虚拟硫酸配酸过程控制系统的实现

范忠雷 杨 璐 丁 领 张健东

(郑州大学化工与能源学院)

虚拟硫酸配酸过程控制系统的实现

范忠雷 杨 璐 丁 领 张健东

(郑州大学化工与能源学院)

以硫酸配酸过程为控制对象，采用易控组态软件、GX Simulator和MX Component软件构建虚拟硫酸配酸操作实验系统，给出了虚拟硫酸配酸实验平台的实现方法及其虚拟配酸操作的控制过程。在MX Component通信软件的支持下，易控组态软件可以在计算机上建立上位机和PLC仿真平台间的联系，实现硫酸配酸控制系统上位机控制界面与下位机PLC的同步控制和仿真操作过程。

硫酸配酸系统 同步控制 易控组态软件 GX Simulator MX Component

在稀硫酸的配置过程中，进行配酸操作时为避免酸液爆沸或飞溅，并提高配酸效率，生产企业常通过配酸工段将98%的浓硫酸配制成给定浓度的稀酸[1]。笔者以实际的配酸控制过程为研究对象，基于易控组态软件和三菱PLC编程平台GX Developer，结合GX Simulator和MX Component软件构建全虚拟硫酸配酸实验系统，研究全虚拟配酸实验平台的实现方法以及虚拟硫酸配酸操作的模拟控制过程。该方法将不易实现的工业过程和PLC实验通过计算机软件虚拟化，实验内容将不再受实验室仪器设备、地点和时间的限制[2,3]。

1 硫酸配酸工艺简介

硫酸配酸操作包括浓硫酸加料、混合搅拌及出料等步骤，主要工艺控制过程是通过浓硫酸泵和工艺水泵将浓硫酸和工艺水输送到一级混合器，初步混合后进入搅拌式混合器，在搅拌和循环方式下进行硫酸液混合。配酸操作过程中，通过流量传感器和pH值传感器检测浓硫酸流量，工艺水流量，以及混合溶液的pH值，通过比值控制系统调节浓硫酸和工艺水的加料量。当工艺参数满足要求后，打开三通返回阀，混合稀硫酸进入稀酸储罐中储存。

2 PLC程序设计

在对比值控制系统进行简化的基础上，分析硫酸配酸系统中泵、阀门的启闭和配酸的控制要求，确定系统中关键部件的操作过程、功能与时序。编制的PLC梯形图如图1所示，配酸过程启动，设置总开关X001(上升沿检测触点)；系统运行后，由输出触点Y001控制浓硫酸进口阀和工艺水进口阀的启闭，进行配酸操作，工艺水和浓硫酸在容器内混合，溶液pH达到设定值之后，三通返回阀触点Y002打开，根据工艺预设的出料时间来控制返回阀触点Y002关闭，实现稀硫酸出料操作；完成浓硫酸配酸过程，通过复位开关触点X002进行复位；设置开关触点X003控制出口阀Y003的启闭。

图1 配酸过程控制系统梯形图

3 配酸过程控制界面

根据硫酸配酸控制系统的工艺过程和控制要求，采用易控组态软件[4]设计配酸过程的监控界面、数据曲线及操作界面等(图2)。其中静态界面由标题栏、界面运行状态显示区、数值监控显示区和操控按钮区组成；界面动画包括流线设计、液位设计、开关设计及泵设计等。

图2 配酸时控制系统主监控界面

工程变量是易控工程中不断变化的数据，是实时数据库的基本构成单元。在易控工程中，根据硫酸配酸操作的实际情况，在工程窗口的“变量”节点下新建变量组“硫酸配酸”，双击“硫酸配酸”打开新建变量组，在工作区中进行工程变量配置。硫酸配酸控制系统涉及的变量有返回阀、进口阀、出口阀、输入值、pH值、总流量、混合器液位、工艺水流量、浓硫酸流量及扇叶等。在这些变量中，有些变量(如混合器液位、流量、pH值、系统运行开关及泵阀门的启闭等)可以通过画面与参数要求直接进行关联设置；而另一些变量设置则需要在程序设计时进行程序编写，作为中间变量运用到画面控制中。对这些变量的类型和参数也进行了设置，其中变量总开关、进口阀、返回阀和出口阀的类型设置为开关型，初始值设定为False；变量pH值和输入值类型设置为实数型，初始值设定为7.0，数值变化范围从0.0变化到7.0；扇叶设置为整数型，设定初始值和最小值为1；水流量、酸流量、水箱值和总流量设置为整数型，初始值设定为0、最大值100。

