基于MCGS和PLC的草甘膦膜分离控制系统设计

朱凯彦

（南通江山农药化工股份有限公司，江苏南通 226017）

基于MCGS和PLC的草甘膦膜分离控制系统设计

朱凯彦

（南通江山农药化工股份有限公司，江苏南通 226017）

设计构造了一个控制草甘膦膜分离的组态系统。该系统采用工业控制计算机作为上位机，下位机采用PLC，同时使用数据采集板卡和智能模块，将工控机与PLC二者优点结合，同时配合增压泵、切断阀、变频器在生产中使用。在MCGS组态环境中，开发草甘膦膜分离控制界面，对整个系统进行自动控制。

草甘膦膜分离；MCGS；PLC；工控

膜分离技术是近十几年发展的一种高新技术，随着膜设备和膜技术的不断发展，在各行各业都有着广泛的应用，尤其是化工及制药行业。膜分离技术是指天然或人工合成的，有选择透过性膜，以外界的能量或化学位差为推动力对双组分或多组分的溶剂进行分级、分离、浓缩和提纯的边缘学科高新技术[1]。膜分离技术的优点：①能耗小，整套浓缩设备采用膜分离装置，只需使用-电能。②采用自动控制系统，可全自动化连续运转。③维护简单，费用减少[2]。④污染小，常温常压下进行分离，无化学变化，环保。

南通江山农药化工股份有限公司农药二厂G草中心的草甘膦膜分离系统使用的是上位机MCGS组态软件，搭配所用的下位机是S7-300的西门子PLC。该系统能够完成实时和历史数据的处理、现场数据的采集、流程控制、报警和安全机制、趋势曲线、动画显示和报表和企业控制网络的功能[3]。使用MCGS，江山员工可以很好地维护系统。MCGS软件包括组态环境和运行环境两部分。两部分互相独立又紧密相关，设计工作在组态和PLC的梯形图编程完成后，整个膜分离的工作就可以在运行环境开始了。

1 草甘膦膜分离工艺流程

草甘膦膜分离工艺流程，如图1所示。

草甘膦母液经过PH调节后，由母液泵（P4708）输送至预处理系统及一级膜系统（S4706），淡液去二级储槽（V4710），浓液回母液槽（V4706）。过滤后的淡液由二级增压泵（P47091，P47121）输送至二级膜处理系统（S47071），进行一次浓缩，淡液直接进淡液贮槽（V4715），浓液进三级储槽（V47111），在浓液输送管道中进行加酸混合。三级增压泵（P47101，P47131）将（V47111）储槽中的液体输送至三级膜处理系统1（S47081），进行第二次浓缩，淡液进入蒸发系统，浓液进入三级储槽（V47112），三级增压泵（P47101，P47131）将（V47112）储槽中的液体输送至三级膜处理系统1（S47081），进行第三次浓缩，淡液进入蒸发系统，浓液进入三级贮槽（V47113）在浓液输送管道中加工艺水混合。三级增压泵（P47102，P47132）将（V47113）储槽中的液体再次输送至三级膜处理系统2（S47082），进行脱盐处理，淡液进入蒸发系统，浓液进入三级储槽（V47114），在浓液输送管道中进行加工艺水混合，三级增压泵（P47102，P47132）将（V47114）储槽中的液体再次输送至三级膜处理系统2（S47082），进行脱盐处理，淡液进入四级储槽（V47122），浓液进入三级储槽（V47115），在浓液输送管道中进行加工艺水混合。三级增压泵将（V47115）储槽中的液体再次通过三级增压泵（P47102，P47132）输送至三级膜处理系统2（S47082），进行脱盐处理，淡液进入四级储槽（V47122），浓液进入浓液贮槽（V4713）。四级增压泵（P47111，P47141）将（V47122）中的淡液输送至四级膜处理系统1（S4709），对淡液内的草甘膦有效成分进行浓缩，淡液进淡液冲洗槽（V4717），浓液进四级储槽（V47121）。四级增压泵（P47112，P47142）将（V47121）中的液体输送至四级膜处理系统2（S4709），对液体进行浓缩处理，淡液进淡液冲洗槽（V4717），浓液进二级储槽（V471b）。在四级膜处理系统2还有空余的情况下，帮助四级膜处理系统1处理。新增加的三级膜处理系统作用为帮助三级1和三级2系统处理二级浓液。系统中的冲洗水采用淡液冲洗槽中的储水，通过冲洗泵（P4718，P4719），输送至各级膜处理系统，冲洗后的液体回淡液贮槽（V4717）。

图1 草甘膦膜分离工艺流程图

2 系统硬件软件设计

2.1 硬件结构框架

该控制系统是根据江山农化农药二厂的工艺要求设计的，采用了DCS+PLC，（上位机软件MGCS，下位机PLC）系统硬件结构如图2所示。

图2 控制系统结构框图

根据控制要求，系统的硬件架构分为3层。

（1）管理层

本次系统的核心部分采用工业控制计算机MGCS组态软件和西门子（S7-300）PLC构成，负责人机接口和外部信息的交换。

（2）控制层

这是控制系统的关键，是联系管理层和现场设备的桥梁，其主要功能是接受管理层设置的参数和命令控制现场设备的运行，对草甘膦膜分离的过程进行控制。同时，还把现场设备的状态传送给管理层。控制层由基于ISA总线的数据采集与继电器输出板卡PCL-725/16、模拟量输入模块I-7017，模拟量输出模块I-7024[4]。

