高温高压反应釜自控系统的设计①

冯 梅 姜联成 苏会忠

(中国工程物理研究院化工材料研究所)

高温高压反应釜自控系统的设计①

冯 梅 姜联成 苏会忠

(中国工程物理研究院化工材料研究所)

根据高温高压反应釜的工艺流程和要求，设计了一套自控系统。硬件采用计算机、PLC和串行通信控制技术；软件采用Step7，利用程序实现信号采集、信号处理、数据转换和过程控制；采用组态王实现工艺流程的实时操作和控制、工艺数据的实时显示与报警；采用Modbus协议实现串口通信。运行结果表明：该系统自动化程度高、稳定性好、操作方便。

自控系统设计 高温高压反应釜 Modbus协议 组态王

反应釜是一种用于完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合及缩合等工艺过程的压力容器，广泛应用于石油、化工、橡胶、医药及食品等行业。常规的反应釜控制由人工在生产现场操作实现，工作环境危险恶劣，无法满足防爆的安全要求，且劳动强度大。同时，由于人为因素的影响，导致产品稳定性较差。

高温高压反应釜是中国工程物理研究院化工材料研究所的重要设备，主要用于在高温、高压、搅拌条件下，完成几种原材料的带压合成化学反应，通过合成制备得到合格的化工产品。然而由于易燃易爆场合生产的特殊性和安全性要求，需要设计一套高温高压反应釜自控系统，以满足自动控制、远程控制和防爆设计的要求，实现化工生产过程的自动化。

1 系统硬件部分

1.1 系统结构

高温高压反应釜自控系统结构框图如图1所示。系统以计算机和PLC为核心，PLC与工控计算机之间通过专用通信电缆进行连接，PLC与显示仪表、变频器通过RS485网络进行连接。PLC接收来自现场传感器和操作电器按钮、旋钮的信号，通过程序进行计算后输出信号控制加热器、搅拌电机，使温度、搅拌转速自动控制在设定值上，最后按要求控制相应的泵和阀动作。

图1 高温高压反应釜自控系统结构框图

1.2 硬件设计

由于反应过程输入、输出设备较多，过程控制较为复杂，传统的继电器控制方法已经很难满足设计要求。而PLC由于具有可靠性高、抗干扰能力强、编程操作灵活方便、硬件配套全、适应性强及易于调试扩展等优点，已广泛应用于工业过程控制中[1]。

PLC作为核心控制器，负责完成系统各执行部件的逻辑顺序控制、信号采集、数据运算与处理等功能。根据系统控制要求，分析PLC的输入、输出信号，从而确定PLC的I/O点数为12个数字量输入、7个数字量输出和两个模拟量输入。其中，数字量输入信号主要包括远/近控防爆操作箱的按钮、旋钮(如远/近控选择、搅拌启/停、进气启/停、出气启/停、出料启/停和加热启/停)、控制台的急停按钮。数字量输出信号主要包括搅拌、进气、出气、出料及加热等泵、阀的状态指示灯。模拟量输入信号主要包括温度和压力。

综上，笔者选用S7-200系列CPU224，既能实现系统控制要求，又能满足扩展需求。

2 组态软件部分

组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，是在自控系统监控层一级的软件平台和开发环境，具有灵活的组态方式，用户可借助组态软件快速构建工业自控系统的监控功能[2]。组态软件具有实时多任务特征，可在工业控制系统中同时进行工业现场实时数据采集、处理、存储、检索、显示、图形动画展示、报表报警显示及实时通信等多个并行任务[3]。

由于高温高压反应釜现场与控制室位置分散，距离较远，给系统的运行、维护和管理带来不便。因此，笔者采用先进的生产控制软件技术，实现生产线的集中控制与管理。

2.1 设计平台

系统组态采用组态王6.55平台进行开发，进入组态王组态环境，新建工程“高温高压反应釜控制系统”。

配置与组态王连接的PLC相关参数。在新建PLC连接下，根据Step7中的符号表和数据块来建立新的外部变量，并设置变量地址。在组态王工程浏览器的工程目录显示区选择，设备、新建、设备配置向导，然后配置所连接PLC的各项参数，包括设备、生产厂家、通信方式、设备名称、设备地址、波特率、奇偶校验、通信超时及宕机时间等通信参数。

数据库是组态王软件的核心部分。图形界面系统、I/O驱动程序等组件均以数据库为核心，相互通信、共享数据是联系上位机和下位机的桥梁。在组态王中，数据库中变量的集合称为数据词典，它定义了每一个数据变量的变量名、变量描述、变量类型和ID。

在界面中调用元件库中所需的元件组建主界面，用于实时显示工艺参数、设置工艺参数、动画显示设备运行状态、历史报表及实时报警信息等。

2.2 设计界面

组态软件具有远程设备操作、参数设置及参数显示等功能，包括初始界面、操作界面、实时曲线和历史曲线。其中初始界面如图2所示，操作界面如图3所示。

图2 初始界面

图3 操作界面

主界面主要负责设备的远程控制与实时监测，包括参数设置区、状态显示区、参数显示区和报警显示区。参数设置区用于设置需要控制和报警的工艺参数，包括温度控制值、转速控制值、压力报警值、转速报警值和温度报警值。状态显示区用于设备运行状况的显示，能够表征设备的运行过程、显示设备的各种状态，如搅拌启动时，搅拌桨会有转动的动画显示，进气、出气、出料阀启动时，会有介质流动的动画显示。参数显示区用于显示工艺参数，包括釜内温度、釜内压力、搅拌转速和夹套温度。报警显示区用于超限报警，当温度、压力或转速超过设定值时，系统会自动停止加热、搅拌等动力动作，在报警显示区显示“温度超限”等闪烁提示信息并发出声光报警，排除异常后，报警自动解除。

