PLC在黄磷计量装置上的应用

张维栋

(宜宾天原集团股份有限公司，四川 宜宾 644004)

PLC在黄磷计量装置上的应用

张维栋

(宜宾天原集团股份有限公司，四川 宜宾644004)

针对黄磷运输和贮存时多种物质(黄磷、水及磷泥的混合物)混合后难以准确计量的特点，研究了目前主要的黄磷计量方法及其计量原理。选择了目前黄磷计量方法中比较先进的体积换算法，利用温度与密度的关系、质量和体积的关系建立相应的数学模型，设计、开发了黄磷计量系统。详细阐述了控制系统数学模型建立、计量系统配置、网络通信设计、软硬件组态和数据库管理等。黄磷计量系统通过PLC系统软硬件组态和网络通信连接，实现了黄磷的自动、准确计量。该PLC在黄磷计量系统的应用表明，PLC系统安全可靠、操作方便，可实现黄磷计量过程的自动计量、自动计算和自动生成收货单功能，保证了整个计量系统的精确度和稳定性，为企业带来了一定的经济效益。采用PLC系统的计量系统，对其他多种物质混合后难以准确计量的装置有较好的借鉴意义。

PLC； 计量系统； 称重控制仪； 控制程序； 数据库； 数据管理

0 引言

黄磷是三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和磷酸等化工产品的主要生产原料，是一种剧毒、遇空气即自燃的化学危险品。黄磷的燃点仅30℃，在运输和贮存过程中必须浸没在水中，与空气隔绝，形成黄磷、水及磷泥的混合物。因此，对黄磷的准确计量一直是企业难以解决的问题，其计量误差对原料消耗和经济核算影响较大。

黄磷计量通常采用计量泵法和将黄磷液位差折算成质量的方法。计量泵法不适用于磷水混合物。将黄磷液位差折算成质量的方法虽然适用于磷水混合物，但其精确度和计算效率太低，不适用于大规模生产装置以及大直径或外形不规则的储罐[1]。

目前，比较先进的黄磷计量方法是体积换算法。体积换算法根据体积置换原理，计算出同一黄磷计量罐在进磷前后的质量，两者之差即为黄磷的实际质量。因此，根据黄磷的相关物理属性、温度-密度对应关系等，建立相应的数学模型，采用PLC组成一套黄磷计量系统，实现黄磷的自动、准确计量；同时，根据生产管理需要，将供货商、承运商、承运车牌、发货质量及收货质量等数据纳入PLC系统，实现黄磷计量的数据管理功能。

1 液态黄磷计量原理

常温常压下，黄磷呈固态，密度为1820kg/m3，固态黄磷的熔点为44.1℃。在温度高于44.1℃的环境中，黄磷呈液态，且难溶于水。含水液态黄磷在45～95℃对应不同的密度值，因进磷前后黄磷计量罐温度不一样，液态黄磷前后密度也不一样。根据这一特性，可用液态黄磷充满恒定体积的容器(黄磷计量罐)，通过测量该计量罐和磷温度值，求得当前温度下的黄磷及含磷水密度[2]；将密度乘以固定容器的体积，即可得出容器中所贮存的液态黄磷、含磷水的质量。

黄磷计量系统由黄磷计量罐(卧式计量罐)、含磷水池(敞口水池)、称重模块、温度计、流量开关及自动控制阀等组成。黄磷计量系统原理图如图1所示。

图1 黄磷计量系统原理图

根据液态黄磷计量原理，黄磷质量计算公式如式(1)所示。

m=ρV=(1.782-0.9t)V

(1)

式中：m为液态黄磷的质量，kg；ρ为液态黄磷的密度[3]，ρ=1.782-0.9t；t为液态黄磷的温度，℃；V为黄磷计量槽的定容体积，m3。

进磷前，黄磷计量罐内充满含磷水。进磷后，根据体积置换原理，进入黄磷计量罐内的黄磷与被置换出来的含磷水体积相同。产生质量差的原因是两者密度有差异，据此可计算出进入压磷罐内黄磷的体积和质量。

2 PLC在系统中的应用

根据进磷前后黄磷计量罐和含磷水池的温度值，利用PLC系统预先内置的温度和密度关系表，自动测算出当前温度下的含磷水密度和黄磷密度。根据式(1)，可以分别计算出进磷前后含磷水的质量和黄磷的质量。

2.1计量系统配置

计量系统由PLC系统、监控上位机(计算机)、打印机、称重控制仪、称重模块、温度计及流量开关等组成[4]。PLC系统是计量系统的核心，具有可靠性高、操作简便和灵活性高等特点。与DCS系统相比，PLC系统具有配置灵活、造价低、稳定性好等特点[5]。PLC通过逻辑程序实现黄磷自动计量控制，监控上位机主要实现过程监控及数据管理控制，打印机主要用于计量票据的打印，称重控制仪和称重模块完成质量测量及信号传输，温度计主要用于黄磷计量罐和含磷水池的温度监控，流量开关则实现计量过程的联锁。计量系统配置图如图2所示。

