朱凱彥

（南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通 226017）

基于MCGS和PLC的草甘膦膜分離控制系統(tǒng)設(shè)計

朱凱彥

（南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通 226017）

設(shè)計構(gòu)造了一個控制草甘膦膜分離的組態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)采用PLC，同時使用數(shù)據(jù)采集板卡和智能模塊，將工控機(jī)與PLC二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，同時配合增壓泵、切斷閥、變頻器在生產(chǎn)中使用。在MCGS組態(tài)環(huán)境中，開發(fā)草甘膦膜分離控制界面，對整個系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。

草甘膦膜分離；MCGS；PLC；工控

膜分離技術(shù)是近十幾年發(fā)展的一種高新技術(shù)，隨著膜設(shè)備和膜技術(shù)的不斷發(fā)展，在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，尤其是化工及制藥行業(yè)。膜分離技術(shù)是指天然或人工合成的，有選擇透過性膜，以外界的能量或化學(xué)位差為推動力對雙組分或多組分的溶劑進(jìn)行分級、分離、濃縮和提純的邊緣學(xué)科高新技術(shù)[1]。膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①能耗小，整套濃縮設(shè)備采用膜分離裝置，只需使用-電能。②采用自動控制系統(tǒng)，可全自動化連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。③維護(hù)簡單，費(fèi)用減少[2]。④污染小，常溫常壓下進(jìn)行分離，無化學(xué)變化，環(huán)保。

南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司農(nóng)藥二廠G草中心的草甘膦膜分離系統(tǒng)使用的是上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件，搭配所用的下位機(jī)是S7-300的西門子PLC。該系統(tǒng)能夠完成實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)的處理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、流程控制、報警和安全機(jī)制、趨勢曲線、動畫顯示和報表和企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的功能[3]。使用MCGS，江山員工可以很好地維護(hù)系統(tǒng)。MCGS軟件包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分。兩部分互相獨(dú)立又緊密相關(guān)，設(shè)計工作在組態(tài)和PLC的梯形圖編程完成后，整個膜分離的工作就可以在運(yùn)行環(huán)境開始了。

1 草甘膦膜分離工藝流程

草甘膦膜分離工藝流程，如圖1所示。

草甘膦母液經(jīng)過PH調(diào)節(jié)后，由母液泵（P4708）輸送至預(yù)處理系統(tǒng)及一級膜系統(tǒng)（S4706），淡液去二級儲槽（V4710），濃液回母液槽（V4706）。過濾后的淡液由二級增壓泵（P47091，P47121）輸送至二級膜處理系統(tǒng)（S47071），進(jìn)行一次濃縮，淡液直接進(jìn)淡液貯槽（V4715），濃液進(jìn)三級儲槽（V47111），在濃液輸送管道中進(jìn)行加酸混合。三級增壓泵（P47101，P47131）將（V47111）儲槽中的液體輸送至三級膜處理系統(tǒng)1（S47081），進(jìn)行第二次濃縮，淡液進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)，濃液進(jìn)入三級儲槽（V47112），三級增壓泵（P47101，P47131）將（V47112）儲槽中的液體輸送至三級膜處理系統(tǒng)1（S47081），進(jìn)行第三次濃縮，淡液進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)，濃液進(jìn)入三級貯槽（V47113）在濃液輸送管道中加工藝水混合。三級增壓泵（P47102，P47132）將（V47113）儲槽中的液體再次輸送至三級膜處理系統(tǒng)2（S47082），進(jìn)行脫鹽處理，淡液進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)，濃液進(jìn)入三級儲槽（V47114），在濃液輸送管道中進(jìn)行加工藝水混合，三級增壓泵（P47102，P47132）將（V47114）儲槽中的液體再次輸送至三級膜處理系統(tǒng)2（S47082），進(jìn)行脫鹽處理，淡液進(jìn)入四級儲槽（V47122），濃液進(jìn)入三級儲槽（V47115），在濃液輸送管道中進(jìn)行加工藝水混合。三級增壓泵將（V47115）儲槽中的液體再次通過三級增壓泵（P47102，P47132）輸送至三級膜處理系統(tǒng)2（S47082），進(jìn)行脫鹽處理，淡液進(jìn)入四級儲槽（V47122），濃液進(jìn)入濃液貯槽（V4713）。四級增壓泵（P47111，P47141）將（V47122）中的淡液輸送至四級膜處理系統(tǒng)1（S4709），對淡液內(nèi)的草甘膦有效成分進(jìn)行濃縮，淡液進(jìn)淡液沖洗槽（V4717），濃液進(jìn)四級儲槽（V47121）。四級增壓泵（P47112，P47142）將（V47121）中的液體輸送至四級膜處理系統(tǒng)2（S4709），對液體進(jìn)行濃縮處理，淡液進(jìn)淡液沖洗槽（V4717），濃液進(jìn)二級儲槽（V471b）。在四級膜處理系統(tǒng)2還有空余的情況下，幫助四級膜處理系統(tǒng)1處理。新增加的三級膜處理系統(tǒng)作用為幫助三級1和三級2系統(tǒng)處理二級濃液。系統(tǒng)中的沖洗水采用淡液沖洗槽中的儲水，通過沖洗泵（P4718，P4719），輸送至各級膜處理系統(tǒng)，沖洗后的液體回淡液貯槽（V4717）。

