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晏朋飛（1978－）
男，助理工程師，主要從事工業自動化控制系統的開發和應用工作。



摘要：本文介紹了有機錫熱穩定劑的生產工藝過程，闡述了ControlLogix控制系統的組成及其監視和控制過程的實現。實踐表明，ControlLogix系統作為一個高性能的控制平臺具有結構簡單、通訊能力強和性能優越等諸多優點，為提高工廠自動化水平提供了可靠的保障。

關鍵詞：有機錫熱穩定劑；ControlLogix；冗余；ControlNet

Abstract: This paper introduces the production process of Organotin Heat Stabilizer, and describes composition of ControlLogix control system and realization of monitor and control process. The experiment shows that that as a high performance control platform the ControlLogix system is with the characteristics of simple structure, powerful communication capability and excellent performance. It improves  reliability of the automatic level of factory.

Key words: Organotin Heat Stabilizer；ControlLogix；Redundancy；ControlNet

1  引言

    近年來，隨著控制技術、微機技術、網絡和通信等技術的不斷發展，越來越多的工廠自動化系統采用現場總線、分布式控制和集中信息管理的系統結構，實現從現場設備層到控制、管理各個層次的信息交互。這種結構大大的降低了工程成本，增強了系統的開放性和可維護性，縮短了設計開發周期[1]。美國Rockwell Automation公司的ControlLogix以其高可靠性、適應工業過程現場和強大的網絡通訊能力等優點，正在不斷應用于各種化工廠的生產工藝過程中[2]。

    有機錫熱穩定劑是PVC熱穩定劑中的一種，具有高效熱穩定性、高透明性、耐候性好和無毒環保等特點，適用于壓延、吹塑、注塑等各種加工條件[3]。某化工廠是有機錫塑料熱穩定劑生產廠商，在行業內處于領先地位。該廠二期工程建成后，具有甲基錫、丁基錫和辛基錫三條熱穩定劑生產線，年產能達8000t。控制系統需要完成三條有機錫熱穩定劑生產線工藝設備的實時控制、安全聯鎖、狀態顯示，工藝參數的越限報警、數據歷史趨勢記錄和報表打印等功能。經研究分析決定，電控部分采用Rockwell Automation公司的 ControlLogix系統來實現三條生產線的實時監控。

2  工藝過程介紹

甲基錫、丁基錫和辛基錫三條熱穩定劑生產線工藝基本相似，工藝流程主要包括加料過程、混合反應、分相取樣、轉料脫水、循環過濾、成品包裝六個部分。主要設備有各種原料儲罐、反應釜、脫水罐、洗滌罐、質量流量計、泵與風機、調節閥、電磁閥和MCC等。

      
                            圖1是甲基錫生產線的簡易工藝流程圖。

    加料過程中，操作人員按照生產配方，在操作站上輸入相應原料設定值及閥門開度，打開閥門，啟動原料泵，將MTI、QBTC、EHMA等原料打至反應釜。加料時，采用變頻和調節閥控制原料的流速，并經質量、體積流量計和稱重儀實現對相應原料的計量。原料加入反應釜后，啟動攪拌機，加入NaOH溶液反應，反應過程中，通過調節加堿速度、加堿量以及蒸汽和冷卻水量保持反應釜中物料的溫度和pH值穩定在一定范圍之內來控制反應速度。加堿反應后，需要對反應釜中的物料進行沉降分相，并取分相樣品送化驗室。檢驗合格后，將底部水相通過重力分入污水處理系統。然后水洗攪拌，進行二次分相，將底部料相通過釜底泵轉至脫水罐，開始向脫水罐吹N2，同時啟動攪拌，并送入蒸汽進行升溫，完成物料脫水。取樣合格后，將冷卻物料通過脫水罐底泵轉入過濾罐進行循環過濾，過濾完成，得到的產品轉入成品罐，完成成品包裝。

2.1 稱重控制

    在反應釜加料過程中，采用質量流量計加電磁閥的方式來實現原料的稱重控制，同時采用釜底稱重儀進行校核。在原料管道中安裝有Micromotion1700質量流量計，該流量計采用自適應220VAC/24VDC電源供電，4~20mA兩線制輸出，最大流量30000kg/h，流量測量精度高達0.15%。當原料流經流量計時，流量計將當前的瞬時流量轉換成電流信號遠傳至控制系統。ControlLogix軟件開發平臺RSLogix5000將程序執行分為周期掃描和定時掃描兩種任務模式，這為流量計算提供了極大的方便，只要將流量計算部分作為一個單獨的子任務，然后將其配置成為定時掃描模式，就可完成對輸入的瞬時流量信號的采樣和累加功能，這樣就簡便地實現了原料的稱重控制。

2.2 pH值控制

    在熱穩定劑反應過程中，需要調整反應釜中溶液的pH值在5.5±0.5范圍之內，pH值的調整是通過控制加入反應釜中的18%的NaOH溶液的量來實現的，運用ControlLogix中的PID指令，通過對pH值的PID控制，實現對調節閥開度的自動控制。如圖2所示，PID指令將來自pH計測得的模擬量輸入信號作為過程變量PV，將18%的NaOH調節閥的開度作為控制變量CV，通過PID調節，以保證過程變量PV達到所希望的設定值SP。

 
                                              圖2   PID控制圖

3  控制系統的構成與實現

ControlLogix控制系統集順序、過程、運動和傳動控制為一體，采用模塊化結構，用戶可以自行設計和更改系統，極大地節省了費用和成本[4]。為保證系統控制和通訊的可靠性，本系統采用控制器框架冗余和ControlNet網絡冗余結構。如圖3所示，控制系統由2個控制器框架、4個遠程I/O框架、3臺操作站和1臺工程師站及監控軟件包等組成。