图2 计量系统配置图

2.2PLC系统的硬件组成

黄磷计量系统共有18点输入/输出信号(I/O)，分别为：4点模拟量输入(AI)、3点RTD温度信号输入(AI)、5点开关量输出(DI)、6点开关量输入(DO)。PLC系统的硬件配置如下。

①CPU。PLC采用英国欧陆(ESUITE)公司生产的T2550PLC自治控制系统，其处理器为高速32位RISCCPU，CPU主频为100MHz。处理器可工作于单重工作方式或冗余工作方式。在冗余工作方式下，以其中一个处理器模件作为主处理器，如其发生故障，由副处理器模件替代工作。在处理器模件内部有一块可拆卸的闪存模件，其容量为32MB。控制策略和系统软件装于其中，简单地更换此模件即可实现将控制策略和操作软件快速传递至备用的设备，以满足黄磷计量系统需要[6]。

②信号输入/输出模块。根据系统的输入/输出信号(I/O)构成，此控制系统选用的信号输入/输出模块是：2块T2550M/AI3三通道模拟量输入模件，2500M/AI3/UNIV；2块T2550M/AI2双通道通用模拟量输入模件(PT100输入)，2500M/AI2/UNIV；1块T2550M/DI8八通道数字量输入模件，2500M/DI8；1块T2550M/D08八通道数字量输出模件，2500M/DO8/LOGIC/EXTPWR。每块模件均考虑一定备用量，以利于控制系统的扩展。

③通信系统。上位机通过简单的RJ45接口与下位机PLC系统ELIN控制网进行通信。T2550自治控制系统在控制层和操作层上,通过100Mb/sELIN控制网与其他网上节点进行通信。ELIN控制网允许网络节点间通过星型拓扑进行连接。所有的ELIN控制网节点呈现为全局化分散数据库的一部分，数据库可由网络中的任一节点进行双向实时访问，以支持控制策略互连的完整性、灵活性。

④操作站硬件。主机配置如下：DELLOptiPlex760；19英寸(1英寸=25.4mm)4∶3彩色液晶显示屏；CPU为英特尔酷睿双核，主频为2.4GHz；内存为2GB；硬盘为320GB；DVD光驱；独立显存为512MB；光电鼠标；键盘。

2.3PLC系统的软件配置

①PLC系统的运行环境。其基本操作系统为WindowsXPServerPack3，因数据管理的需要，还安装了Office2003软件，使其具有开放的操作环境。

②PLC系统的下位机软件。界面友好、基于Windows的套装软件包EUROTHERMPROJECTSTUDIO用于T2550的组态。通过EUROTHERMPROJECTSTUDIO可设置、分配I/O点及编制复杂的连续控制和顺序控制算法。组态软件中的功能块支持就地数学运算和组合逻辑运算功能。强大的组态工具支持工程师在线组态、修改控制策略，同时支持策略的上传、保存功能，以便准确、完整地对控制站内控制算法进行备份、归档。

③PLC系统的上位机软件。上位机采用ifix4.0组态软件，上位机界面组态功能包括工艺流程图显示功能、系统操作功能、报警记录功能、实时曲线功能、历史曲线功能和报表打印功能[7]。此外，上位机还安装了美国微软公司的VisualBasic6.0应用开发程序。利用其自带的ActiveX通信控件(mscomm．ocx)，上位机可方便地从串口读取数据[8]，实现计算机与称重控制仪之间的串口数据通信。

2.4称重控制仪

称重控制仪采用杭州顶松自动化控制设备有限公司生产的DS822-A3称重控制器，其具有以下特点，可以满足黄磷计量系统的需要。

①先进的A/D转换技术，精度高，速度快，温漂低，可长期稳定、可靠运行。

②RS-232和RS-485串行通信接口，1台或多台控制器均可方便地与计算机联网。

③断电数据保护。

④抗干扰性能强，可靠性高[9]。

2.5技术方案的实施

①根据工艺流程及生产操作的需要，通过ifix4.0组态软件，绘制黄磷计量系统工艺流程图，对温度、压力、质量等参数设置动态显示，对机泵、程控阀进行远程控制组态，对重要的参数进行报警显示；所有需要记录的参数均设置实时趋势和历史趋势画面，以便查询。

②根据工艺对黄磷收货单(结算用)的要求，利用VisualBasic6.0自带的ActiveX控件，绘制黄磷收货单。收货单内容包括: 记录人、发货重量、收货时间、收货单号、车牌号、供货商名称、承运单位名称、称量质量、称量温度、称量密度及最终黄磷质量等。

③根据不同的用户，设置不同登录用户名和口令，并对关键参数设置不同的操作级别，以防止操作人员恶意修改或误操作；对于可能对计量过程产生较大影响的操作，设置二次操作确认按钮，以防止误操作或人为疏忽，确保整个系统的安全性和准确性。

