張維棟

(宜賓天原集團(tuán)股份有限公司，四川 宜賓 644004)

PLC在黃磷計(jì)量裝置上的應(yīng)用

張維棟

(宜賓天原集團(tuán)股份有限公司，四川 宜賓644004)

針對黃磷運(yùn)輸和貯存時(shí)多種物質(zhì)(黃磷、水及磷泥的混合物)混合后難以準(zhǔn)確計(jì)量的特點(diǎn)，研究了目前主要的黃磷計(jì)量方法及其計(jì)量原理。選擇了目前黃磷計(jì)量方法中比較先進(jìn)的體積換算法，利用溫度與密度的關(guān)系、質(zhì)量和體積的關(guān)系建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)、開發(fā)了黃磷計(jì)量系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立、計(jì)量系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)、軟硬件組態(tài)和數(shù)據(jù)庫管理等。黃磷計(jì)量系統(tǒng)通過PLC系統(tǒng)軟硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信連接，實(shí)現(xiàn)了黃磷的自動(dòng)、準(zhǔn)確計(jì)量。該P(yáng)LC在黃磷計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用表明，PLC系統(tǒng)安全可靠、操作方便，可實(shí)現(xiàn)黃磷計(jì)量過程的自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)生成收貨單功能，保證了整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。采用PLC系統(tǒng)的計(jì)量系統(tǒng)，對其他多種物質(zhì)混合后難以準(zhǔn)確計(jì)量的裝置有較好的借鑒意義。

PLC； 計(jì)量系統(tǒng)； 稱重控制儀； 控制程序； 數(shù)據(jù)庫； 數(shù)據(jù)管理

0 引言

黃磷是三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和磷酸等化工產(chǎn)品的主要生產(chǎn)原料，是一種劇毒、遇空氣即自燃的化學(xué)危險(xiǎn)品。黃磷的燃點(diǎn)僅30℃，在運(yùn)輸和貯存過程中必須浸沒在水中，與空氣隔絕，形成黃磷、水及磷泥的混合物。因此，對黃磷的準(zhǔn)確計(jì)量一直是企業(yè)難以解決的問題，其計(jì)量誤差對原料消耗和經(jīng)濟(jì)核算影響較大。

黃磷計(jì)量通常采用計(jì)量泵法和將黃磷液位差折算成質(zhì)量的方法。計(jì)量泵法不適用于磷水混合物。將黃磷液位差折算成質(zhì)量的方法雖然適用于磷水混合物，但其精確度和計(jì)算效率太低，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)裝置以及大直徑或外形不規(guī)則的儲(chǔ)罐[1]。

目前，比較先進(jìn)的黃磷計(jì)量方法是體積換算法。體積換算法根據(jù)體積置換原理，計(jì)算出同一黃磷計(jì)量罐在進(jìn)磷前后的質(zhì)量，兩者之差即為黃磷的實(shí)際質(zhì)量。因此，根據(jù)黃磷的相關(guān)物理屬性、溫度-密度對應(yīng)關(guān)系等，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用PLC組成一套黃磷計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)黃磷的自動(dòng)、準(zhǔn)確計(jì)量；同時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)管理需要，將供貨商、承運(yùn)商、承運(yùn)車牌、發(fā)貨質(zhì)量及收貨質(zhì)量等數(shù)據(jù)納入PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)黃磷計(jì)量的數(shù)據(jù)管理功能。

1 液態(tài)黃磷計(jì)量原理

常溫常壓下，黃磷呈固態(tài)，密度為1820kg/m3，固態(tài)黃磷的熔點(diǎn)為44.1℃。在溫度高于44.1℃的環(huán)境中，黃磷呈液態(tài)，且難溶于水。含水液態(tài)黃磷在45～95℃對應(yīng)不同的密度值，因進(jìn)磷前后黃磷計(jì)量罐溫度不一樣，液態(tài)黃磷前后密度也不一樣。根據(jù)這一特性，可用液態(tài)黃磷充滿恒定體積的容器(黃磷計(jì)量罐)，通過測量該計(jì)量罐和磷溫度值，求得當(dāng)前溫度下的黃磷及含磷水密度[2]；將密度乘以固定容器的體積，即可得出容器中所貯存的液態(tài)黃磷、含磷水的質(zhì)量。

黃磷計(jì)量系統(tǒng)由黃磷計(jì)量罐(臥式計(jì)量罐)、含磷水池(敞口水池)、稱重模塊、溫度計(jì)、流量開關(guān)及自動(dòng)控制閥等組成。黃磷計(jì)量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 黃磷計(jì)量系統(tǒng)原理圖

