趙 揚,劉慶花,趙玉奇

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450052)

基于PLC的間歇反應(yīng)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙 揚1,劉慶花2,趙玉奇2

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450052)

為滿足化工企業(yè)品種多樣和工藝條件復(fù)雜的生產(chǎn)要求，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，設(shè)計了一套間歇反應(yīng)裝置雙路控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分散自主操作和集成模塊化控制，以臺達(dá)PLC、宇電智能溫度控制器AI518和多路巡檢顯示儀AI706作為下位機，實現(xiàn)對現(xiàn)場電機開關(guān)狀態(tài)、壓力、流量、溫度、液位、轉(zhuǎn)速等變量的數(shù)據(jù)采集和處理。采用步科觸摸屏和計算機組態(tài)軟件作為上位機進(jìn)行雙路控制，實現(xiàn)了運行過程中變量信息的實時設(shè)定與監(jiān)控。該裝置通過閥門的切換選擇合適工藝和路線進(jìn)行合成生產(chǎn)，以滿足產(chǎn)品在試中控制參數(shù)調(diào)節(jié)和工藝參數(shù)優(yōu)化2個不同時期的需要；在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了以精確控制代替人工粗放操作，降低了反應(yīng)過程中人為因素的影響，提升了設(shè)備的本質(zhì)安全化水平，從而減少了因人為誤操作而引發(fā)的生產(chǎn)安全事故。實踐表明，該系統(tǒng)控制靈活、可靠性高，具有較高的推廣價值。

PLC； 優(yōu)化控制； 數(shù)據(jù)采集； 監(jiān)控； 組態(tài)； 軟件； 反應(yīng)釜

0 引言

間歇反應(yīng)以其反應(yīng)條件調(diào)整范圍廣、適應(yīng)性強、調(diào)整靈活等特點，已成為精細(xì)化工行業(yè)常用的反應(yīng)類型之一。釜式反應(yīng)器是間歇反應(yīng)的常用反應(yīng)器[1]。本文采用2個釜式反應(yīng)器組成反應(yīng)系統(tǒng)，輔以原料系統(tǒng)、成品系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)等，組成雙釜間歇反應(yīng)裝置。該裝置針對不同精細(xì)化工產(chǎn)品的合成特點，通過閥門的切換，選擇合適的工藝和路線進(jìn)行合成生產(chǎn)，體現(xiàn)了裝置的通用性。該裝置主要用于高等院校化工類專業(yè)的綜合實訓(xùn)或者化工類企業(yè)的化工產(chǎn)品合成試驗等。

本裝置針對反應(yīng)溫度、進(jìn)料速度、進(jìn)料量等反應(yīng)工藝參數(shù)的控制，設(shè)計了集分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)、自動控制系統(tǒng)和單項觸摸屏控制系統(tǒng)于一體的D-控制系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)品中試過程中，控制參數(shù)調(diào)節(jié)和工藝參數(shù)優(yōu)化這2個不同時期的操作需求。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了以精確控制代替人工粗放操作，降低了反應(yīng)過程中人為因素的影響，提升了設(shè)備的本質(zhì)安全化水平，從而減少了因人為誤操作而引發(fā)的生產(chǎn)安全事故。

D-控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用觸摸屏、組態(tài)軟件、PLC、變頻器、AI518、AI706、PID整定等組件，由上位機和下位機組成[2]。上位機由觸摸屏和計算機組態(tài)軟件組成，可實現(xiàn)雙路控制，每種控制方式均能對電機開關(guān)狀態(tài)、壓力、流量、溫度、液位、轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行設(shè)定與監(jiān)控。下位機由臺達(dá)PLC、智能溫度控制器AI518和多路巡檢顯示儀AI706組成，可對系統(tǒng)運行過程中的各變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制靈活、可靠性高，具有較高的推廣價值。

1 間歇反應(yīng)裝置設(shè)備構(gòu)成

間歇反應(yīng)裝置由2個原料罐、2個高位槽、靜態(tài)混合器、原料預(yù)熱器、均質(zhì)器、中和釜、蒸餾釜、精餾塔、成品罐、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)等組成[3-4]。