④PLC控制程序设计。操作人员按事先设置的操作权限登录黄磷计量系统，确认现场一切准备就绪后，即可启动计量装置；填写并确认车牌号、供货商信息、承运单位信息、发货质量等信息后，打开进磷阀门，开始黄磷计量程序；进磷过程完成后，经操作人员确认，PLC自动生成黄磷收货单和计量单，打印并保存，数据保存期限为半年[10]。

车牌号、供货商信息、承运单位等信息可以在计量数据库内选择，也可在权限范围内添加、修改和删除等。可根据黄磷计量单号、时间、供货商等信息查询原始计量数据，并再次打印计量单。

3 技术特点

①黄磷和含磷水的密度均由事先内置的密度与温度的关系表引用得出，可避免人为误差。

②由于黄磷计量系统具有供应商、承运商及车辆牌号数据库管理功能，操作人员可以方便地添加、选择和删除供应商、承运商及车辆牌号信息，保证数据库信息即时更新，提高了黄磷入库工作的效率。

③由于黄磷计量系统具有历史数据和历史票据存储、查询功能，极大地提高了生产管理的可溯性，可以方便地为操作人员和管理人员提供时间段查询、收货单号查询及原始记录单据再打印功能，提高了管理系统的实用性。

④由于黄磷计量系统具有开放式的数据库，可以与MES系统、NC系统、ERP进行通信连接，实现智能化工厂管理功能，同时也可为智能化工厂及大数据管理提供依据。

4 结束语

为了解决黄磷运输和贮存时多种物质(黄磷、水及磷泥的混合物)混合后难以准确计量黄磷的问题，研究了目前黄磷计量的主要方法。

本文以体积换算法计量原理为基础，通过温度测量、质量称量及密度换算来实现黄磷计量，设计开发了基于PLC的黄磷计量控制系统。应用结果表明，该黄磷计量控制系统安全可靠、操作方便，实现了黄磷计量过程的自动计量、自动计算和自动生成收货单功能，减少了人工记录、人工计算造成的数据误差，保证了整个计量系统的精确度和稳定性，可以为企业带来一定的经济效益。

[1] 魏琴.黄磷贮存和计量新装置的开发及其应用[J].化肥工业,2013,40(6):70-73.

[2] 马兴元.液态黄磷虹吸计量管道输送装置的设计与应用[J].硫磷设计与粉体工程，2002(5):40-41.

[3] 项斯芬,严宣申,曹庭礼,等.氮磷砷分族[M].北京: 科学出版社,1995:189-191.

[4] 王瑞祥.黄磷运输贮存及计量新工艺[J].磷酸盐工业，2002(5):15-17.

[5] 郝久清，肖立.PLC控制系统的可靠性设计[J].自动化仪表，2005，26(11):21-24．

[6] 赖洪军,欧陆.T2550系列DCS控制系统在空分装置的应用[J].PLC&FA，2008(9):53-55.

[7] 朱宏，朱华平.基于S7_300PLC的自动配煤控制系统的设计与应用[J].工矿自动化，2008(4):73-74.

[8] 李双科，吴记群.VB下利用MScomm实现计算机与PLC的串行通信[J].电气传动自动化，2006,28(3):43-45.

[9] 张建平，马利，王嫣.智能化物料计量监控系统的实现[J].物流技术，2014,33(9):420-422.

[10]张晓锋,陈勇殿,白友国,等.PLC在一种新型油井自动计量装置上的应用[J].自动化仪表,2006,27(2):69-70.

ApplicationofPLCinYellowPhosphorusMeteringDevice

ZHANG Weidong

(Yibin Tianyuan Group Co.,Ltd.,Yibin644004,China)

In transportation and storage of yellow phosphorus,due to multiple materials (yellow phosphorus,water,and phosphate mud) may mix together,it is difficult to accurately measuring.Aiming at this feature,the main methods and principles of yellow phosphorus metrology are researched,and the currently advanced volume conversion algorithm is selected. By using the relationship between temperature and density,the relationship between mass and volume,corresponding mathematical model is setup,and the yellow phosphorus metering system is designed. The establishment of the control system mathematical model,the configuration of the system,the communication design,and the configurations of hardware and software as well as database management are elaborated in detail. Through the configuration of PLC hardware and software and network communication connects in the yellow phosphorus metering system,the automatic and precise metering functions for yellow phosphorus are implemented. After the PLC-based yellow phosphorus metering system put into service,the system is safe, reliable and easy to operate.Various functions of automatic measurement,automatic calculation and automatic generation of receipts are realized,thus the accuracy and stability of the whole metering system are ensured,certain economic benefits for the enterprise are accomplished. The application shows that the PLC system can also be used to make accurate measurement for other kinds of mixing substances that is difficult to be measured accurately.

PLC; Metering system; Weighing controller; Control program; Database; Data management

TH86;TP29

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710011

修改稿收到日期:2017-03-22

张维栋(1970—)，男，学士，工程师,主要从事自控设计及自动控制技术研究。E-mailyibinzhang2004@126.com。