基于PLC的氯化聚乙烯生产控制系统的设计与实现.pdf

5 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第4期 基 于 P L C 的氯化 聚 乙烯 生产控 制 系统 的设 计 与实现 葛跃田， 徐春霞 克拉玛依职业技术学院 电子与电气工程 系， 新疆 独 山子 8 3 3 6 0 0 摘要 根据新疆独山子某小型4 _v - Y - 氯化聚 乙烯生产工艺流程和控制要求， 从 系统硬件组态和 软件设计 2方面探讨 了 s 73 0 0型 P L C在聚 乙烯氯化过程 中的应用。在设计 中， P L C充 当温度控 制器， 变频器作为压力控制器构成2个独立的闭环系统进行 自动调节； 利用 K i n g v i e w组态软件实现 上位 机监控 ， 模 拟现 场画 面 ， 显 示所 需监 控 的现 场设备 。经 过运行 显 示 ， 该 系统调节 准确 ， 稳 定 了釜 内温度， 同时节约了设备投资。 关键词 氯化聚 乙烯； P L C； 变频器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 4 0 0 5 6 0 3 De s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f pr o c e s s c o nt r o l s y s t e m o f CPE ba s e d o n PLC GE Yu e t i a n， XU Ch un x i a E l e c t r o n i c＆E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p t ．K a r a ma y V o c a t i o n a l ＆ T e c h n ic a l C o l l e g e ， X i n j ia n g D u s h a n z i 8 3 3 6 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r di n g t o t h e p r o c e s s a n d c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f CPE i n s o me c h e mi c a l mi l l ，t hi s p a p e r d i s c u s s e d t he a p p l i c a t i o n o f S i ma t i c S 73 00 PLC f r o m h a r d wa r e a n d s o f t wa r e ．I n d e s i g n．a s t h e t e rn p e r a t u r e a n d p r e s s u r e c o n t r o l e m ，PLC a n d f r e q ue n c y c o n v e r t e r a n d o t h e r e l e me n t s f o r m t wo i n d e p e n d e n t c l o s el o o p s y s t e ms ．An d a d o p t e d t h e Ki n g v i e w c o n fig u r a t i o n s o f t wa r e t o s i mu l a t e fi e l d s t a t e，a n d d i s pl a y t h e me n us o f wa t c h e d e q u i p me n t s ．By o p e r a t i n g，t h e s y s t e m r e g u l a t e s a c c u r a t e l y，t e mp e r a t u r e o f t h e r e a c t o r s t a b l e，a n d s a v e s t h e i nv e s t e me n t o f t h e e q u i p me n t ． Ke y wor d s CPE；PL C；fre q u e n c y c o n v e r t e r 0 引言 氯 化 聚 乙烯 C h l o r i n a t e d P o l y e t h y l e n e ， 简 称 C P E 是氯化高密度聚乙烯 H D P E 而得到的无毒 无味的聚合体。由于氯化聚乙烯分子 中氯含量的不 同， 使其具有了塑料和橡胶 的双重特性 ， 可以将其广 泛应用于树脂改性 、 橡胶加工、 涂料 、 粘合剂和工程 塑料等多个方面。新疆独山子某小型化工厂采用沸 腾床固相氯化工艺生产该产品， 沸腾床工艺是在沸 腾床反应器中使 P E粉 固体颗粒悬浮于氯气气流之 中， 在一定温度和引发剂存在的条件下 ， 发生氯化反 应生成的 C P E， 此氯化工艺可根据用户 的需要生产 收稿 日期 2 0 1 0 0 42 2 基金项 目 新疆维吾尔 自治区高校科研计划青 年教师培育基 金 项 目 X J E D U 2 0 0 9 S 1 1 0 0 9 作者简介 葛跃 田 1 9 7 5 ， 男 ， 江苏南通人 ， 工学 硕士 ， 讲 师， 主 要从事电气传动、 过程控制系统方面研究。 