根據(jù)液態(tài)黃磷計(jì)量原理，黃磷質(zhì)量計(jì)算公式如式(1)所示。

m=ρV=(1.782-0.9t)V

(1)

式中：m為液態(tài)黃磷的質(zhì)量，kg；ρ為液態(tài)黃磷的密度[3]，ρ=1.782-0.9t；t為液態(tài)黃磷的溫度，℃；V為黃磷計(jì)量槽的定容體積，m3。

進(jìn)磷前，黃磷計(jì)量罐內(nèi)充滿含磷水。進(jìn)磷后，根據(jù)體積置換原理，進(jìn)入黃磷計(jì)量罐內(nèi)的黃磷與被置換出來的含磷水體積相同。產(chǎn)生質(zhì)量差的原因是兩者密度有差異，據(jù)此可計(jì)算出進(jìn)入壓磷罐內(nèi)黃磷的體積和質(zhì)量。

2 PLC在系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)進(jìn)磷前后黃磷計(jì)量罐和含磷水池的溫度值，利用PLC系統(tǒng)預(yù)先內(nèi)置的溫度和密度關(guān)系表，自動(dòng)測算出當(dāng)前溫度下的含磷水密度和黃磷密度。根據(jù)式(1)，可以分別計(jì)算出進(jìn)磷前后含磷水的質(zhì)量和黃磷的質(zhì)量。

2.1計(jì)量系統(tǒng)配置

計(jì)量系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、監(jiān)控上位機(jī)(計(jì)算機(jī))、打印機(jī)、稱重控制儀、稱重模塊、溫度計(jì)及流量開關(guān)等組成[4]。PLC系統(tǒng)是計(jì)量系統(tǒng)的核心，具有可靠性高、操作簡便和靈活性高等特點(diǎn)。與DCS系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有配置靈活、造價(jià)低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[5]。PLC通過邏輯程序?qū)崿F(xiàn)黃磷自動(dòng)計(jì)量控制，監(jiān)控上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理控制，打印機(jī)主要用于計(jì)量票據(jù)的打印，稱重控制儀和稱重模塊完成質(zhì)量測量及信號傳輸，溫度計(jì)主要用于黃磷計(jì)量罐和含磷水池的溫度監(jiān)控，流量開關(guān)則實(shí)現(xiàn)計(jì)量過程的聯(lián)鎖。計(jì)量系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 計(jì)量系統(tǒng)配置圖

2.2PLC系統(tǒng)的硬件組成

黃磷計(jì)量系統(tǒng)共有18點(diǎn)輸入/輸出信號(I/O)，分別為：4點(diǎn)模擬量輸入(AI)、3點(diǎn)RTD溫度信號輸入(AI)、5點(diǎn)開關(guān)量輸出(DI)、6點(diǎn)開關(guān)量輸入(DO)。PLC系統(tǒng)的硬件配置如下。

①CPU。PLC采用英國歐陸(ESUITE)公司生產(chǎn)的T2550PLC自治控制系統(tǒng)，其處理器為高速32位RISCCPU，CPU主頻為100MHz。處理器可工作于單重工作方式或冗余工作方式。在冗余工作方式下，以其中一個(gè)處理器模件作為主處理器，如其發(fā)生故障，由副處理器模件替代工作。在處理器模件內(nèi)部有一塊可拆卸的閃存模件，其容量為32MB?？刂撇呗院拖到y(tǒng)軟件裝于其中，簡單地更換此模件即可實(shí)現(xiàn)將控制策略和操作軟件快速傳遞至備用的設(shè)備，以滿足黃磷計(jì)量系統(tǒng)需要[6]。

②信號輸入/輸出模塊。根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出信號(I/O)構(gòu)成，此控制系統(tǒng)選用的信號輸入/輸出模塊是：2塊T2550M/AI3三通道模擬量輸入模件，2500M/AI3/UNIV；2塊T2550M/AI2雙通道通用模擬量輸入模件(PT100輸入)，2500M/AI2/UNIV；1塊T2550M/DI8八通道數(shù)字量輸入模件，2500M/DI8；1塊T2550M/D08八通道數(shù)字量輸出模件，2500M/DO8/LOGIC/EXTPWR。每塊模件均考慮一定備用量，以利于控制系統(tǒng)的擴(kuò)展。

