聚氨酯树脂反应釜监控系统设计与实现

王华强，侯 雷

在聚氨酯树脂（PU）的生产过程中，需要依据预先制定的配方将多种原料加入反应釜中混合，并进行相关加工形成所需产品［1］.相关原料的加入是否定量、有序，生产过程中搅拌电机、各泵阀运行是否正常，反应釜中温度是否符合生产规范，这些对于产品质量均有重要影响［2］.安利公司通过检测仪表结合现场人工实现监控，这种监控下工人劳动强度大、现场工作环境恶劣、故障维修时间长、过程精度达不到标准，从而导致生产效率低、产品质量差.因此，将现有生产过程自动化、可视化已成为聚氨酯树脂生产迫切需要解决的问题［3］.针对以上生产过程的现状，为了提高生产效率与产品质量，安利公司特委托作者所在研究所（合肥工业大学工业过程与控制研究所）设计基于PLC与组态王的聚氨酯树脂反应釜监控系统.

1 工艺简介

安利公司第三期聚氨酯树脂生产项目中，使用23种原料、7种溶剂、4个反应釜，每个反应釜连接24个阀门.各种原料需要按照生产工艺定量定序混合、搅拌、反应，生产出新的化学原料，供后面的生产线加工.限于篇幅，该文仅介绍PLC和组态王在生产过程中的监控作用.

该反应釜监控系统采用SEMENS SMATIC S7－300PLC，CPU315－2DP.机架上有PS模块、CP343－1以太网通讯模块、CP341串行通讯处理模块及I／O模块.S7－300之间通过CP343－1经交换机与4台上位机IPC通讯，上位机的监控由组态王实现［4］.系统结构如图1所示.

2 监控系统的实现

2.1 PLC在监控系统中的应用

下位机PLC主要通过继电器对反应釜各个执行部件进行控制，并实时通过传感器与变送装置将反应釜的实时状态传给上位机［5］，供操作工监控.

在生产过程中，PLC参与泵和阀门的开启、关闭、互锁，反应釜搅拌电机的选择与运行控制，各项参数（如反应釜重量、下料重量、反应釜温度、蒸汽温度、电机电流等）的采集处理；接受上位机的设定值并运用各种控制策略与算法进行闭环回路调节；将采集到的数据实时传送给上位机监控并保存［6］.为满足设计要求，系统总计使用17个SM321数字量输入模块、6个SM322数字量输出模块、3个SM331模拟量输入模块.对应模块的部分点位分布如图2～4所示.

2.2 组态王在监控系统中的应用

2.2.1 人机界面的监控效果

为了满足操作人员对生产过程的远程、直观、准确地监控［7］，作者使用组态王设计了反应釜监控的人机界面，人机界面如图5所示.人机界面的监控作用如下：

（1）当选定某种物料并开始下料时，人机界面上对应的管道会出现流动效果，且流动速度可随着物料重量的变化而变化.

（2）反应釜中的搅拌电机开启时，人机界面上对应的扇叶开始旋转，且随着反应釜中液位的增加，人机界面中的液位也增加.

（3）实时准确显示出电机电流、反应釜温度、本次重量、总重量等数据.

（4）准确绘制出电流、温度等数据的实时曲线.

（5）当生产现场出现安全问题时，在第一时间提醒现场操作工，以免出现事故［8］.在人机界面中，有故障信号时，画面上对应的生产设备亮红灯并闪烁，出现“…故障”的巨大红色字体，且同时用声音报警.

2.2.2 报表系统

生产时需要将多种原料按序、定量加入反应釜.在对第三期监控系统进行设计时，厂家操作人员提出，以往对原料数据归档是“定时归档”，每十分钟一次，只能显示出归档时刻物料的重量，因此出现了如下问题：若一种物料一次下料时间长，归档的重复数据多；若下料在两次归档时刻中间结束，归档数据就不准确；两次生产之间的归档数据没有间隔，不能看出一次生产使用的物料.尽管有了归档功能，但还需要人工记录下料数据，很不方便.