氯化程度不同、 黏度指标不同的 C P E产品 。出于 成本考虑， 该厂仍然采用较为传统的生产控制方法 ， 也就是根据仪表显示人工控制阀门、 变频器等 ， 该工 艺 由于其反应釜内的温度控制存在大滞后、 大惯性 的特点 ， 从而影响产品的质量。因此高效、 稳定地控 制反应釜内温度 ， 对于产品质量来说具有十分 重要 的意义。为了提高产品质量 ， 该厂引人 了 自动化技 术来改变其控制方法。 该文主要针对 C P E生产需求和工艺流程 ， 利用 P L C及变频器设计了一套 自动控制系统， 主要包括 前期与后期置换 、 压力控制、 温度控制 3个子系统， 该系统 目前 已经成功应用。 1 生产工艺简介 C P E的生产设备主要由液氯汽化设备、 反应釜、 循环再利用设备 3部分组成 ， 其中反应釜为核心设 备 ， 它配有搅拌 、 加热 、 冷却等辅助设备。 2 0 1 0年第 4期 工业仪表 与 自动化装置 5 7 C P E生产过程主要包含前期置换 、 反应过程 和 后期置换 3个阶段。其主要设备及工艺示意图如图 1 所 示 。 ● 图 1 C P E生产工艺 图 第 1阶段 是前 期 置 换 ， 将 反 应 釜 温度 升 至 4 5 ℃ ， 开始加料 、 封盖 ， 同时慢速搅拌并通入 氯气 ， 当釜 内压力上升到一定值时再进行排空处理 ， 然后 再次通人氯气 ， 一直反复， 直至液氯消耗至 1 0 k g为 止 ， 如此做的 目的是将釜内空气排空 ； 第 2阶段是反 应过程 ， 它是整个工艺过程的核心 ， 在此过程 中将反 应釜继续升温至 6 0 c 【 ， 起动循环泵 ， 并将搅拌器电 机频率 由3 0 Hz 缓慢升至 5 0 H z ， 这时根据所消耗液 氯的质量来进行精确 的温度控制 ， 温度控制指标如 表 1 所示 表 1 温度控 制指标 第 2阶段需要注意 2点 1 由于 C P E的生产是 放热反应 ， 根据生产经 验， 在反应过程的后半部分 的釜 内温度需采用冷却 水进行温降控制 ； 2 重要设备循 环泵的转速决定整个工艺 的循 环速度 ， 循环速度和液氯流量配合又能调节釜内压 力 。 第 3阶段后期置换就是出料前降温等准备工 作。 2 生产设 备的控 制系统 方案 2 ． 1 控 制 目标 C P E生产系统的控制 目标是反应釜内压力 超 出允许范围的前提下 ， 使其釜内温度与液氯消耗量 按工艺要求成一定的比例 ， 从而使 系统能正常 、 稳定 运行 。 2 ． 2具体控制方案的设计 反应过程是 C P E生产的核心阶段 ， 也是控制的 难点 ， 它分 2部分 。 1 釜内温度控制 。釜 内温度根据 工艺要求按 照液氯消耗量分为 4个档次 ， 每个档次对温度都有 严格的要求 ， 由于是放热反应 ， 釜 内温度也与液氯消 耗量成正 比， 而液氯消耗量实际上就是氯气进气量。 这样氯气进气量的变化既影响釜内压力 ， 又影响釜 内温度 。 2 釜内压力控制 。釜 内压力与氯气进气量 成 正比， 与循环速度即循环泵电机的转速成反 比。 根据反应过程控制要求 ， 设计 了温度控制系统 和压力控制 系统 2个 闭环 系统。在压力控制 系统 中， 将 氯气流量作为扰动处理 ， 采用循环泵转速来调 节釜 内压力 ， 氯气流量 和冷却水流量来调节釜 内温 度 ， 使得 2个闭环系统相互独立 ， 很大程度上简化了 整个系统的控制复杂度。控制框图如图 2和图 3所 示 温 度 图 2 温度控制系统框图 图 3 压力控制 系统框 图 3 控制 系统的实现 3 ． 1 控制系统硬件实现 C P E生产设备 自动化改造系统硬件结构如图 4 所示 ， 主要由以下几部分组成 1 操作站。考虑到控制室环境较理想 ， 操作站 采用普通 P c机实现 ， 完成对 系统工艺参数 的监视 与控制。 2 P L C S 73 0 0组成 的控 制站。系统 采用 的 S i m a t i c S 7 3 0 0 P L C具有强大的控制能力 、 运算速 度、 网络功能和较优的性价 比， 目前在 国内外 自动控 5 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 0年第 4期 能 各 图 4控制系统结构图 制系统 中广泛应用 ， 同时它还在系统 中担任温度控 制器的角色。 根据控制 目标和工艺要求 ， 控制站要完成对系 统参数的检测 、 报警及控制等功能 ， 在整个生产过程 中， 系统需要控制和检测的变量有 A I 8 ； A O 6 ； D I 1 0 ； D O 2 8 ； 各 I ／ O点数有 1 5 ％左右的冗余 。 系统选用 S 73 0 0主站加 E T 2 0 0 M从站。主站 的功能主要是采集温度、 压力 、 变频器输 出频率及流 量等模拟信号和电磁阀的阀位反馈信号 ， 同时输 出 对温度 、 压力、 变频器输 出频率及流量 的控制信号 ； 从站的功能主要是采集 电机 电流、 转 子电流等模拟 信号和电磁 阀的故障、 状态等数字信号 ， 同时输 出对 电磁阀启停等控制信号； 另外 ， S 73 0 0 P L C的模拟 输出电压还对搅拌电机变频器进行频率控制。 