基于PLC和组态王的酚酞合成监控系统.pdf

I 匐 出 基于P L C 和组态王的酚酞合成监控系统 Pheno_ pht ha- ei n s ynt het i c m oni t or i ng and cont r ol s ys t em based on PL C and Ki ngVi ew s of t w ar e 周林 ，郑晟，寇晓颖 ZHOU L i n ，ZHENG Sh e n g， KOU Xi a o ． y i n g 太原理工大学 信息工程学院，太原 0 3 0 0 2 4 摘要 针对某企业的一条酚酞合成生产线给出了一套酚酞合成监控系统整体设计方案及控制方法。在 经过对传统手动控制条件下的生产状况进行分析以后 ，设计了基于 7 - 3 0 0 系 II PL C 和组态王 的酚酞合成监控系统，对采集的数据进行集中管理和实时监控。系统在实际运行中取得了良 好的效果，不仅大幅降低了工人的工作强度，而且提高了产品的产量和收率。 关键字酚酞；P L C；组态王 中囝分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 3 上 - 0 0 2 8 -0 3 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 3 上 ． 0 8 0 引言 酚 酞作为一种重要的化工原料 ，广泛应用于 食品、化学、医疗 以及工业制药等领域 。随着社 会经济的发展，各行业对酚酞的需求迅速上升 ， 使得 企业对酚酞 生产过程 中的产 品质量和收率有 了更高的要求 。本文针对某酚酞 生产企业在实 际 生产过程 中存在的设 备 自动化水平较低 、工人劳 动强度大 以及控制精度不高等情 况，设计 了一套 基于S 7 3 0 0 系列P L C和组态王 的酚酞合成监控 系 统 ，保证 了物料在生产过程 中的温度变化 更符合 理想的工艺 曲线 ，从而提高 了产品的质量和生 产 效率 。该 系统在实际生产 中不但节省了大量 的现 场操作和维护管理人 员，而且较大幅度提升 了产 品的 质量和 收 率 ，为企 业创 造 了更高 的经 济 效 益 。 1 酚酞生产工艺简介 酚酞 合成的反应容器为夹套式反应釜 ，该系 统 属于 间歇反应过程 。反应过程 由邻苯二 甲酸酐 和苯酚 在 脱水 机 和催 化剂 的作 用下 发生 缩合 反 应，生成产物酚酞u 。由于反应需要在无水条件下 进行 ，所以需要加注脱水荆浓硫酸 。酚酞合成反 应分为两个阶段 升温阶段和保温阶段 。物料在 加热至一定温度后 ，将发生复杂的化 学反应，生 成主产物酚酞及副产物 。每 台釜的产量都与副反 应有密切关 系。主反应的活化能高于副反应，因 此 ，提高反应温度有利于主反应的进行 。但 是反 应如果升温过快、过高 ，可能造 成反应失控 ，甚 至有爆炸危险口 】 。保温阶段的 目的就是将反应釜温 度严格控制在最佳温 度，从而尽可能多的获 得所 期望的产物 ，最大限度的减 少副产物 的生成 。由 于反应 属于放热过程 ，保温 阶段 必须严格维持釜 内的反应温度，防止冷却操作不 当发生爆炸。 2 控制系统设计 酚酞 合成监 控 系统的被 制对 象为6 台3 0 0 0 L 夹套式反 应釜 ，其 中4 台釜作 为酚酞 合成 的反应 釜 ，另外两台为反应 结束 的洗料釜 。每套反应釜 温度控制 系统 由2 组3 6 K W 的电加热器 、2 2 KW 搅拌 电机及桨叶、2 ． 2 KW冷 油循环泵 、换热器、 冷却水调节 阀以及测温装置等组成 。由于物料所 需反应温度较高 ，导热介质选用导热油3 2 0 闪点 3 2 0 ℃口 J 。导热油为反应釜热源 ，控制 系统通过 调节导热 油温 度来控制反应釜 内的温度 。反应釜 搅拌电机 主要负责反应 的均匀进行和提高缩合反 应速率 。控制系统 采用德 国西 门子S 7 3 0 0 作为可 编程控制器 P L C，研华I P C 一 6 1 0 L 作 为工控主 机 ，Ki n g Vi e w组态王6 ． 5 3 作为上位机的组态监控 软件 。另外还包括一些现场设备 ，如 换热 器、 釜温传感器 、油温传感器、压力传感器、智能数 显表、硫酸计量泵 、电子秤 、报警蜂鸣器、监控 摄像以及一些消防设备等 。系统整体结构图如图1 所示 。 收稿日期2 0 1 2 -1 0 -1 3 作者简介周林 1 9 8 7一，男，硕士研究生，主要从事控制科学与工程的研究。 