一定配比進(jìn)行混合反應(yīng)，整體反應(yīng)周期為20小時左右，反應(yīng)過程分為主料定量添加洗料、輔料定量添加反應(yīng)、混合反應(yīng)等三個主要流程， 主要設(shè)備為稱重釜、蒸汽預(yù)熱裝置、夾套反應(yīng)釜、加料泵、高位計(jì)量罐和調(diào)節(jié)閥；反應(yīng)釜的溫度主要通過夾套中添加冷卻水或蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，這也就造成了稍后提到的溫控難點(diǎn)。

2.2工藝流程控制分析

整體反應(yīng)要求對每個流程的時間做順序分段控制，各階段時間在反應(yīng)前可調(diào)整；第一流程主料定量添加洗料，主要是通過稱重測量進(jìn)行批量加料，加料過程中通過對蒸汽預(yù)熱裝置的溫度調(diào)節(jié)和對加料速率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)主料的預(yù)熱，便于第二階段反應(yīng)。

其中第二、三反應(yīng)流程要求對反應(yīng)環(huán)境進(jìn)行溫度控制，由于反應(yīng)釜的溫度主要通過夾套中添加冷卻水或蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成反應(yīng)釜溫度的嚴(yán)重滯后，在進(jìn)行加溫和降溫操作后，相應(yīng)反應(yīng)釜溫度的變化出現(xiàn)可能滯后30分鐘以上，這也就造成傳統(tǒng)的PID溫度控制和位式溫度控制在這個系統(tǒng)中無法使用，成為控制中的一個難點(diǎn)。

第二流程中對于兩種輔料和一種催化劑的定量比例添加要求比較嚴(yán)格，要求三種物質(zhì)同時啟動添加，而且兩種輔料持續(xù)整個流程，前后時間差不能超過5分鐘。整個添加過程配比和流量穩(wěn)定，以此保證反應(yīng)的相對穩(wěn)定。故使用高位計(jì)量罐、高精度調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)進(jìn)行定量和流量控制，以達(dá)到系統(tǒng)反映要求。

3.軟件設(shè)計(jì)方法

3.1軟件設(shè)計(jì)思路

首先根據(jù)要求對系統(tǒng)功能塊進(jìn)行分工，邏輯控制、時序控制和聯(lián)鎖控制主要由PLC進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)和時間設(shè)定、報表管理、數(shù)據(jù)曲線顯示、報警、人機(jī)交互主要由人機(jī)交互組態(tài)軟件進(jìn)行處理。

由于反應(yīng)為放熱反應(yīng)，有一定的安全要求，故人機(jī)交互設(shè)備采用冗余配置，兩臺機(jī)器互為熱備，主機(jī)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從機(jī)與主機(jī)間通過網(wǎng)絡(luò)鏈接，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和主從機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障，從機(jī)自動切換為主機(jī)進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)安全性。

根據(jù)安全需要，組態(tài)軟件在第二、三階段對反應(yīng)釜溫度的變化速率進(jìn)行檢測和報警，避免反應(yīng)速度過快反應(yīng)失控的現(xiàn)象發(fā)生。

PLC程序按照整體反應(yīng)的階段編制不同的功能塊和控制程序，整體反應(yīng)3個階段的停止和啟動有人機(jī)交互進(jìn)行確認(rèn)和啟動，以調(diào)用PLC不同階段的控制程序和功能塊。

3.2 PLC軟件控制難點(diǎn)的解決

程序關(guān)鍵階段為第二反應(yīng)階段，控制難點(diǎn)也集中在這一階段。難點(diǎn)集中為：

（1）根據(jù)加料的不同階段，反應(yīng)的狀態(tài)是有變化的，不能使用固定的控制模式。

解決方案為進(jìn)一步進(jìn)行分階段控制，以時間和升降溫次數(shù)來進(jìn)行分階段，每一階段采用不同的溫度控制功能方式進(jìn)行控溫處理。在用升降溫次數(shù)來進(jìn)行分階段時，關(guān)鍵為升降溫階段轉(zhuǎn)換的判斷，這部分程序可如下圖：

（2）由于反應(yīng)釜的溫度主要通過夾套中添加冷卻水或蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成反應(yīng)釜溫度的嚴(yán)重滯后，造成傳統(tǒng)的PID溫度控制和位式溫度控制在這個系統(tǒng)中無法使用。

解決方案為脫離傳統(tǒng)的控溫方式，針對系統(tǒng)制作專家控溫系統(tǒng)，采用分溫度段、分升降溫階段不同熱交換量控制，專家預(yù)調(diào)節(jié)溫度控制，并結(jié)合關(guān)鍵溫度段根據(jù)升降溫速率調(diào)節(jié)熱交換量的方式對反應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過實(shí)際運(yùn)行，可以達(dá)到熟練工藝工程師手動操作工藝流程的控溫效果。

其中分段程序的編制可如下例：

4.結(jié)束語

本文介紹了新型增塑劑生產(chǎn)的工藝過程，應(yīng)用PLC和人機(jī)交互對其實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)控制，同時更深入的分析和探討控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、分工和設(shè)計(jì)方法，并針對控制中的難點(diǎn)進(jìn)行探討與解決方案的舉例，可供類似系統(tǒng)的開發(fā)借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

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