3 串口通信

3.1 Modbus通信协议

Modbus是一种串行异步通信协议，典型的物理接口是RS485。

串行通信是以二进制的位(bit)为单位的数据传输方式，每次只传递一位，除了公共线以外，一个数据传输主向上只需一根数据线。计算机与PLC都有通用的串行通信接口，如RS232C和RS485[4]。

在本系统中，只需两根线就能使多台显示仪表与PLC进行通信。仪表的RS485通信接口采用光电隔离技术将通信接口与仪表的其他部分隔离，工作可靠性较高。

3.2 硬件连接

物理连接方式为双绞线。PLC与夹套温度显示仪表、釜内温度显示仪表、釜内压力显示仪表、转速显示仪表、PID调节仪表、变频器之间采用RS485进行通信。PLC设置为自由口通信。自由口通信方式是S7-200 PLC一个很有特色的功能，它可以使PLC通过PPI接口与任何通信协议公开的其他设备和控制器进行通信[4]。PLC与变频器的RS485连接如图4所示。

图4 PLC与变频器的RS485连接示意图

3.3 参数设置

PLC与夹套温度显示仪表、釜内压力显示仪表、转速显示仪表、釜内温度显示仪表、PID调节仪和变频器之间均需要进行通信设置，并保持一致。

变频器投运前需要进行功能参数设置。本系统采用E800型变频器，通信参数包括5个：通信地址、通信模式(RTU)、奇偶校验、波特率和通信延时。具体见表1。

表1 变频器通信参数

系统各显示仪表的通信参数共包括两个：通信地址和波特率。高温高压反应釜内温度的显示仪表、釜内压力显示仪表、转速显示仪表、夹套温度显示仪表、PID调节仪的通信地址分别设置为3、4、5、6、7，波特率均设置为9 600。数据传输格式为：起始位一位，数据位8位，停止位两位，无奇偶校验位。

3.4 软件编程

软件编程主要包括通信初始化、读通信和写通信。在用PLC或其他智能设备远程控制变频器时，需保证通信两端的通信协议、波特率及校验方式等参数一致。

通信初始化模块MBUS-CTRL用于定义通信的初始化。在该模块中，定义Mode=1时为启动Modbus；波特率Baud=9600；Parity=0，即无校验；响应超时Timeout=1000ms。

读、写通信模块MBUS-MSG用于启动对Modbus从站的请求并处理应答。以读夹套温度为例，在该模块中，定义First=1时为启动对Modbus从站的请求；从站地址Slave=3；RW=0，读数据；Modbus地址Addr=40004；读取的数据元素个数Count=1；数据指针(CPU存储器的位置)DataPr=VB100；Done=M10.0是完成标志；错误位Error=MB13。

通信程序流程如图5所示。首先进行通信初始化，然后分别读夹套温度、釜内温度、釜内压力和变频器频率，写变频器启动、变频器频率和控制温度。每次读、写操作均需要调用相应的功能块。

4 结束语

笔者设计的高温高压反应釜自控系统采用PLC、组态王及串行通信等技术，实现了高温高压反应釜的自动控制。运用串口通信方式实现了对全部显示仪表的远程读/写通信，实现了温度、压力等工艺参数的实时采集、远程同步显示和自动控制。既提高了控制精度，又降低了成本。采用组态王开发的人机交互系统大幅提高了操作的数字化和可视化，也给工艺数据管理、生产报表带来了便利。同时，该系统的安全性和操控性也得到了大幅提高，目前已通过验收，并利用该系统合成得到了产品。该产品是某重点项目选用的关键原材料之一，其关键性指标优于预期要求，为后续生产和相关试验的开展奠定了良好基础。

图5 通信程序流程

[1] 边春元,任双艳.S7-300/400 PLC实用开发指南[M].北京:机械工业出版社,2007:7～8.

[2] 徐绍坤,程加堂,罗瑞.电气控制与PLC应用技术[M].北京:中国电力出版社,2015:235.

[3] 左娇.面向工控领域的组态软件的画面组态实现[J].物联网技术,2014,(3):79～81.

[4] 郭利霞,李正中,陈龙灿.电气控制与PLC应用技术[M].重庆:重庆大学出版社,2015:282,288.

TheDesignofAuto-controlSystemforHigh-temperatureandHigh-pressureReactionTank

FENG Mei, JIANG Lian-cheng, SU Hui-zhong

(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics)

Through considering the process and requirements of high-temperature and high-pressure reactor, an auto-control system was designed independently. In which, having industrial computer, PLC and serial communication technologies adopted for the system hardware design and Siemens Step7 employed to realize signal collection and converting, data converting and process control and having KingWIEW software used to achieve real-time operation and control, real-time display and alarm as well as having Modbus protocol adopted to realize the serial port communication. The running effect shows that this system has high degree of automation, good stability and convenient operation.

auto-control system design, high-temperature and high-pressure reactor, Modbus protocol,KingVIEW

TH862

B

1000-3932(2017)08-0730-04

2017-01-22，

2017-03-15)

冯梅(1972-)，高级工程师，从事生产线和设备自动控制系统的设计和维护工作，fengmei@caep.cn。