11 2 8 ] 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 注 lI5 似 1 釜l 了 l 童毫 温 压 硫搅 冷 度 力 酸拌 油 传 传 计 电 循 感 感 量机 环 器 器 泵 泵 统 2 釜广 _ _ J L ] 3 釜 l 4 釜 l 丁 ll 丁 l}足丁 温 压 硫 搅 冷l I 温 压 硫 搅 冷l I 温 压 硫 搅 冷1 度力 酸 拌 油l l 度 力 酸 拌 油I l 度力 酸 拌 油 传 传 计 电 循l l 传 传 计 电 循l I 传 传 计 电 循 } 感 感 量 机 环i i 感 感 量 机 环l I 感 感 量 机 环 器 器 泵 泵 “ 器 器 泵 泵 H 器 器 泵 泵j 图1 系统整体结构 图 2 ． 1系统硬件配置 根据 系统控制要 求以及现场控制方案 ，C P U 模块选择西 门子CP U3 1 5 2 DP。电源 模块主要是 为CP U及接 口模块 供 电，要求I ／ O模 块 、接 口模 块和CP U模块所需电流之和要小于电源模块的额 定电流 。这里 选用电源模块P S 3 0 7 5 A，通过 背 部 总线给 机架上其他模块提供5 VDC和2 4 VDC电 源。I ／ O模块的选择根据现场控制点数 ，同时还要 留有1 0 ％ 2 0 ％的余量 。选用8 通道模拟量扩展模 块S M3 3 1 3 块 、S M3 3 2 1 块 ，额定 电压为 DC 2 4 V。1 6 点继电器型数字量扩展模块S M3 2 1 3 块、S M3 2 2 2 块，最高电压为DC 1 2 0 V。 另外 ，根据实际情 况采用P T1 0 0 铂 电阻 测 量范围一 2 0 0 5 0 0 ℃ ，允许偏差 0 ． 1 5 0 ． 0 0 2 l t I ，用于检测反应釜温度和导热油温度的温度 传感器 ；反应釜内压力检测采用Ho n e y we l l 压力变 送 器 0 - 0 ． 4 Mp a ，4 2 0 mA ；选 用 S I NA MI C S V1 0 系列变频器来驱动换 热器冷油循环泵 ；由于 脱水剂 浓硫酸具有强氧化性和强腐蚀性，因此浓 硫酸加 注采用J L M一 1 ／ 1 0 型 隔膜式硫酸计量泵 ；工 控机 中安装有S T E P 7 编程软件和Ki n g Vi e w组态王 6 ． 5 3 软件 ，并通过C P 5 6 1 l 通信卡实现上位机与P L C 之 间 的通信 。 2 ． 2 系统控制要求 系统 使用 S TE P 7 的结构 化编程 方法 进行 编 程 。根据厂方要求 ，被控 系统的操作分为远程控 制和 现场控制 ，远 程控制又分为手动控制和 自动 控制 ，这样也为程 序调试带来方便 。系统要求能 够 实现升 温阶段 和恒 温阶段 的 自动控制 ，且酚酞 合成反应各阶段的反应温 度和反 应时间能够 自由 设定，并且要求反应釜温度的控制精度在 1 ℃以 内。终止反 应的三个条件 1 反应釜温度达到设 定值 。2 酚酞合成反应时间达到规定时间。3 反 应釜搅拌电机达到规定电流值。以上三个条件有一 个满足，反应立即终止，现场报警提示现场相关工 作人员。在生产过程 中，由于某种原因 如停电 造成过程控制停止。在原因消除后，控制过程要要 自动恢复到断电前的状态继续进行。 2 ． 3 控制程序设计 根据反应釜温度控制滞后大 、动态 响应慢及 非线性严重等缺点，采用S T E P 7 软件 “ 标准库P I D 控制 ”中的温度控制器F B5 8 进行调节。P I D控制器 可以消除稳 态误差、减小 系统 的超调量 、加快 系 统的动态响应速度，以及改善系统的动态性能 。 由于该反应为放热反应 ，如物料温度过高时 ， 自 动开启冷油循环泵和冷水 电磁阀降温，同时2 组加 热棒 自动关 闭。在这个过程 中，通过冷水电磁阀 的开闭，控制冷却器的出油温度在7 5 ℃2 ℃。下 位机通过P I D算法输 出驱动变频器控制冷油循环泵 的流量来控制物料温度保持的恒定温度。 由于四 台反应釜的控制程序相 同，控制程序 按一 台釜为例进行说明 。OB1 、OB 3 5 是组织块， OBl 为 系统主程序；F C1 和F C 0 将采集的生产现场 数 据模拟量 “ 规范化 ”为0 ℃- 2 0 0 ℃ 温度 、 O ～ 1 MP a 压 力 ，0 ～ 1 0 0 Kg 重 量 ，0 ～ 1 0 0 A 电流 ，以上数 值全 为 浮点 数 即 实数 ； F C 5 、F C 3 以及功能块F B1 5 F B1 8 组成 了系统 自动 控制模块 ；F C 4 是远程 手动控制，实现上位机对现 场设备的手动操作 ；F C1 3 是 系统过程 时间和反应 时间计时模块；F C 7 是 系统报警模块；OB3 5 调用 F B5 8 进行P I D控制算法 ，其输出通过变频器控制冷 油循环泵 ，实现对导热油的温 度控制 ，从 而达到 控制反应釜内温度的目的。程序结构如图2 所示 。 图2 程序结构 图 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 3 上 [ 2 g l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 出 2 ．