液氯钢瓶智能充装控制系统设计及应用

师帅

(常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164)

氯气在化工、石油、造纸、印染、制革、橡胶等行业用途广泛，可以在一定压力下进行液化，液氯为储存和运输的主要形式。液氯包装多以钢瓶充装为主，生产中操作人员较多、工作效率低，且操作人员生产劳动强度大，因此，提高液氯包装的自动化、信息化水平非常重要。

1 液氯钢瓶充装控制系统简介

1.1 硬件组成及布置

硬件主要包括1台琴式控制柜、20个现场操作箱和1台上位机等。中央控制室布置有琴式控制柜和上位机，现场钢瓶秤旁边都布置现场操作箱。控制柜内部的主要电气元件：1个西门子S7-300(CPU315-2DP)CPU模块、2个PS307电源模块、1个IM360接口模块、2个IM361接口模块、10个SM321信号输入模块、10个SM322信号输出模块及隔离变压器等；现场操作箱包括的主要电气元件：称重仪表、文本显示器、开关按钮及报警指示灯等。每个现场操作箱的硬件配置是一样的，每台液氯钢瓶秤分别由各自的现场操作箱来操作控制。控制系统硬件布置如图1所示。S7-300PLC通过PROFIBUS-DP总线与20台称重仪表进行通信，中控室上位机通过Modbus总线与20个现场文本显示器进行通信，S7-300PLC与上位机通过MPI进行通信，每个现场操作箱的电源及I/O信号都来自于控制柜。

1.2 智能充装工作原理

S7-300作为DP主站，通过PROFIBUS-DP总线与20台称重仪表进行通信，20台称重仪表为DP从站；钢瓶秤的称重数据实时传送至称重仪表，称重仪表再传送至PLC控制器，PLC根据充装流程的需要，对称重仪表进行去皮或清皮等操作；上位机即为钢瓶信息管理计算机，作为Modbus主站，通过Modbus总线与20台文本显示器进行通信，钢瓶号或皮重值可以通过文本显示器进行人工输入，再传送至上位机。PLC在进行充装时先向上位机发出充装请求信号，上位机根据当前已获数据判断后，把允许充装、目标值及允差值等通过MPI传送给PLC，PLC获得充装允许及相关数据后，按流程控制充装球阀及状态指示输出等，充装完成后，PLC将充装过程数据再通过MPI通信传送至上位机，上位机记录、显示、存储及分析相关数据。另外，上位机还与LED大屏幕进行通信，LED大屏幕可以实时显示20台钢瓶秤的充装数据。智能充装示意如图2所示。

图1 控制系统硬件布置图

图2 智能充装示意图

2 液氯钢瓶充装控制方式

智能充装控制系统具有本地和远程两种控制方式。本地控制为称重仪表单独控制充装流程，此方式为PLC系统故障时临时使用。远程控制为正常操作时使用，主要由PLC控制充装流程，称重仪表在此方式下主要用于采集称重数据。

2.1 本地控制

本地控制充装流程为：方式选择开关选为本地，仪表中完成预置点方式、预置点值及允许自动清皮等参数设置；人工吊装钢瓶于秤上，并连接钢瓶快速接头，按一下本地启动按钮，仪表首先完成去皮，然后充装电磁阀得电，充装球阀打开，液氯充装开始；充装过程中按充装停止按钮可以暂停充装，按启动按钮可以继续充装；充装电磁阀在质量达到预置点设置的目标值时失电，同时球阀关闭，充装完成；人工打开回收物料球阀，而后再拆除钢瓶铜管接头，仪表在钢瓶被吊离秤台后执行清皮操作。这样就完成了一次本地控制充装流程。

2.2 远程控制

远程控制充装流程为：方式选择开关选为远程，人工吊装钢瓶于秤上，并连接钢瓶快速接头，按一下启动按钮，PLC根据称重数据等向上位机发出充装请求信号，上位机根据文本显示器已输入的钢瓶信息及数据库中的数据作出判断，而后向PLC发出允许充装信号、目标充装值、允差值及提前报警值等，PLC接收到允许充装等数据后，先完成去皮操作，充装电磁阀在去皮成功后得电，充装球阀打开，充装指示灯常亮。充装质量显示为提前报警值时，蜂鸣器断续鸣叫提醒，即充装流程快要结束，充装电磁阀在充装质量显示为目标值时失电，蜂鸣器连续鸣叫，充装指示灯闪烁，同时报警灯闪烁提醒(此时也可以通过按报警解除按钮解除当前报警)，指示充装停止并完成，PLC记录称重充装数据，包括当前质量、累计质量及累计瓶数等数据，并通过MPI通信把充装数据传送给上位机。人工打开回收物料球阀，而后拆除钢瓶铜管接头，仪表在钢瓶被吊离秤台后执行清皮操作，这样就完成了一次远程控制充装流程。

3 液氯充装控制系统软件设计

充装系统软件设计主要包括PLC程序设计和上位机程序设计，以下从PLC程序结构、硬件配置与地址分配、充装主控制流程、上位机监控等几个方面进行说明。

3.1 S7-300PLC程序结构

充装系统S7-300PLC程序在结构上为OB1程序循环组织块调用FC101～FC120共20个FC块，程序调用结构如图3所示。FC101～FC120分别为1～20号秤的控制功能，每台秤的FC功能都调用了公共功能FC300和FC301，FC300为PLC读取称重仪表数据的共用功能，FC301为充装主控制流程共用功能，而且每台秤的FC301功能及其他控制程序都会调用数据块DB，1～20号秤分别对应DB101～DB120共20个数据块，这20个DB调用了相同的数据类型UDT1。这样的程序结构尽可能简化了每台秤相同部分功能的编程工作量，提高了PLC程序设计的效率，同时提高了程序的正确性、可靠性及后期程序维护的效率。