硫酸配酸操作(浓硫酸加料、搅拌混合和出料)的发生都按配酸操作条件依次发生。在易控用户程序设计时，为了实时展现各个配酸过程的动画显示和关联过程，工程采用用户程序将配酸操作条件准确表达出来，用循环方式和比值控制方式仿真硫酸配酸控制系统的操作过程。

设备变量指易控读写设备的信息，对PLC而言，主要是指寄存器信息。要实现易控工程与PLC设备的联系，需进行PLC程序的输入变量和输出变量分配，建立下位机PLC寄存器(设备变量)与易控组态软件变量(工程变量)的对应关系，也就是关联工程变量与相应的设备变量。具体操作过程是分析设计完成的梯形图和易控配酸工程，通过易控界面的“变量关联设置”建立设备变量和相应工程变量的联系，本工程需要关联的变量包括：X001触点←→总开关变量；Y001触点←→进口阀变量；Y002触点←→返回阀变量；Y003触点←→出口阀变量。

4 硫酸配酸过程仿真

硫酸配酸系统组态和PLC控制程序设计完成后，通过软件编译和运行，实现配酸过程的仿真。具体过程为：启动编程软件GX Developer，打开硫酸配酸系统PLC应用程序，点击GX Developer菜单栏启动仿真程序，校核完成后进入GX Simulator仿真运行界面，虚拟PLC自动设置为运行状态。同时，依次启动MX Component软件和硫酸配酸系统易控工程，实现虚拟GX Simulator仿真器与易控工程的通信联系。通信成功后，进入易控组态工程主界面，点击工具栏上的“运行”选项，硫酸配酸系统仿真运行，主监控画面按PLC程序设计显示虚拟硫酸配酸的各个操作过程。

在配酸系统的控制界面，硫酸配酸可以简化为两个简单的操作过程，一是点击系统总开关后，浓硫酸和工艺水在容器中的混合过程；二是稀酸溶液pH值达到要求后，三通返回阀打开，稀硫酸进行放液的过程。从仿真过程可以发现，易控工程在运行的过程中，GX Simulator仿真器中的PLC程序与控制界面的操作是同步运行的。通过易控工程组态界面的操作，可以实现配酸过程对下位仿真平台PLC程序的实时控制。同时，通过GX Simulator仿真软件也可以实现PLC下位机对上位机易控工程控制界面的反向同步操作，实现硫酸配酸系统的同步控制和仿真操作过程。

5 结束语

基于易控组态软件的工程设计，采用GX Developer、GX Simulator和MX Component软件构建了虚拟硫酸配酸操作的实验系统，在计算机上建立了易控组态软件和PLC仿真平台之间的联系，实现工业配酸过程上位机控制界面与下位机PLC的同步控制和仿真操作。该虚拟系统能模拟硫酸配酸操作，实现了数据查看功能，为操作者提供了安全、直观、完整的虚拟配酸操作平台。

[1] 蒋晓蕾.硫酸浓度测量的仪表选择[J].石油化工自动化,2016,52(2):50～53.

[2] 徐健.基于易控组态软件的液位监控系统设计与实现[J].工业控制计算机,2015,28(9):18～19,21.

[3] 王海涛,郑萍,陈彬,等.基于易控组态软件全虚拟PLC的实现及应用[J].微计算机信息,2010,26(25):83～85.

[4] 张贝克,尉龙,杨宁.组态软件基础与工程应用(易控INSPEC)[M].北京:机械工业出版社,2011.

RealizationofVirtualControlSystemforSulfuricAcidBlendingProcess

FAN Zhong-lei, YANG Lu, DING Ling, ZHANG Jian-dong
(SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity)

Taking sulfuric acid blending process as the controlled object, having INSPEC configuration software, GX Simulator software and MX Component software employed to build an experimental system for virtual sulfuric acid blending operation was implemented, including realization method of the experimental platform and the control process of the sulfuric acid blending. With support of MX Component software, the INSPEC configuration software can establish communication between the host computer and the PLC Simulator on a single computer; and the synchronous control and simulation of the virtual control system can be realized for sulfuric acid blending process.

sulfuric acid blending system, synchronous control, INSPEC configuration software, GX Simulator, MX Component

TH862+.6

A

1000-3932(2017)04-0362-03

2016-09-05，

2016-12-15)

河南省重点科技攻关计划项目(152102310063)。

范忠雷(1972-)，副教授，从事化工过程装备控制技术的研究，zhlfan@zzu.edu.cn。