晏朋飛（1978－）
男，助理工程師，主要從事工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用工作。



摘要：本文介紹了有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑的生產(chǎn)工藝過程，闡述了ControlLogix控制系統(tǒng)的組成及其監(jiān)視和控制過程的實現(xiàn)。實踐表明，ControlLogix系統(tǒng)作為一個高性能的控制平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、通訊能力強(qiáng)和性能優(yōu)越等諸多優(yōu)點，為提高工廠自動化水平提供了可靠的保障。

關(guān)鍵詞：有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑；ControlLogix；冗余；ControlNet

Abstract: This paper introduces the production process of Organotin Heat Stabilizer, and describes composition of ControlLogix control system and realization of monitor and control process. The experiment shows that that as a high performance control platform the ControlLogix system is with the characteristics of simple structure, powerful communication capability and excellent performance. It improves  reliability of the automatic level of factory.

Key words: Organotin Heat Stabilizer；ControlLogix；Redundancy；ControlNet

1  引言

    近年來，隨著控制技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工廠自動化系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線、分布式控制和集中信息管理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理各個層次的信息交互。這種結(jié)構(gòu)大大的降低了工程成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性，縮短了設(shè)計開發(fā)周期[1]。美國Rockwell Automation公司的ControlLogix以其高可靠性、適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力等優(yōu)點，正在不斷應(yīng)用于各種化工廠的生產(chǎn)工藝過程中[2]。

    有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑是PVC熱穩(wěn)定劑中的一種，具有高效熱穩(wěn)定性、高透明性、耐候性好和無毒環(huán)保等特點，適用于壓延、吹塑、注塑等各種加工條件[3]。某化工廠是有機(jī)錫塑料熱穩(wěn)定劑生產(chǎn)廠商，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。該廠二期工程建成后，具有甲基錫、丁基錫和辛基錫三條熱穩(wěn)定劑生產(chǎn)線，年產(chǎn)能達(dá)8000t。控制系統(tǒng)需要完成三條有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑生產(chǎn)線工藝設(shè)備的實時控制、安全聯(lián)鎖、狀態(tài)顯示，工藝參數(shù)的越限報警、數(shù)據(jù)歷史趨勢記錄和報表打印等功能。經(jīng)研究分析決定，電控部分采用Rockwell Automation公司的 ControlLogix系統(tǒng)來實現(xiàn)三條生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。

2  工藝過程介紹

甲基錫、丁基錫和辛基錫三條熱穩(wěn)定劑生產(chǎn)線工藝基本相似，工藝流程主要包括加料過程、混合反應(yīng)、分相取樣、轉(zhuǎn)料脫水、循環(huán)過濾、成品包裝六個部分。主要設(shè)備有各種原料儲罐、反應(yīng)釜、脫水罐、洗滌罐、質(zhì)量流量計、泵與風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、電磁閥和MCC等。

      
                            圖1是甲基錫生產(chǎn)線的簡易工藝流程圖。

    加料過程中，操作人員按照生產(chǎn)配方，在操作站上輸入相應(yīng)原料設(shè)定值及閥門開度，打開閥門，啟動原料泵，將MTI、QBTC、EHMA等原料打至反應(yīng)釜。加料時，采用變頻和調(diào)節(jié)閥控制原料的流速，并經(jīng)質(zhì)量、體積流量計和稱重儀實現(xiàn)對相應(yīng)原料的計量。原料加入反應(yīng)釜后，啟動攪拌機(jī)，加入NaOH溶液反應(yīng)，反應(yīng)過程中，通過調(diào)節(jié)加堿速度、加堿量以及蒸汽和冷卻水量保持反應(yīng)釜中物料的溫度和pH值穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)來控制反應(yīng)速度。加堿反應(yīng)后，需要對反應(yīng)釜中的物料進(jìn)行沉降分相，并取分相樣品送化驗室。檢驗合格后，將底部水相通過重力分入污水處理系統(tǒng)。然后水洗攪拌，進(jìn)行二次分相，將底部料相通過釜底泵轉(zhuǎn)至脫水罐，開始向脫水罐吹N2，同時啟動攪拌，并送入蒸汽進(jìn)行升溫，完成物料脫水。取樣合格后，將冷卻物料通過脫水罐底泵轉(zhuǎn)入過濾罐進(jìn)行循環(huán)過濾，過濾完成，得到的產(chǎn)品轉(zhuǎn)入成品罐，完成成品包裝。