图3 S7-300程序调用结构图

3.2 硬件配置与地址分配

S7-300PLC系统硬件配置图如图4所示，硬件配置主要包括对电源PS模块、CPU模块、接口IM模块、信号SM输入与输出模块及20台称重仪表的配置。配置中要注意，称重仪表首先要安装相应仪表的GSD文件，然后才能在硬件配置界面的模块目录树中找到相应的仪表模块，本系统仪表的配置使用了2AO加2AI的模式，即每块仪表的读与写各使用2个字。配置中还要注意称重仪表DP地址的设置修改，以及所有I/O地址的统筹规划与设置修改。

液氯钢瓶充装PLC系统地址分配表如表1所示。S7-300CPU的PROFIBUS-DP总线地址为2，其他20台称重仪表的DP地址分别为11至30。称重仪表的I/O地址从IB30、QB30开始至IB127、QB127结束，为了记忆地址的方便性，仪表地址一般都是从0或5开始，每台仪表的AI/AO总共占用8个字节。每台秤的充装控制各占用8个点输入和8个点输出，地址从I0.0、Q0.0开始至I19.7、Q19.7结束。

图4 S7-300PLC系统硬件配置图

表1 液氯钢瓶充装PLC系统地址分配表

3.3 充装主控制流程

远程控制方式时，20台钢瓶秤的充装主控制流程基本相同，主要包括充装流程与复检流程，FC301为液氯充装主控制流程共用功能，所以每台秤的FC都调用了FC301，FC301的充装流程如图5所示，FC301的复检流程如图6所示。

按下现场操作箱上的充装启动按钮即为启动充装。PLC可以通过获取称重仪表的毛质量值，并与正常钢瓶的皮质量进行比较来判断钢瓶上秤与否。PLC同样可以通过获取称重仪表的净质量状态及当前质量来判断去皮是否成功。钢瓶的允差值来自于上位机，通过PLC判断后进行允差报警输出。通过称重仪表净质量数值可以判断钢瓶是否下秤。若钢瓶已下秤，则净质量为负值。通过对称重仪表皮质量状态的获取可以判断清皮是否成功。若仪表显示皮质量为零，则清皮完成，而后充装流程跳转至初始状态。

按下现场操作箱上的复检按钮即为启动复检。PLC先把当前秤的复检请求发送给上位机，上位机收到请求后应答PLC，并就当前秤的称重数据与复检秤的称重数据进行比较，然后把复检合格或不合格的信号发送给PLC，再通过现场操作箱上的指示灯输出复检结果。

3.4 上位机监控

本系统上位机作为液氯钢瓶信息管理计算机，通过MPI通信与PLC之间实时交换数据。每台液氯钢瓶秤的上位机与PLC之间数据交换表如表2所示，20台钢瓶秤的数据交换表基本相同，在PLC程序中有20个DB块分别用来作为20台秤与上位机的数据交换区域，DB块的数据格式与表2中描述的数据格式相同。表2中主要包括两类数据，一类是PLC传送至上位机的数据，一类是上位机传送至PLC的数据，数据包括位、字节和实数类型。

上位机不仅参与充装及复检控制，同时对钢瓶数据进行存储、分析、显示、打印等操作，并且液氯充装实时数据及历史数据也可以通过上位机进行查看。上位机与中控室LED大屏幕连接，钢瓶的实时充装数据及状态都可以在大屏幕上显示。操作人员一般不需要经常在现场观察充装情况，只要在中控室通过看大屏幕就能了解现场20台秤的充装情况；需要人工操作的时候再去现场操作，这样极大地减少了现场遗漏氯气等情况对人员身体造成的伤害。另外，上位机还可以通过企业网(Intranet)与MIS(企业管理系统)或ERP进行数据对接，有效提升企业信息化管理水平。

图5 充装流程图

4 控制系统优化

在实际应用过程中，控制系统主要出现了称重仪表DP通信偶尔故障的情况，表现为正常充装过程中在称重数据未达到目标值时会提前完成充装，并超差报警，这样给生产带来了很大不便。经现场不断观察和分析，认真听取操作人员描述，结合现场出现的故障现象，详细分析故障原因，对偶尔出现通信故障的情况采取了3项措施：①重新对系统所有电气设备进行更可靠地接地处理；②优化PLC程序，对PLC读取称重仪表的称重数据进行了比较、算术运算等处理，对明显太大或太小的数据限定了最大值和最小值，并采用多次读取数据再求平均值的方法；③在9号秤与10号秤的DP通信总线上添加了西门子RS485中继器，用于增强通信传送信号。上述3项措施实施后，经过一段时间观察，系统基本没有再出现充装未到目标值而提前完成充装的情况，系统整体运行情况良好。

图6 复检流程图

表2 液氯钢瓶秤上位机与PLC数据交换表

5 结语

上述液氯钢瓶智能充装控制系统在某电化企业已成功应用，系统使用过程中，经过几次对控制系统升级优化及方案改进措施，目前运行稳定，故障率较低，生产效率大幅提高，操作人员劳动强度及生产过程安全隐患明显降低，钢瓶充装智能化水平和钢瓶管理信息化水平显著提升。