基于S7-1200 PLC的低温纯化器控制系统设计①

方 明 欧阳峥嵘 周辰飞

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

基于S7-1200 PLC的低温纯化器控制系统设计①

方 明 欧阳峥嵘 周辰飞

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

介绍了稳态强磁场实验装置中40T混合磁体低温纯化器控制系统的设计方案。该方案基于S7-1200 PLC，以KTP 600触摸屏为人机界面，实现了结合数据采集、温度控制、逻辑运算及画面监控等功能于一体的自动化控制系统。基于PLC和温度控制器的温控策略实现了温度控制的双重保障。人机界面实现了纯化器纯化、再生和抽空3种模式下的温度、压力、液位和流量各数据的实时显示，以及对阀门和泵的自动控制。

S7-1200 PLC 纯化器 控制系统

稳态强磁场实验装置(SHMFF)是为化学、材料、物理以及生命科学研究和多学科交叉研究提供理想稳态强磁场极端实验条件的装置，可最大程度地满足我国多学科前沿发展对强磁场实验条件的需求[1]。稳态40T混合磁体是SHMFF的核心装置，由磁场强度为30T的内水冷磁体和10T的外超导磁体构成。外超导磁体的冷源由液氦制冷机系统经过低温分配阀箱的超临界氦提供。

纯化器作为液氦制冷机系统中必不可少的部分，在为混合磁体提供高纯度氦气方面起着至关重要的作用。目前的纯化器控制系统稳定性较低，自动化程度不高，且在纯化器再生过程中的温控系统不够全面。笔者提出的纯化器控制系统针对上述情况做了专门优化，同时对纯化器再生过程的温控系统进行改进，并将纯化器控制系统与低温控制系统和混合磁体中央控制系统组网通信，最终实现更加稳定高效的纯化器自动化控制系统。

1 工艺原理

氦液化装置的原料气是从天然气或空气中提取的。由于工艺条件的限制，氦气的纯度为99.99%，尚含有少量杂质气体，又因在运转过程中使用湿式气柜时会使少量油蒸气等杂质渗入氦气，同时试验装置(例如恒温器)的回气中往往会渗入一定的空气和水分。因此，氦液化装置需设有纯化系统。氦气的纯化通常是在室温下清除油气和水蒸气，在低温下清除杂质气体[2]。

笔者介绍的纯化器装置属于高压器外纯化系统，即纯化器设置在压缩机与制冷机之间的管路上，原料气(部分为回收氦气)在进入制冷机之前完成纯化过程。纯化后的氦气存储在缓冲罐中用于制冷机供气和压缩机前端低压时补气。纯化器回路系统结构如图1所示。

图1 纯化器回路系统结构

纯化器系统主要由干燥筒和吸附筒构成，干燥筒的主要部件是位于上部的换热器和下部的纯化筒。换热器是套管式盘管结构。原料气首先经过干燥筒去除油气和水蒸气，再进入吸附筒。在吸附筒内经过盘管换热器冷却，进入纯化筒，纯化后的氦气经套管的另一通道复热后流出纯化器。纯化器由5个盛有活性炭的容器串并联而成，这些活性炭有不同的结构和型号，分别对杂质气体中含量最大的氮气和氧气有不同程度的吸附效果。纯化器工艺流程如图2所示。

图2 纯化器工艺流程示意图

2 控制系统设计方案

笔者所述的纯化器系统主要分为纯化、再生和抽空3种模式。纯化模式中脏氦气由干燥筒入口进入系统，经过干燥筒、盘管换热器和纯化筒纯化后变为纯氦气输出。纯化器再生时有Dryer和Absorber两种不同模式，分别对应干燥筒的再生和吸附筒的再生。抽空模式同样也分为干燥筒抽空和吸附筒抽空两个环节。

纯化器控制系统是基于S7-1200微型PLC和触摸屏KTP 600而设计的，相较其他方案在兼容性方面有很大优势。S7-1200 PLC使用模拟量输入模块和RTD模块将纯化器中各处的温度、压力、液位及流量等信号进行采集处理，再使用数字量输出模块控制系统中的各阀门、抽空泵和加热器。

图3为纯化器的控制系统设计方案，CPU选用1214C型微型PLC，在开发新的S7-1200 PLC过程中，西门子强调控制器、人机界面和软件之间的无缝集成和完美整合。因此，新的S7-1200微型PLC具有灵活性和可扩展性，实现了紧凑设计下的高性能，并且仍然适合在较低的性能范围内实现最复杂的任务。交换机选用SCALANCE X204-2，人机界面采用KTP 600 Basic mono PN触摸屏。

图3 纯化器控制系统设计方案

PLC通过交换机，以Profinet协议与触摸屏通信，同时兼容S7-300 系列PLC的Profibus-DP总线网络，可与低温分配阀箱控制系统和制冷机控制系统实时通信。纯化器控制系统与低温分配阀箱控制系统以及制冷机控制系统共同作为混合磁体中央控制系统的子系统，在混合磁体运行过程中与它保持实时数据交换。

3 纯化器再生温控系统

3.1 原温控系统介绍

再生模式分为干燥筒再生和吸附筒再生两个环节，分别要求不同的温度控制策略。干燥筒再生模式下，要求温度控制在100～130℃，而吸附筒再生模式下，则要求温度控制在50～80℃。