主站与从站 之间采用 P r o fi b u sD P实现通信。 主站 s 73 0 0的 C P U 3 1 5一P N ／ D P自带一个 D P接 口， 可直接 与 MP I 或 D P总线相连 ， 其通 信速率为 1 ． 5 Mb p s ， 可传输最大距离为 4 0 0 m_ 2 J 。 3 压 力 控 制 器。系 统 采 用 丹 佛 斯 变 频 器 V L T S 0 0 0 A Q U A作 为压 力 控 制 器。V L T S O O O A Q U A 的内置 P I D调节使系统 中的压力控制安装 、 调试变 得较为简单 ， 作闭环运行时 ， 不需要额外安装其他部 件 ， 只需要设置相应的给定参考值或者运行设置点 和反馈信号的拾取方式等 ， 更重要的是其控制精确 、 稳定 ， 对产品质量的提高有重要的作用。 3 ． 2控制系统软件实现 系统的编程软件采用S i m a t ic 公司的S T E P 7 ， 主 要完成系统的保护、 控制和数据采集等功能。 针对 C P E生产工艺流程的特点， 采用结构化编程 的方法编制控制程序 ， 这种方法具有程序结构层次清 晰、 部分程序通用化和标准化、 简化程序调试的优点。 主程序编写在组织块中， 它依次调用各功能模块， 通过 在 O B 1中调用这些功能模块就完成对系统的控制。下 面对控制系统程序的各个功能模块进行说明 1 采样子程序 将流量 、 温度、 压力及变频器频率等模拟量输入 读 回并顺 序存 人数据块 。其 中输入模块的起始地 址 、 通道数、 存储数据块的块号及数据在数据块中的 存储位置是可变的， 可在调用时确定 。 2 滤波子程序 由于现场电磁干扰等原因， 会造成输人信号的 突变， 为了消除信号突变造成的不 良影响 ， 编制了滤 波子程序 ， 就是将每个通道每 1 0次连续采样的数据 进行求平均值计算 ， 这样实际上起到 了软件滤波作 用 引。 3 前期置换 、 后期置换子程序 前期置换和后期置换 由 P L C的顺序控制完成。 在前期置换过程中， 根据釜 内压力控制氯气进气阀、 排空阀、 碱阀、 碱泵的启停以及反应釜加热控制。对 电磁阀的启停控制是 P L C最基本 的控制应用， 为了 保障安全， 这里选用的电磁阀均为常开型， 即因故障 掉 电后 ， 电磁阀处于开通状态 ， 这样可以采用手动方 式控制。反应釜的加热 ， 根据工艺要求是一直到釜 内温度达到 1 0 0℃后， 1 2个加热棒在 P L C控制下逐 次停止工作。 4 温度控制程序 在温度 控制子 程序 中， 采用 S 73 0 0 自带 的 P I D控制功能块 F B 4 1来实现， 它 由比例运算、 积分 运算和微分运算 3部分并联 ， 可以单独激活或取消， 具有积分初始化 、 手／ 自动无扰切换 、 输出限幅、 防止 积分饱和等一系列功能。在系统 中， 由于温度是分 档控制的， 所以每个档次中其给定值均不同， 因此在 程序设计中要累计氯气流量得 到氯气消耗量 ， 再根 据消耗量来设定温度给定值。而在独立的一个档次 内， 则要根据温度的给定值 以及温度变送器反馈值 来调节氯气进气阀开度及冷却水 阀的启停 ， 从而实 现温度控制。 5 模拟量变换 采集到的模拟信号变化范 围为 4～ 2 0 mA， 输人 到 S 7 3 0 0的 C P U经过 A ／ D转换后 ， 其数值变化范 围为 0～ 2 7 6 4 8 。采用公式 数字量 1 7 2 8模拟 值 一 6 9 1 2进行转换 。 6 报警子程序 当测量值大于上限值或小于下限值时， 输 出报 警信号。 3 ． 3 控制 系统 组态 实现 上位机软件采用 K i n g v i e w组态王软件。组态 是北京亚控科技发展有 限公 司开发 的一种组态软 下转第 1 1 2页 1 1 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 4期 可得到各个力模糊控制器 的匹配值 ， ∞ ， ⋯， 。 假设 ， u ， ⋯， u 分别为图 1中各个模糊控制器 的 输出， ， ， ⋯， 为各个模糊控制器输出加权值 。 2 仿真研 究 为了检验所提出的力控制方案的有效性 ， 对常 规位控机器人力控制进行了仿真研究 。模糊控制器 的个数 n为期望接触环境的个数 n ， 文中选取 了 4 种接触环境 ， 有 4个相应的模糊力控制器与之对应 ， 但在系统实际运行时 ， 不可避免 的要接触其他未知 环境 ， 这时的力控制器采用文中所述方式进行调节 。 图 4阶跃 响应 在仿真中只考 虑一个位控末端执行器坐标 ， 可 以用一个二 阶连续系统对其进 行建模 ， G s 了 。要求跟踪的接触力为 F 4 0 N。在 t s ‘ 6s 2时 ， 接触环境 由泡沫变成橡胶 ， 在整 个受限运动 中， 无论环境变化与否 ， 该算法都取得了较高的力控 制精度。 3 结论 该文采用 2个模糊逻辑系统分别取代模型参考 自适应系统中的常规自适应机构和传统反馈控制器， 构成模型参考模糊 自适应控制系统。