该期监控系统采取了“按次归档”的方式.当上位机采集到PLC传来的“釜称重到”信号，便依次归档“日期”、“时间”、“反应釜温度”、“本次物料名称”和“本次重量”等数据.当反应釜本次生产所需的物料全部加入时，将报表以当前时间为名称存入特定的文件夹，方便操作人员查看与打印［9］.归档画面如图6所示.

自动归档的程序如下：

if（釜称重到＝＝1）

if（选择确认＝＝1）

｛ro w＝row＋1；

Report Set Cell String（"Report"，row，1，＼＼本站点＼＄日期）；

Report Set Cell String（"Report"，row，2，＼＼本站点＼＄时间）；

Report Set Cell String（"Report"，row，3，"TOL"）；

Report Set Cell Value（"Report"，row，4，实时重量）；

Report Set Cell Value（"Report"，row，5，反应釜温度）；｝

else if（选择确认＝＝2）

｛ro w＝row＋1；

…

if（本次下料完成＝＝1）

｛string filename；

filename＝"C：＼My Docu ments＼实时报表＼"＋＼＼本站点＼＄日期＋"日"＋Str Fro mReal（＼＼本站点＼＄时，0，"f"）＋"时"＋Str FromReal（＼＼本站点＼＄分，0，"f"）＋"分"＋".rtl"；

Report Save As（"Report"，filename）；

Report Set Cell String2（"Report"，3，1，120，5，""）；

row＝2；｝

3 工艺生产

运用PLC与组态王的控制功能，利用现代通讯技术，通过控制电路可对生产过程进行监控［10］.下料过程要求安全、有序、准确，再在此基础上实现可视化［11］.该设计创新性地采用人机界面上的“软按钮”与操作台上的“硬按钮”相结合，可实现控制系统的简便性和生产过程的安全性.

选料只有在当前的反应釜没有下料时才能进行，分2步.第1步，操作工在组态王界面上选定所需的原料并按确定；第2步，操作工在控制柜面板上按下原料对应的按钮.只有两步操作均正确时，PLC才会判断系统选料成功，通过电信号先开启电磁阀门，再开启对应的原料泵.如果组态王与面板选料不一致，组态王会提示“选料失败，请重选！”，必须要按组态王上的“重选料”按钮，系统才能重新选料.当称重信号提示本次物料的重量达到预置值时，PLC接收到“称重到”信号时，先关闭泵，延时10 s再关闭阀［12］.部分PLC梯形图和主程序流程如图7～8所示.

4 结束语

该系统将PLC与组态王作为控制核心，在保证系统稳定、安全、可靠运行的基础上，结合工艺要求，实现了界面友好、操作简易的功能，且便于更改、扩充和升级.该系统投入生产运行后，产品的树脂黏度稳定性提高了20%，树脂颗粒不溶物减少，树脂流动性与色泽均有明显提升.生产实践表明，该系统各方面性能良好，实现了现场生产的集中监控，保证了产品质量，提高了生产效率.

［1］ 俞金寿，顾幸生.过程控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］ 何军，张泽仁.西门子S7－200小型集散配料控制系统的设计和应用［J］.河南科技，2011，27（18）：39－41.

［3］ 焦小澄，朱张青.工业过程控制［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［4］ 廖常初.S7－300／400 PLC 应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［5］ 曹振国，许琳.智能化仪器仪表原理及应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［6］ 葛锁良，张瑞祥.基于PLC的4色平台式丝网印刷机控制系统的设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2013，6（8）：915－918.

［7］ 杨路明，雷亚军.组态软件 Win CC在自动监控系统中的应用［J］.计算技术与自动化，2003，22（4）：21－24.

［8］ 李尚荣.电气控制PLC原理与组态应用［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［9］ 王善斌，龚琳，周燕.组态软件应用指南［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［10］ 刘泽祥，李媛.现场总线技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［11］ 张传伟，刘庚.硅锰炉自动配料系统［J］.仪表技术与传感器，2012，49（10）：65－66.

［12］ 王华强，王文贤.湿法树脂配料系统控制电路设计［J］.安徽大学学报：自然科学版，2013，37（5）：60－65.