③通信系統(tǒng)。上位機(jī)通過簡單的RJ45接口與下位機(jī)PLC系統(tǒng)ELIN控制網(wǎng)進(jìn)行通信。T2550自治控制系統(tǒng)在控制層和操作層上,通過100Mb/sELIN控制網(wǎng)與其他網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。ELIN控制網(wǎng)允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過星型拓?fù)溥M(jìn)行連接。所有的ELIN控制網(wǎng)節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)為全局化分散數(shù)據(jù)庫的一部分，數(shù)據(jù)庫可由網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)訪問，以支持控制策略互連的完整性、靈活性。

④操作站硬件。主機(jī)配置如下：DELLOptiPlex760；19英寸(1英寸=25.4mm)4∶3彩色液晶顯示屏；CPU為英特爾酷睿雙核，主頻為2.4GHz；內(nèi)存為2GB；硬盤為320GB；DVD光驅(qū)；獨(dú)立顯存為512MB；光電鼠標(biāo)；鍵盤。

2.3PLC系統(tǒng)的軟件配置

①PLC系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。其基本操作系統(tǒng)為WindowsXPServerPack3，因數(shù)據(jù)管理的需要，還安裝了Office2003軟件，使其具有開放的操作環(huán)境。

②PLC系統(tǒng)的下位機(jī)軟件。界面友好、基于Windows的套裝軟件包EUROTHERMPROJECTSTUDIO用于T2550的組態(tài)。通過EUROTHERMPROJECTSTUDIO可設(shè)置、分配I/O點(diǎn)及編制復(fù)雜的連續(xù)控制和順序控制算法。組態(tài)軟件中的功能塊支持就地?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算和組合邏輯運(yùn)算功能。強(qiáng)大的組態(tài)工具支持工程師在線組態(tài)、修改控制策略，同時(shí)支持策略的上傳、保存功能，以便準(zhǔn)確、完整地對控制站內(nèi)控制算法進(jìn)行備份、歸檔。

③PLC系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。上位機(jī)采用ifix4.0組態(tài)軟件，上位機(jī)界面組態(tài)功能包括工藝流程圖顯示功能、系統(tǒng)操作功能、報(bào)警記錄功能、實(shí)時(shí)曲線功能、歷史曲線功能和報(bào)表打印功能[7]。此外，上位機(jī)還安裝了美國微軟公司的VisualBasic6.0應(yīng)用開發(fā)程序。利用其自帶的ActiveX通信控件(mscomm．ocx)，上位機(jī)可方便地從串口讀取數(shù)據(jù)[8]，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與稱重控制儀之間的串口數(shù)據(jù)通信。

2.4稱重控制儀

稱重控制儀采用杭州頂松自動(dòng)化控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DS822-A3稱重控制器，其具有以下特點(diǎn)，可以滿足黃磷計(jì)量系統(tǒng)的需要。

①先進(jìn)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，精度高，速度快，溫漂低，可長期穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

②RS-232和RS-485串行通信接口，1臺(tái)或多臺(tái)控制器均可方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

③斷電數(shù)據(jù)保護(hù)。

④抗干擾性能強(qiáng)，可靠性高[9]。

2.5技術(shù)方案的實(shí)施

①根據(jù)工藝流程及生產(chǎn)操作的需要，通過ifix4.0組態(tài)軟件，繪制黃磷計(jì)量系統(tǒng)工藝流程圖，對溫度、壓力、質(zhì)量等參數(shù)設(shè)置動(dòng)態(tài)顯示，對機(jī)泵、程控閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制組態(tài)，對重要的參數(shù)進(jìn)行報(bào)警顯示；所有需要記錄的參數(shù)均設(shè)置實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢畫面，以便查詢。

②根據(jù)工藝對黃磷收貨單(結(jié)算用)的要求，利用VisualBasic6.0自帶的ActiveX控件，繪制黃磷收貨單。收貨單內(nèi)容包括: 記錄人、發(fā)貨重量、收貨時(shí)間、收貨單號、車牌號、供貨商名稱、承運(yùn)單位名稱、稱量質(zhì)量、稱量溫度、稱量密度及最終黃磷質(zhì)量等。

③根據(jù)不同的用戶，設(shè)置不同登錄用戶名和口令，并對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置不同的操作級別，以防止操作人員惡意修改或誤操作；對于可能對計(jì)量過程產(chǎn)生較大影響的操作，設(shè)置二次操作確認(rèn)按鈕，以防止誤操作或人為疏忽，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性。