        

 
                                   圖3   自動化網絡配置圖

3.1 主控站

    主控站采用兩個完全相同的4槽冗余框架，每個框架內對應安裝有一個Logix5555控制器、一個1756-CNBR通訊模塊和一個1757-SRM冗余模塊。Logix5555處理器是Rockwell Automation公司最新一代控制器，采用32位控制總線，其控制能力可達數字量128,000點、模擬量4000點。在其內核設計中具有通訊能力，從而大大提高了系統的通信性能。控制器冗余不需要進行額外編程，它對ControlNet網絡上的其它設備都是透明的，只需用光纖連接兩1757-SRM模塊來保持兩冗余框架之間的通訊。系統上電時，兩臺控制器競爭成為主控制器，之后保持一主一從同步運行，當主控制器出現故障時，通過1756-SRM冗余模塊立即自動切換到備用控制器，保證了系統安全、可靠、連續運行。

3.2 遠程站

    遠程站選用1756-CNBR作為通訊模塊，經通訊模塊將4個遠程I/O站接入ControlNet網絡。遠程站以點對點的接線方式連接到現場儀表設備，完成實時數據的采集和輸出。由主控站處理器通過ControlNet網絡下達各種控制量，以完成實際操作。4個遠程站組件如表1所示。
 
                                         表1   遠程站組件

3.3 工程師站與操作站

    工程師站和操作站均安裝有Windows 2000操作系統和RSView32人機界面組態軟件。其中，工程師站主要用于開發、編制、調試應用程序，規劃和管理控制網絡。而操作員站主要是對生產線工況進行狀態監視、流程操作，即操作的人機接口，主要完成圖形、狀態、數據顯示、歷史趨勢和數據存檔、故障報警和記錄、定時報表打印以及工藝設備選擇、各類泵的啟動、停車、急停、復位和速度給定等控制操作。

3.4 網絡通訊

    本系統采用的ControlNet網是一個開放的高速確定性網絡，通信速率可達5Mbps，傳輸距離最長為30km，本系統設計傳輸距離為1km。在ControlNet網絡的配置時，每個控制器框架和遠程I/O框架均由1756-CNBR通訊模塊連到ControlNet網絡上，每個遠程I/O框架根據各自的具體要求，配置有不同的數字量和模擬量I/O模塊。程師站和每個操作員站都通過一個1784-PCIC卡接入ControlNet網絡，然后由RSNetWorx for ControlNet軟件進行網絡組態和規劃，管理各節點的歸屬，從而使網絡的擴展和走線十分靈活[5]。

3.5 編程軟件及監控畫面

    RSLogix5000軟件開發平臺提供了梯形圖LD、功能塊FBD、順序功能表SFC和結構文本ST等編程方式。雙機冗余系統中采用梯形圖編程，如圖4所示。梯形圖作為傳統的編程方式具有直觀靈活、節省內存、效率高等優點。整個控制程序主要由數據采集、報警檢測、稱重控制、pH值控制、聯鎖控制等子程序模塊組成。主程序采用任務方式對各個子模塊進行順序調用。

本系統采用RSView32組態軟件作為監控平臺，通過RSLinx驅動軟件與控制系統進行通訊，實現數據采集、實時監控、模擬工藝流程以及歷史趨勢和報表等信息管理功能。RSView32內置Visual Basic for Applications(VBA)編程語言，可以實現對RSView32項目的擴展和自定義。支持OPC標準，可以快速、方便地與眾多生產制造商的硬件設備實現可靠的通訊，同時還可以作為OPC服務器向其它OPC客戶端提供服務。RSView32的標簽配置、報警配置和數據記錄都與ODBC完全兼容，能最大限度的提高生產率。

    監控系統由甲基線、丁基線、辛基線、原料1、原料2、原料3、廢氣廢水、鍋爐、循環水、趨勢圖和報警等畫面組成，實時監控的參數包括原料儲罐和反應釜的液位、溫度、壓力、PH值，流量計的流速、閥門開度、變頻輸出百分比、泵和閥的狀態等。如圖5所示，畫面全面直觀的反映了有機錫穩定劑生產的全部過程。

 
                                   圖4   RSLogix5000編程環境

      

                                      圖5   甲基線監控畫面

4  結束語

    該項目已成功投產，運行穩定，實現了有機錫熱穩定劑生產線工藝設備的監視與控制。ControlLogix系統作為一個高性能的控制平臺具有結構簡單、性能優越、系統可靠性高、編程調試方便快捷，監控界面友好和通訊能力強等諸多特點，為提高工廠自動化水平提供了可靠的保障。

參考文獻：

[1] 薛興昌. 工業自動化的技術發展 [J]. 冶金自動化，2003，（z1）：1-4.

[2] 田力.  ControlLogix在乳清蒸發系統中的應用 [J]. 自動化技術與應用，2005，（6）：58-59.

[3] 錢慶榮. 有機錫熱穩定劑的研究進展 [J]. 塑料科技，2002，（1）：34-36.

[4] 孫宏偉.  ControlLogix在大型順序控制系統中的應用 [J]. 電氣時代，2004，（5）：74-76.

[5] 孫偉.  A-B 通訊網絡在冀東水泥廠生產一線改造中的實施 [J]. 自動化博覽，2001，（1）：13-14.