圖1 草甘膦膜分離工藝流程圖

2 系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)框架

該控制系統(tǒng)是根據(jù)江山農(nóng)化農(nóng)藥二廠的工藝要求設(shè)計的，采用了DCS+PLC，（上位機(jī)軟件MGCS，下位機(jī)PLC）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的硬件架構(gòu)分為3層。

（1）管理層

本次系統(tǒng)的核心部分采用工業(yè)控制計算機(jī)MGCS組態(tài)軟件和西門子（S7-300）PLC構(gòu)成，負(fù)責(zé)人機(jī)接口和外部信息的交換。

（2）控制層

這是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，是聯(lián)系管理層和現(xiàn)場設(shè)備的橋梁，其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)和命令控制現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行，對草甘膦膜分離的過程進(jìn)行控制。同時，還把現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)傳送給管理層。控制層由基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集與繼電器輸出板卡PCL-725/16、模擬量輸入模塊I-7017，模擬量輸出模塊I-7024[4]。

（3）執(zhí)行層

執(zhí)行層的設(shè)備執(zhí)行控制層發(fā)出的控制命令，包括四級膜分離過程中所使用的切斷閥、增壓泵、調(diào)節(jié)閥開度信號、熱電阻溫度信號、流量信號、變送器所顯示的液位高低和壓力大小等。

在上位機(jī)組態(tài)軟件MCGS搭配使用PLC的原因：①PLC優(yōu)點(diǎn)在于其尋址速度快，尋址速度是相比工控機(jī)使用DCS要快得多，且便于處理開關(guān)量點(diǎn)的邏輯關(guān)系，特別是在設(shè)置連鎖保護(hù)程序時（尤其是程序量較大，開關(guān)量多），本次設(shè)計所使用的切斷閥和增壓泵的數(shù)量多且為開關(guān)量。②MCGS屬于DCS系統(tǒng)組態(tài)軟件，DCS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于處理的點(diǎn)數(shù)量多且相比PLC適用于處理模擬量點(diǎn)。本次設(shè)計的組態(tài)系統(tǒng)中溫度、壓力、液位、流量、變頻啟動增壓泵以及調(diào)節(jié)閥開度等信號均為模擬量信號。③將PLC與工控機(jī)的MCGS搭配使用，可以取兩者長處，PLC專門負(fù)責(zé)開關(guān)量啟停，但無法將信號送回至中控室的工控機(jī)中顯示，而MCGS配合專業(yè)控制模塊、數(shù)據(jù)采集和繼電器輸出板卡（I-7017、I-7024、PCL-725/16）負(fù)責(zé)模擬量點(diǎn)的控制同時將PLC的回送信號顯示。

2.2 系統(tǒng)軟硬件接口設(shè)計

STEP 7-Micro/WIN軟件是在計算機(jī)中運(yùn)行的，只有將工控機(jī)與其PLC連接起來，才能在工控機(jī)中將STEP 7-Micro/ WIN軟件編寫的程序?qū)懭隤LC中，或?qū)LC已有的程序讀入工控機(jī)重新修改[5]。