4 自动控制流程 酚酞合成反应的 自动控制程序是整个下位机 程序设计的重点 ，因为 自动控制程序设计的好坏 直接影响 系统在实际运行 中的效果 ，对酚酞的产 量和收率有直接的影 响 。本 系统采用顺序控制的 方法将整个反应过程分为四个 阶段 升温阶段和 三个恒温阶段 。恒温阶段温 度控制过高或过低都 会造成副产物增多和收率不高的情况 。因此 ，这 三个 阶段的恒温控制 采用P I D温 度控 制器进行控 制 ，从而将反应釜温度严格的控制在最佳温度范 围以内。自动控制流程如图3 所示 。 图3 程序流程 图 3 监控系统设计 为实现对 系统 的远程监控 ，上位机监控软件 采用组态王6 ． 5 3 作为开发平 台，该组态软件运行 于Wi n d o w s 环境下，采用了多线程、C O M 等新技 术，编程 简单 、实时性好 ，且与其他程序交换 方 便 。采用标准的Mi r o s o f t S QL S e r v e r 2 0 0 8 数据库进 行生产数据归档 ，同时具有We b 浏览器功能 ，可 使管理 者在办公室看到生产流程的动态画面，从 而更好地调度指挥生产I 。 酚酞合成监控 系统主要 由监控 系统主界面、 系统报警界面 、温度曲线界面、参数设定界面 、 视频监控界面 、报表打印界面 等界面组成 ，实现 对现场的实时监控和数据记录。组 态整体结构 图 如 图4 所示 。 报警界面 I J趋势图 J I 视频监控 1报表界面 I用户信息 酚酞 合成监控系统 运行主界面主要 由设备 画 面、导航栏、操作面板、报警栏和用户登录栏等几 部分组成。设备画面中设置有动画链接，可以实现 系统动态运行显示和反应釜温度、反应时间、剩余 硫酸量的实时显示以及设备工作状态显示 。导航栏 I 3 0 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 上 主要实现系统在主界面和其他各功能界面之间的切 换。操作面板用于实现对现场设备的手 自动控制。 报警栏用于实时报警 ，一旦生产过程中某些设备工 作异常，系统则以声光报警的形式提示现场相关工 作人员处理 。监控系统主界面如图5 所示。 图5 监控 系统主界 面 根据监控 系统 的实际要求 ，组态软件还实现 了以下功能界面参数设 定界面 ，能够 自由设定 反应釜各个阶段的反应温 度、反应时 间、上限电 流报警值 、结束电流值以及硫酸加注量等参数 ； 实时 曲线界面 ，为 了直观的表 示参数实时值 ，使 用曲线图来显示参数的变化，同时可 以查看历 史 参数 曲线 ；报警界面 ，实时显示故 障报警画面 、 查询 历史报警 ，并可 以设置报警的极限值 ；报表 界面 ，可生成 系统实时报表和历史报表 包括 日 报表和月报表 等 ，并打印 。此外，针对不 同的 操作人 员，设置不 同的系统操作权限及密码 ，并 给予系统操作帮助等。 4 结束语 改造后的系统 ，已经成功运用于酚酞合成 生 产过程 中，工艺参数得到 了进一步的优化，酚酞 的产量和收率有较大幅度的提升 。主要性能指标 均达到或超过企业 的要求 ，而且各性能参数修 改 十分灵活 ，大大降低 了操作人 员的劳动强度 ，提 高 了生产效率，给企 业带来 了良好 的经济效益， 受到 了企业的好评 。 参考文献 【 1 】薛 循 育 ， 柯 德 宏 ． 酚 酞 合 成 方 法 的 改 进 【 J 】 ． 化 学 试 剂 ，2 0 1 1 ， 2 8 1 1 6 9 7 6 9 8 ． 【 2 】谢 森林， 王钦若 ． 智能控制方法在反应 釜温度控制 中的运 用[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 8 ， 3 7 1 0 ． 【 3 】王永锋， 杨育， 反应釜控制系统的研究与实现[ J 】 ． 化工自 动化及仪表， 2 0 1 0 ， 3 7 1 0 2 9 - 3 2 ． [ 4 】吴丽， 西 门子S 7 3 0 0 P L C 基 础与应 用[ M】 ． 北京 机械 工业 出版社， 2 0 1 h 3 1 ． 【 5 】王永锋， 杨 育 ． S 7 3 0 0 P L C及组态王在抗生素发酵控制 系 统 中的应用[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 8 ， 1 2 ． 【 6 】闰金银， 王亚刚．带夹套的反应釜温度控制器及L a b VI E W 实现 『 D】 ． E 海 匕 海理工大 学， 2 0 0 4 ． 报表查询 一图 构 整 历史 曲线一态 ● 组 实 时曲 线 一 图 报 警测 览 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m