模糊 自适应机 构对环境刚度进行在线估计 ， 使得系统输 出与参考模 型保持一致。结合被控对象， 设计了位控机器人系统 模糊 自适应估计环境刚度控制器。仿真结果表明无 论环境变化与否 ， 都可以取得较高的力控制精度。所 做的工作可为那些需要进行力控制的机器人应用研 究 如精密装配、 医疗接骨等 提供借鉴。 参考文献 [ 1 ] 张锟 ， 韦庆， 常文森．一种基于力／ 位混合控制进行插 孔作业的策略[ J ] ． 机器人， 2 0 0 2 ， 2 4 1 4 4 4 8 ． [ 2 ] G a r y G Y e n ， P e d r o G D e L i m a ． I m p r o v i n g t h e p e rf o r m a n c e o f g l o b a l i z e d d ua l he u r i s t i c p r o g r a mmi ng f o r f a u l t c o n t r o l t h r o u g h a n o n l i n e l e a r n i n g s u p e r v i s o r [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n Au t o ma t i on S c i e n c e a n d En gi n e e r i n g，2 0 05， 2 2 1 2 1 1 3 1 ． [ 3 ] C u i m e i B o ， Z h i q u a n Wa n g ． T h e o n l i n e m o d e l s b a s e d f a u l t t o l e r a nt c o n t r o l for mul t i p l e s e ns o r f a u l t o f mu l t iv a r i a b l e n o n l i n e a r p r o c e s s e s [ C] ． 2 0 0 6 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ne ur a l Ne t wo r ks，2 00 6 9 3 69 4 3． [ 4 ] 李二超 ， 李炜． 在未知 环境下面 向位 控机器人 的力／ 位 混合控制[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 7 ， 3 2 6 6 5 7 6 6 1 ． [ 5 ] 王磊 ， 柳 洪义 ， 王菲． 在 未知 环境 下 基于 模糊 预测 的 力／ 位混合控制方法[ J ] ． 东北 大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 2 1 1 8 1 1 1 8 4 ． [ 6 ] 俞阿龙． 小波分析在机器人腕力传感器信号去噪中的 应用 [ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 5 9 6 0 ． [ 7 ] 张广立， 付莹， 杨汝清． 一种新型自调节灰色预测控制 器[ J ] ． 控制与决策， 2 0 0 4 ， 1 9 2 2 1 2 2 1 5 ． 上接第5 8页 件 ， 它 可 以在 Wi n d o w s 9 8 ／ N T ／ 2 0 0 0操 作 系统 下运 行 ， 具有 良好的用户界面和强大的在线帮助功能， 用 户可在较短的时间内熟练使用 。 在组态王监控 画面 中， 可 以实现手动／自动切 换 、 给定值输入、 P I D参数输 入等功能 ， 使 用非 常方 便。监控 画面包括 液氯消耗量、 釜 内温度、 搅拌电 机运行速度、 循环泵电机运行速度及循环过程等 ， 还 可 以生成操作 日志 、 报表输出等。 4 结束语 该系统在某化工厂 C P E生成设备上 已调试成 功并正式投入运行 。目前运行情况 良好 ， 系统操作 灵活方便 ， 控制调节准确且抗干扰能力强 ， 操作强度 较从前减小许多， 产品质量得到明显提高 ， 从而取得 了良好的经济效益和社会效益。 参考文献 [ 1 ] 董丽华， 胡永琪． 氯化聚乙烯的生产工艺及其应用前 景[ J ] ． 河北化工， 2 0 0 4 3 1 01 3 ． [ 2 ] 崔坚． 西门子工业网络通信指南[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 王树东． 基于 P L C的碱回收蒸发工段控制系统的设计 [ J ] ． 电气传动 ， 2 0 0 9 4 3 3 3 6 ． [ 4 ] C u r t i s D J o h n s o n ．P r o c e s s C o n t r o l I n s t r u m e n t a t i o n T e c h n o l o g y [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 袁秀英． 组态控 制技术 [ M] ． 北 京 电子工 业 出版社 ， 2 0 08