PC與PLC的連接方式這里采用，給PC端安裝CP通信卡（如CP5611通信卡），在用專用電纜將CP通信卡與PLC連接起來，采用CP通信卡可以獲得很高的通信速率，但其價格很高[6]?？紤]到江山股份G草工段生產(chǎn)的安全性以及提高中控信號的通信質(zhì)量故使用CP通信卡。外部連接后需在其相應(yīng)的軟件中設(shè)置，工控機(jī)MCGS中組態(tài)模式的設(shè)備窗口中設(shè)置PLC的接入，在STEP 7-Micro/WIN中設(shè)置接口、地址、波特率等。在STEP 7-Micro/WIN中程序塊內(nèi)容主要是對膜分離的PLC程序進(jìn)行設(shè)計的。

3 上位機(jī)控制畫面組態(tài)

江山股份的MCGS組態(tài)工程中的工作分為幾部分。首先按照控制要求畫出相應(yīng)的流程圖并且定義變量，這些參數(shù)變量分別為實(shí)現(xiàn)各個功能服務(wù)。然后在用戶窗口中組態(tài)，并將各個輸入框與實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)連接，同時將實(shí)時曲線中的顯示曲線的變量和給定值以及測量值連接上。然后在主控窗口中定義其初始設(shè)置等。經(jīng)過檢查無誤后，組態(tài)工作即完成。然后運(yùn)行系統(tǒng)，可手動輸入調(diào)節(jié)閥的開度以及PLC處理切斷閥的開關(guān)顯示。

4 運(yùn)行策略

運(yùn)行策略的兩種用途。①正常狀況下的生產(chǎn)運(yùn)行。②緊急情況下的連鎖保護(hù)。運(yùn)行策略采用了類似VB的結(jié)構(gòu)對于初學(xué)者上手容易，并且可以采用漢字作為變量，簡單易懂，系統(tǒng)變量的設(shè)定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]，關(guān)系到軟硬件之間的聯(lián)系變量畫面。運(yùn)行策略按照系統(tǒng)工藝要求，編寫源代碼，某正常運(yùn)行語句：

IF沖洗流量=50 and沖洗溫度<40℃ and設(shè)計壓水<0.2 MPa；

THAN

FV105=1；P4708=1；FV101=0；FV102=0；FV103=0；FV104=0；

5 結(jié)語

經(jīng)過多次調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。江山股份使用該系統(tǒng)后，發(fā)揮了硬件可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，提升大型工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)的效率。直接導(dǎo)致的最直觀的經(jīng)濟(jì)效益為：①廢水中提取草甘膦2100t/年。②減少甘氨酸消耗量1800t/年。間接的經(jīng)濟(jì)效益：①降低三廢的廢水處理壓力。②機(jī)電儀運(yùn)行效率提升，維修與更換的設(shè)備減少。在目前激烈的市場競爭形勢下，南通江山股份使用該系統(tǒng)更有利于提升草甘膦產(chǎn)品的市場競爭力。

[1] 徐國明，周良，鄭瑞庸，等.IDA路線的草甘膦清潔生產(chǎn)方法和綠色化學(xué)合成技術(shù)[J].農(nóng)藥，2007，46（10）：656-658.

[2] 汪家銘.草甘膦發(fā)展概況及市場前景[J].廣州化工，2002，36（2）：18-22.

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[4] 李江全，嚴(yán)海娟，劉嬌娣.西門子PLC通信與控制應(yīng)用編程實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2011：135-136.

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[6] 熊偉.工控組態(tài)軟件及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2011：5-6.

Design of Control System for Glyphosate Membrane Separation Based on MCGS and PLC

Zhu Kai-yan

A conf i guration system was designed to control the membrane separation.The system uses the industrial control computer as the host computer，the lower computer uses PLC，and uses the data acquisition board and the intelligent module，combines the advantages of industrial control computer and PLC，with the booster pump，cut off valve，F(xiàn)requency converter inverter used in production.In the MCGS conf i gurable interface，glyphosate membrane separation control interface is developed，and the whole system is automatically controlled.

glyphosate membrane separation；MCGS；PLC；industrial control

X703.1

A

1003–6490（2017）03–0105–02

2017–03–09

朱凱彥（1989—），男，江蘇南通人，助理工程師，主要研究方向為研究方向為自動控制系統(tǒng)的控制速度，穩(wěn)定性和可靠性。