改造之前的纯化器再生模式的温控系统是由两个温控器实现的。加热器出口的温度由传感器模块分别输送到两个温控器中。干燥筒再生模式下，温控器1工作，当温度达到130℃时，温控器1高温报警开关打开，通过继电器将加热器电源断开，使系统温度不再上升；当温度低于100℃时，温控器1低温报警开关打开，通过继电器重新闭合加热器电源，使系统温度上升。吸附筒再生模式下，温控器2工作，当温度达到80℃时，温控器2高温报警开关打开，通过继电器将加热器电源断开，使系统温度不再上升；当温度低于50℃时，温控器2低温报警开关打开，通过继电器重新闭合加热器电源，使系统温度上升。

3.2 基于PLC的温控系统

改造后的温控系统利用PLC的模拟量输入模块，将加热器出口的温度采集到PLC中，通过PLC的逻辑运算，再输出控制加热器。同时，将原系统的两个温控器换成一个E5CC-800系列温控器，该温控器可同时设置两个温度范围，在不同的模式下输出不同的超限报警信号。另外，将加热器内部的温度接入该温控器，将报警信号串入加热器控制回路，与PLC控制系统并用，实现再生模式下温控系统的双重保障。

Dryer模式下的PLC温控系统的程序如下(Absorber模式下的温控程序与之类似)：

A “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Dryer

= L 16.0

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.000000e+002

)

L S5T#30S

SD T 1

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

)

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.250000e+002

>R //判断加热器出口温度范围区间

)

L S5T#30S

SD T 2

A L 16.0

A(

L “Data_Sensor”.T1217_RealValue

L 1.300000e+002

>R //判断加热器出口温度范围上限

)

L S5T#30S

SD T 3

A L 16.0

FP M 3.0

R M 1.6

A T 1

FP M 1.0

S "Heater EH1540_Dryer" //输入命令控制Dryer模式下的加热器

A(

O T 2

O T 3

O M 1.6

)

FP M 1.2

R "EH1540_Dryer"

A M3.0

R “Digital & Value Input_HMI”.EH1540_Start_Absorber

//将Absorber模式下的命令清除，形成互锁程序

4 人机界面设计

控制系统的人机界面是基于KTP 600 Basic mono PN触摸屏开发的，该触摸屏配备了5.7英寸的单色显示屏，是S7-1200系列PLC理想的HMI组件。组态软件是TIA Portal V13，该软件与原有的STEP7循规蹈矩的编程方式不同，它集成了现代化办公软件的功能，并配以类似设备原貌图形化的组态方式，使用户能够灵活、轻松、快速地完成自动化控制设计任务。

控制系统的人机界面主要分为Purification、Heating和Vacuum3个界面，分别对应纯化、再生和抽空3种工作模式。纯化模式界面如图4所示。

图4 纯化模式界面

如图4所示，脏氦气经过干燥筒和吸附筒后变为纯氦气输出，界面呈显了整个纯化流程各处的压力、温度、流量及吸附筒的液位等。FV1319为吸附筒液氮补充阀门，受程序自动控制，使液位稳定在一定范围内，操作人员也可在界面上控制该阀门手动补液。

图5为再生模式界面，显示了再生模式下系统各处的温度、压力及流量等信息。界面中间所示为干燥筒再生模式和吸附筒再生模式的控制窗口，当Dryer模式开始后，系统会实时检测加热器出口温度T1217，当T1217超出设定的Dryer模式温度范围时，系统会自动控制加热器H1300调节再生温度。Absorber模式下亦是如此。

图5 再生模式界面

抽空模式界面如图6所示，该界面比较简单，图中的3个压力传感器分别显示了抽空模式下干燥筒、吸附筒和抽空泵前级的压力。操作人员可在该界面控制抽空泵VP1401使系统进入抽空模式。

图6 抽空模式界面

5 结束语

介绍了基于S7-1200 PLC设计的混合磁体纯化器控制系统的实现方法，并利用PLC强大的逻辑运算和数据采集功能，改进优化了纯化器再生模式下的温度控制策略，实现了温控系统的双重保障。基于KTP 600触摸屏实现的人机交互界面直观、清晰地显示纯化器的纯化、再生和抽空3种模式，并在每种模式的界面上显示系统各处的温度、压力、液位及流量等数据，且可对相应泵和阀进行控制。

S7-1200 PLC和KTP 600触摸屏在软件编程和画面组态上有着更强的兼容性，可在TIA Portal V13软件的同一个项目中完成。且S7-1200 PLC支持的Profinet通信总线网络可以兼容工业以太网和Profibus等通信协议，在工业自动化领域有很好的发展前景。

[1] 仇文君，欧阳峥嵘.基于PLC的SHMFF磁体冷却水水温控制系统[J].化工自动化及仪表，2016，43(12):1248～1252.

[2] 张祉佑，石秉三. 低温技术与原理装置[M].北京:机械工业出版社，2006.

DesignofHypothermiaPurifierControlSystemBasedonS7-1200PLC

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, ZHOU Chen-fei

(HighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The design scheme for hypothermia purifier control system of 40T hybrid magnet in steady magnetic field experimental device was introduced, which has S7-1200 PLC based and the KTP 600 touch screen adopted as the man-machine interface to design an auto-control system which boasting of data acquisition, temperature control, logic operation and image monitoring; and the temperature control strategy based on PLC and temperature controller can realize the dual protection of temperature control; and the man-machine interface can display the temperature, pressure, liquid level and flow at real time in three modes of perfection, regeneration and vacuum of the purifier and it can implement auto-control over the valve and pump.

S7-1200 PLC, purifier, control system

TH865

A

1000-3932(2017)08-0725-05

2017-02-04)

方明(1989-)，工程师，从事控制系统维护工作，fangming4230@163.com。