④PLC控制程序設(shè)計(jì)。操作人員按事先設(shè)置的操作權(quán)限登錄黃磷計(jì)量系統(tǒng)，確認(rèn)現(xiàn)場一切準(zhǔn)備就緒后，即可啟動(dòng)計(jì)量裝置；填寫并確認(rèn)車牌號、供貨商信息、承運(yùn)單位信息、發(fā)貨質(zhì)量等信息后，打開進(jìn)磷閥門，開始黃磷計(jì)量程序；進(jìn)磷過程完成后，經(jīng)操作人員確認(rèn)，PLC自動(dòng)生成黃磷收貨單和計(jì)量單，打印并保存，數(shù)據(jù)保存期限為半年[10]。

車牌號、供貨商信息、承運(yùn)單位等信息可以在計(jì)量數(shù)據(jù)庫內(nèi)選擇，也可在權(quán)限范圍內(nèi)添加、修改和刪除等?？筛鶕?jù)黃磷計(jì)量單號、時(shí)間、供貨商等信息查詢原始計(jì)量數(shù)據(jù)，并再次打印計(jì)量單。

3 技術(shù)特點(diǎn)

①黃磷和含磷水的密度均由事先內(nèi)置的密度與溫度的關(guān)系表引用得出，可避免人為誤差。

②由于黃磷計(jì)量系統(tǒng)具有供應(yīng)商、承運(yùn)商及車輛牌號數(shù)據(jù)庫管理功能，操作人員可以方便地添加、選擇和刪除供應(yīng)商、承運(yùn)商及車輛牌號信息，保證數(shù)據(jù)庫信息即時(shí)更新，提高了黃磷入庫工作的效率。

③由于黃磷計(jì)量系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)和歷史票據(jù)存儲(chǔ)、查詢功能，極大地提高了生產(chǎn)管理的可溯性，可以方便地為操作人員和管理人員提供時(shí)間段查詢、收貨單號查詢及原始記錄單據(jù)再打印功能，提高了管理系統(tǒng)的實(shí)用性。

④由于黃磷計(jì)量系統(tǒng)具有開放式的數(shù)據(jù)庫，可以與MES系統(tǒng)、NC系統(tǒng)、ERP進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)智能化工廠管理功能，同時(shí)也可為智能化工廠及大數(shù)據(jù)管理提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

為了解決黃磷運(yùn)輸和貯存時(shí)多種物質(zhì)(黃磷、水及磷泥的混合物)混合后難以準(zhǔn)確計(jì)量黃磷的問題，研究了目前黃磷計(jì)量的主要方法。

本文以體積換算法計(jì)量原理為基礎(chǔ)，通過溫度測量、質(zhì)量稱量及密度換算來實(shí)現(xiàn)黃磷計(jì)量，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于PLC的黃磷計(jì)量控制系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該黃磷計(jì)量控制系統(tǒng)安全可靠、操作方便，實(shí)現(xiàn)了黃磷計(jì)量過程的自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)生成收貨單功能，減少了人工記錄、人工計(jì)算造成的數(shù)據(jù)誤差，保證了整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，可以為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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ApplicationofPLCinYellowPhosphorusMeteringDevice

ZHANG Weidong

(Yibin Tianyuan Group Co.,Ltd.,Yibin644004,China)

In transportation and storage of yellow phosphorus,due to multiple materials (yellow phosphorus,water,and phosphate mud) may mix together,it is difficult to accurately measuring.Aiming at this feature,the main methods and principles of yellow phosphorus metrology are researched,and the currently advanced volume conversion algorithm is selected. By using the relationship between temperature and density,the relationship between mass and volume,corresponding mathematical model is setup,and the yellow phosphorus metering system is designed. The establishment of the control system mathematical model,the configuration of the system,the communication design,and the configurations of hardware and software as well as database management are elaborated in detail. Through the configuration of PLC hardware and software and network communication connects in the yellow phosphorus metering system,the automatic and precise metering functions for yellow phosphorus are implemented. After the PLC-based yellow phosphorus metering system put into service,the system is safe, reliable and easy to operate.Various functions of automatic measurement,automatic calculation and automatic generation of receipts are realized,thus the accuracy and stability of the whole metering system are ensured,certain economic benefits for the enterprise are accomplished. The application shows that the PLC system can also be used to make accurate measurement for other kinds of mixing substances that is difficult to be measured accurately.

PLC; Metering system; Weighing controller; Control program; Database; Data management

TH86;TP29

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710011

修改稿收到日期:2017-03-22

張維棟(1970—)，男，學(xué)士，工程師,主要從事自控設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制技術(shù)研究。E-mailyibinzhang2004@126.com。