（3）执行层

执行层的设备执行控制层发出的控制命令，包括四级膜分离过程中所使用的切断阀、增压泵、调节阀开度信号、热电阻温度信号、流量信号、变送器所显示的液位高低和压力大小等。

在上位机组态软件MCGS搭配使用PLC的原因：①PLC优点在于其寻址速度快，寻址速度是相比工控机使用DCS要快得多，且便于处理开关量点的逻辑关系，特别是在设置连锁保护程序时（尤其是程序量较大，开关量多），本次设计所使用的切断阀和增压泵的数量多且为开关量。②MCGS属于DCS系统组态软件，DCS系统优点在于处理的点数量多且相比PLC适用于处理模拟量点。本次设计的组态系统中温度、压力、液位、流量、变频启动增压泵以及调节阀开度等信号均为模拟量信号。③将PLC与工控机的MCGS搭配使用，可以取两者长处，PLC专门负责开关量启停，但无法将信号送回至中控室的工控机中显示，而MCGS配合专业控制模块、数据采集和继电器输出板卡（I-7017、I-7024、PCL-725/16）负责模拟量点的控制同时将PLC的回送信号显示。

2.2 系统软硬件接口设计

STEP 7-Micro/WIN软件是在计算机中运行的，只有将工控机与其PLC连接起来，才能在工控机中将STEP 7-Micro/ WIN软件编写的程序写入PLC中，或将PLC已有的程序读入工控机重新修改[5]。

PC与PLC的连接方式这里采用，给PC端安装CP通信卡（如CP5611通信卡），在用专用电缆将CP通信卡与PLC连接起来，采用CP通信卡可以获得很高的通信速率，但其价格很高[6]。考虑到江山股份G草工段生产的安全性以及提高中控信号的通信质量故使用CP通信卡。外部连接后需在其相应的软件中设置，工控机MCGS中组态模式的设备窗口中设置PLC的接入，在STEP 7-Micro/WIN中设置接口、地址、波特率等。在STEP 7-Micro/WIN中程序块内容主要是对膜分离的PLC程序进行设计的。

3 上位机控制画面组态

江山股份的MCGS组态工程中的工作分为几部分。首先按照控制要求画出相应的流程图并且定义变量，这些参数变量分别为实现各个功能服务。然后在用户窗口中组态，并将各个输入框与实时数据库中的数据连接，同时将实时曲线中的显示曲线的变量和给定值以及测量值连接上。然后在主控窗口中定义其初始设置等。经过检查无误后，组态工作即完成。然后运行系统，可手动输入调节阀的开度以及PLC处理切断阀的开关显示。

4 运行策略

运行策略的两种用途。①正常状况下的生产运行。②紧急情况下的连锁保护。运行策略采用了类似VB的结构对于初学者上手容易，并且可以采用汉字作为变量，简单易懂，系统变量的设定是关键环节[4]，关系到软硬件之间的联系变量画面。运行策略按照系统工艺要求，编写源代码，某正常运行语句：

IF冲洗流量=50 and冲洗温度<40℃ and设计压水<0.2 MPa；

THAN

FV105=1；P4708=1；FV101=0；FV102=0；FV103=0；FV104=0；

5 结语

经过多次调试，系统稳定运行。江山股份使用该系统后，发挥了硬件可靠性高的优点，提升大型工业连续化生产的效率。直接导致的最直观的经济效益为：①废水中提取草甘膦2100t/年。②减少甘氨酸消耗量1800t/年。间接的经济效益：①降低三废的废水处理压力。②机电仪运行效率提升，维修与更换的设备减少。在目前激烈的市场竞争形势下，南通江山股份使用该系统更有利于提升草甘膦产品的市场竞争力。

[1] 徐国明，周良，郑瑞庸，等.IDA路线的草甘膦清洁生产方法和绿色化学合成技术[J].农药，2007，46（10）：656-658.

[2] 汪家铭.草甘膦发展概况及市场前景[J].广州化工，2002，36（2）：18-22.

[3] 袁秀英，牛云陞，余群威.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003：123-124.

[4] 李江全，严海娟，刘娇娣.西门子PLC通信与控制应用编程实例[M].北京：中国电力出版社，2011：135-136.

[5] 陈进，郎朗，娄珂，等.基于MCGS的污水处理系统研制[J].工业仪表与自动化装置，2009：61-63.

[6] 熊伟.工控组态软件及应用[M].北京：中国电力出版社，2011：5-6.

Design of Control System for Glyphosate Membrane Separation Based on MCGS and PLC

Zhu Kai-yan

A conf i guration system was designed to control the membrane separation.The system uses the industrial control computer as the host computer，the lower computer uses PLC，and uses the data acquisition board and the intelligent module，combines the advantages of industrial control computer and PLC，with the booster pump，cut off valve，Frequency converter inverter used in production.In the MCGS conf i gurable interface，glyphosate membrane separation control interface is developed，and the whole system is automatically controlled.

glyphosate membrane separation；MCGS；PLC；industrial control

X703.1

A

1003–6490（2017）03–0105–02

2017–03–09

朱凯彦（1989—），男，江苏南通人，助理工程师，主要研究方向为研究方向为自动控制系统的控制速度，稳定性和可靠性。