2 間歇反應(yīng)裝置控制要求

由于該間歇反應(yīng)裝置是通用型中試用精細(xì)化學(xué)品合成生產(chǎn)裝置，對反應(yīng)溫度、進(jìn)料速度、進(jìn)料量、反應(yīng)壓力、反應(yīng)時間等工藝參數(shù)，都要求具有更廣的調(diào)節(jié)范圍和更高的控制精度，以適應(yīng)多品種生產(chǎn)和工藝多變的場合，并對單項調(diào)節(jié)的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。這就要求該裝置控制系統(tǒng)在使用過程中，既能控制整體運行，又能控制單個設(shè)備獨立運行；既能通過單項觸摸屏控制系統(tǒng)進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，又能通過DCS自動控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)的驗證；既能根據(jù)工藝的需求而進(jìn)行調(diào)節(jié)，又能充分發(fā)揮泵、反應(yīng)釜等設(shè)備的使用性能[5]。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)間歇反應(yīng)裝置控制要求，該裝置共設(shè)計了20個溫度傳感器、3個壓力傳感器、2個液位傳感器，分別采集溫度、壓力、液位等信息，并控制12臺電機、4臺電磁閥、2臺電調(diào)閥、2臺變頻器、2臺加熱器的啟停。為保證設(shè)備運行穩(wěn)定、反應(yīng)速度快，減少粉塵和腐蝕性液體對系統(tǒng)的干擾，該控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心[6]，采用DCS構(gòu)成自動控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)的驗證，在觸摸屏上進(jìn)行單項設(shè)備控制[7-8]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該間歇反應(yīng)裝置采用步科觸摸屏和三維力控ForceControl組態(tài)軟件作為2路遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測裝置。下位機采用臺達(dá)DVP16ES2 PLC。該PLC具有8個數(shù)字量輸入端子和8個數(shù)字量輸出端子。由于間歇反應(yīng)裝置控制的水泵、電機和電磁閥有21個，溫度、液位、壓力等測量點有26個，為保證信息采集的準(zhǔn)確性和采集速度，該裝置采用2臺臺達(dá)PLC，并擴展1塊DVP16XN，使輸出端子數(shù)達(dá)到24個，以滿足系統(tǒng)要求，并留有余量。壓力、流量、液位等信息采用4臺多路巡檢儀AI706采集并被送入PLC1，溫度信息采用6臺溫度控制儀AI518采集并被發(fā)送至PLC2。該設(shè)計方案可滿足間歇反應(yīng)工藝復(fù)雜多變的要求，使系統(tǒng)操作靈活。其部分輸入/輸出變量分配如圖2和表1所示。

圖2 PLC部分輸入/輸出變量分配圖

PLC輸出端子編號設(shè)備名稱 PLC輸出端子編號設(shè)備名稱 Y0冷卻水泵1Y16冷卻水液位電磁閥Y1冷卻水泵2Y17蒸汽液位電磁閥Y2離心機電機Y100導(dǎo)熱油加熱Y3混合釜循環(huán)泵Y101蒸汽發(fā)生器加熱Y4蒸餾釜循環(huán)泵Y102混合釜攪拌Y5導(dǎo)熱油循環(huán)泵Y103蒸餾釜攪拌Y6混合釜冷卻水閥Y104濾液增壓Y7混合釜導(dǎo)熱油閥Y105回流泵Y10蒸餾釜加熱電調(diào)閥Y106原料泵1Y11蒸餾釜制冷電調(diào)閥Y107原料泵2Y14蒸汽液位低報警

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對間歇反應(yīng)復(fù)雜多變的生產(chǎn)工藝，在設(shè)計該裝置控制系統(tǒng)時，將系統(tǒng)分為原料區(qū)、混合釜區(qū)、蒸餾釜區(qū)、精餾系統(tǒng)、啟動控制、離心系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、熱油系統(tǒng)這9個功能模塊。系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

根據(jù)每個模塊的工作要求，分別編寫控制程序。為提高控制精度、節(jié)約能源，對導(dǎo)熱油加熱溫度、蒸汽加熱溫度、冷卻水液位、蒸汽包液位、混合釜溫度、蒸餾釜溫度的調(diào)節(jié)均采用PID整定[9-10]。

當(dāng)PLC切換到運行狀態(tài)時，其起始正向脈沖繼電器M1002處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后讀儀表實測值和設(shè)定值。系統(tǒng)啟動時，其運行監(jiān)視常開接點M1000閉合，運行冷卻水和蒸汽包液位PID整定程序。

3.3 觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計

為實現(xiàn)對間歇反應(yīng)裝置中每臺設(shè)備的獨立控制，本設(shè)計采用MT4414T觸摸屏。該觸摸屏顯示清晰、反應(yīng)靈敏、性價比高。根據(jù)系統(tǒng)控制要求[11]，共設(shè)計了9組控制界面，分別是原料區(qū)、混合釜區(qū)、蒸餾釜區(qū)、精餾系統(tǒng)、啟動控制、離心系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、熱油系統(tǒng)。每個界面上方均有切換按鈕，便于各界面之間的切換。

以混合釜設(shè)備操作窗口為例，該窗口可對混合釜溫度、電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，可控制混合釜攪拌電機、循環(huán)泵的啟動；可顯示冷水閥、導(dǎo)熱油閥狀態(tài)，及混合釜溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、夾套溫度、換熱器進(jìn)口溫度、換熱器出口溫度、換熱器殼程上下口溫度、混合釜壓力等參數(shù)。

3.4 組態(tài)軟件設(shè)計

在間歇反應(yīng)控制系統(tǒng)中，組態(tài)軟件主要用于數(shù)據(jù)的收集顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化控制[12]。本設(shè)計采用的是Forcecontrol三維力控組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件具有豐富的圖形庫，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)國際領(lǐng)先。在間歇反應(yīng)裝置的控制系統(tǒng)中，設(shè)計了系統(tǒng)運行總貌、報表查詢、趨勢曲線、報警記錄、事件查詢等功能窗口。在控制系統(tǒng)主界面中，可以直觀地顯示各個設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、壓力、溫度、流量等信息。