2.1 稱重控制

    在反應(yīng)釜加料過程中，采用質(zhì)量流量計加電磁閥的方式來實現(xiàn)原料的稱重控制，同時采用釜底稱重儀進(jìn)行校核。在原料管道中安裝有Micromotion1700質(zhì)量流量計，該流量計采用自適應(yīng)220VAC/24VDC電源供電，4~20mA兩線制輸出，最大流量30000kg/h，流量測量精度高達(dá)0.15%。當(dāng)原料流經(jīng)流量計時，流量計將當(dāng)前的瞬時流量轉(zhuǎn)換成電流信號遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)。ControlLogix軟件開發(fā)平臺RSLogix5000將程序執(zhí)行分為周期掃描和定時掃描兩種任務(wù)模式，這為流量計算提供了極大的方便，只要將流量計算部分作為一個單獨(dú)的子任務(wù)，然后將其配置成為定時掃描模式，就可完成對輸入的瞬時流量信號的采樣和累加功能，這樣就簡便地實現(xiàn)了原料的稱重控制。

2.2 pH值控制

    在熱穩(wěn)定劑反應(yīng)過程中，需要調(diào)整反應(yīng)釜中溶液的pH值在5.5±0.5范圍之內(nèi)，pH值的調(diào)整是通過控制加入反應(yīng)釜中的18%的NaOH溶液的量來實現(xiàn)的，運(yùn)用ControlLogix中的PID指令，通過對pH值的PID控制，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥開度的自動控制。如圖2所示，PID指令將來自pH計測得的模擬量輸入信號作為過程變量PV，將18%的NaOH調(diào)節(jié)閥的開度作為控制變量CV，通過PID調(diào)節(jié)，以保證過程變量PV達(dá)到所希望的設(shè)定值SP。

 
                                              圖2   PID控制圖

3  控制系統(tǒng)的構(gòu)成與實現(xiàn)

ControlLogix控制系統(tǒng)集順序、過程、運(yùn)動和傳動控制為一體，采用模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可以自行設(shè)計和更改系統(tǒng)，極大地節(jié)省了費(fèi)用和成本[4]。為保證系統(tǒng)控制和通訊的可靠性，本系統(tǒng)采用控制器框架冗余和ControlNet網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)。如圖3所示，控制系統(tǒng)由2個控制器框架、4個遠(yuǎn)程I/O框架、3臺操作站和1臺工程師站及監(jiān)控軟件包等組成。

        

 
                                   圖3   自動化網(wǎng)絡(luò)配置圖

3.1 主控站

    主控站采用兩個完全相同的4槽冗余框架，每個框架內(nèi)對應(yīng)安裝有一個Logix5555控制器、一個1756-CNBR通訊模塊和一個1757-SRM冗余模塊。Logix5555處理器是Rockwell Automation公司最新一代控制器，采用32位控制總線，其控制能力可達(dá)數(shù)字量128,000點、模擬量4000點。在其內(nèi)核設(shè)計中具有通訊能力，從而大大提高了系統(tǒng)的通信性能。控制器冗余不需要進(jìn)行額外編程，它對ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備都是透明的，只需用光纖連接兩1757-SRM模塊來保持兩冗余框架之間的通訊。系統(tǒng)上電時，兩臺控制器競爭成為主控制器，之后保持一主一從同步運(yùn)行，當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時，通過1756-SRM冗余模塊立即自動切換到備用控制器，保證了系統(tǒng)安全、可靠、連續(xù)運(yùn)行。

3.2 遠(yuǎn)程站

    遠(yuǎn)程站選用1756-CNBR作為通訊模塊，經(jīng)通訊模塊將4個遠(yuǎn)程I/O站接入ControlNet網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程站以點對點的接線方式連接到現(xiàn)場儀表設(shè)備，完成實時數(shù)據(jù)的采集和輸出。由主控站處理器通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)下達(dá)各種控制量，以完成實際操作。4個遠(yuǎn)程站組件如表1所示。
 
                                         表1   遠(yuǎn)程站組件

3.3 工程師站與操作站

    工程師站和操作站均安裝有Windows 2000操作系統(tǒng)和RSView32人機(jī)界面組態(tài)軟件。其中，工程師站主要用于開發(fā)、編制、調(diào)試應(yīng)用程序，規(guī)劃和管理控制網(wǎng)絡(luò)。而操作員站主要是對生產(chǎn)線工況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、流程操作，即操作的人機(jī)接口，主要完成圖形、狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示、歷史趨勢和數(shù)據(jù)存檔、故障報警和記錄、定時報表打印以及工藝設(shè)備選擇、各類泵的啟動、停車、急停、復(fù)位和速度給定等控制操作。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通訊