在系統(tǒng)主界面中，點擊設(shè)備可彈出該設(shè)備手操器面板。以蒸汽發(fā)生器為例：點擊蒸汽發(fā)生器，會出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器的手操器面板，包含設(shè)備名稱、啟動/停止、啟動/停止顯示區(qū)、手動/自動、手動/自動狀態(tài)顯示、PID參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)置區(qū)域。

4 結(jié)束語

間歇反應(yīng)裝置配置了DCS操作控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)軟件組態(tài)可以進(jìn)行多種基本控制試驗和綜合控制試驗[13]。裝置于2015年10月建成后投入運行，截至目前已經(jīng)穩(wěn)定運行6個月。應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置采用觸摸屏和工控機作為雙路控制系統(tǒng)，控制界面清晰直觀、操作方便，極大地增強了設(shè)備控制的靈活性。在生產(chǎn)過程中，該裝置對壓力、溫度、流量、液位、轉(zhuǎn)速等信息采集準(zhǔn)確。PLC作為控制核心，處理速度快、程序運行穩(wěn)定，很好地適應(yīng)了間歇反應(yīng)復(fù)雜多變的工藝需求，有一定的推廣價值。

[1] 何珊,王水良.半間歇反應(yīng)釜先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究[J].化工自動化及儀表,2012,39(6):711-713.

[2] 劉歡.間歇反應(yīng)釜降溫過程溫度控制研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 管豐年,安宏偉，周書同.基于PLC的間歇式化學(xué)反應(yīng)釜控制系統(tǒng)[J].濰坊學(xué)院學(xué)報,2009,9(2):17-19.

[4] 王曉芳,張繼研，金路路.基于SIMATIC系統(tǒng)的先進(jìn)控制理論實驗平臺的開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2008,27(8):207-209.

[5] 裴立剛.試論化工裝置中泵類設(shè)備安裝常見問題[J].工程技術(shù)(全文版),2016(37):00241.

[6] 柯慧娟.PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制界面中的應(yīng)用探究[J].科研,2016 (15):00152.

[7] 劉慶花,蔡莊紅.基于PLC的精細(xì)化工裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(2):125-128.

[8] 李猛.間歇多反應(yīng)釜公用定量加料控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

[9] 潘剛,李義科,云雪峰,等.基于PLC的加熱爐熱過程專家控制的實現(xiàn)[J].工業(yè)加熱,2009,38(1):42-44.

[10]陳曦,何益.化工精餾塔的PLC溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(11):77-79.

[11]張航,盧珞先.基于XGB系列PLC的觸摸屏驅(qū)動設(shè)計[J].通訊世界,2016 (8):55-56.

[12]王爽,揚紅兵.溶混設(shè)備人機界面的設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2014,9(46):1087-1089.

[13]崔林,丁力.中試實驗裝置在化工實驗教學(xué)中的綜合應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(2):82-85.

Design of the Batch Reactor Control System Based on PLC

ZHAO Yang1,LIU Qinghua2,ZHAO Yuqi2

(1.College of Chemical Engineering,Henan Vocational College of Applied Technology, Zhengzhou 450052，China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Vocational College of Applied Technology, Zhengzhou 450052,China)

In order to meet the production requirements of species diversity and complexity of process conditions in the chemical enterprises,and to achieve control optimization of the system,a set of double loop control system for batch reactor has been designed.By using distributed autonomous operation and integrated modularized control,with Delta PLC, Yudian universal temperature controller AI518,and multi-channel indicator/scanner AI706 as the slave computer, the data collection and processing for field variables,including motor switch state,pressure,flow,temperature,liquid level and rotational speed,etc.,can be realized.Kinco touchscreen and computer configuration software are used as the host computer to implement double loop control,and they can both set and monitor variable information in real time during running.Through valve switching,appropriate technological process and routine are selected for synthesis production,to meet the needs of control parameters adjustment and process parameters optimization in two different periods.In production of the product,the rough manual operation is replaced by precise control, and the influence of human factors in reaction process is reduced, and the level of intrinsic safety is increased;thus the production safety accidents caused by manual incorrect operation are decreased.The practice shows that the system has high control flexibility,high reliability and higher promotion value.

PLC; Optimal control; Data collection; Monitor； Configuration; Software; Reaction kettle

河南省重點科技攻關(guān)課題基金項目(152102210097)、河南省產(chǎn)學(xué)研合作項目基金項目(162107000055)

趙揚(1979—)，男，碩士，副教授，主要從事化工工藝設(shè)計及裝置配套研究。E-mail：zyatzz@163.com。 劉慶花(通信作者)，女，碩士，實驗師，主要從事電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。E-mail：20709669@qq.com。

TH6;TP271+.3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702004

修改稿收到日期:2016-07-21