    本系統(tǒng)采用的ControlNet網(wǎng)是一個開放的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，通信速率可達(dá)5Mbps，傳輸距離最長為30km，本系統(tǒng)設(shè)計傳輸距離為1km。在ControlNet網(wǎng)絡(luò)的配置時，每個控制器框架和遠(yuǎn)程I/O框架均由1756-CNBR通訊模塊連到ControlNet網(wǎng)絡(luò)上，每個遠(yuǎn)程I/O框架根據(jù)各自的具體要求，配置有不同的數(shù)字量和模擬量I/O模塊。程師站和每個操作員站都通過一個1784-PCIC卡接入ControlNet網(wǎng)絡(luò)，然后由RSNetWorx for ControlNet軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和規(guī)劃，管理各節(jié)點的歸屬，從而使網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和走線十分靈活[5]。

3.5 編程軟件及監(jiān)控畫面

    RSLogix5000軟件開發(fā)平臺提供了梯形圖LD、功能塊FBD、順序功能表SFC和結(jié)構(gòu)文本ST等編程方式。雙機(jī)冗余系統(tǒng)中采用梯形圖編程，如圖4所示。梯形圖作為傳統(tǒng)的編程方式具有直觀靈活、節(jié)省內(nèi)存、效率高等優(yōu)點。整個控制程序主要由數(shù)據(jù)采集、報警檢測、稱重控制、pH值控制、聯(lián)鎖控制等子程序模塊組成。主程序采用任務(wù)方式對各個子模塊進(jìn)行順序調(diào)用。

本系統(tǒng)采用RSView32組態(tài)軟件作為監(jiān)控平臺，通過RSLinx驅(qū)動軟件與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、模擬工藝流程以及歷史趨勢和報表等信息管理功能。RSView32內(nèi)置Visual Basic for Applications(VBA)編程語言，可以實現(xiàn)對RSView32項目的擴(kuò)展和自定義。支持OPC標(biāo)準(zhǔn)，可以快速、方便地與眾多生產(chǎn)制造商的硬件設(shè)備實現(xiàn)可靠的通訊，同時還可以作為OPC服務(wù)器向其它OPC客戶端提供服務(wù)。RSView32的標(biāo)簽配置、報警配置和數(shù)據(jù)記錄都與ODBC完全兼容，能最大限度的提高生產(chǎn)率。

    監(jiān)控系統(tǒng)由甲基線、丁基線、辛基線、原料1、原料2、原料3、廢氣廢水、鍋爐、循環(huán)水、趨勢圖和報警等畫面組成，實時監(jiān)控的參數(shù)包括原料儲罐和反應(yīng)釜的液位、溫度、壓力、PH值，流量計的流速、閥門開度、變頻輸出百分比、泵和閥的狀態(tài)等。如圖5所示，畫面全面直觀的反映了有機(jī)錫穩(wěn)定劑生產(chǎn)的全部過程。

 
                                   圖4   RSLogix5000編程環(huán)境

      

                                      圖5   甲基線監(jiān)控畫面

4  結(jié)束語

    該項目已成功投產(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，實現(xiàn)了有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑生產(chǎn)線工藝設(shè)備的監(jiān)視與控制。ControlLogix系統(tǒng)作為一個高性能的控制平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、系統(tǒng)可靠性高、編程調(diào)試方便快捷，監(jiān)控界面友好和通訊能力強(qiáng)等諸多特點，為提高工廠自動化水平提供了可靠的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛興昌. 工業(yè)自動化的技術(shù)發(fā)展 [J]. 冶金自動化，2003，（z1）：1-4.

[2] 田力.  ControlLogix在乳清蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2005，（6）：58-59.

[3] 錢慶榮. 有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑的研究進(jìn)展 [J]. 塑料科技，2002，（1）：34-36.

[4] 孫宏偉.  ControlLogix在大型順序控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 電氣時代，2004，（5）：74-76.

[5] 孫偉.  A-B 通訊網(wǎng)絡(luò)在冀東水泥廠生產(chǎn)一線改造中的實施 [J]. 自動化博覽，2001，（1）：13-14.