西门子6ES7216-2BD23-0XB8大量库存

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介绍了烧碱自动发货系统的设计方案及应用情况：即将质量流量计的信号转换后送给PLC，再通过程序控制发碱阀门的开关，实现自动发货；应用OPC实现数据的存储和远程传输功能。

    1 手动发货存在的问题

    青岛海晶化工集团有限公司（以下简称“青岛海晶”）生产质量分数为32%和48%的离子膜法烧碱，对外销售。原来运输碱的车要先通过汽车衡过磅得出皮质量，然后到罐区装碱，再到汽车衡过磅，计算出碱的净质量，最后凭磅单出厂。其中碱发货全部通过手动进行，其操作方法如下：操作人员手动打开工艺发碱阀，然后按动手动按钮开泵，开始发碱，碱管道上装有高精度的质量流量计，质量流量计将流量信号送到无纸记录仪，操作人员根据无纸记录仪上显示的流量累积值判断是否达到需要的发货量，当累积值接近发货量时，迅速关闭工艺发碱阀，完成发碱操作。

    该手动操作存在以下问题。①无法准确控制发碱量。装少了，要进行*2次发碱，影响工作效率；装多了，碱会溢出，不但造成经济损失，而且可能威胁周围工作人员的安全。②操作人员工作量大，不仅要操作阀、泵，还要记录无纸记录仪的数据，用来计算下次的发碱量。③步骤繁琐，发碱完成后，还要过磅得到准确的质量，造成了重复劳动。

    2 自动发货的实施

    基于手动发货存在的问题，青岛海晶采用了如下解决方案：利用现有的质量流量计作为流量测量元件；在管道上增加气动开关阀控制碱的流动；在操作室增加小型PLC控制系统，将各仪表、阀门和泵的信号接入PLC系统，PLC负责集中处理质量流量计等现场送来的各种信号，并根据累积值控制泵和阀门执行相应的操作，实现自动控制，从而达到实现自动发货的目的。

    2.1 质量流量计与PLC系统

    质量流量计是较先进的流量测量仪表，主要依靠传感器内U型流量管的振动测量流量。质量流量计对质量的直接测量不受流体特性参数的影响，测量流体的在线密度不需通过其他技术进行周期性采样，而且具有计量准确度高、可靠性强、维护量小等优点。

    自动发货系统比较小，I/O总数在20个左右，数据运算量也不大，因此选用了西门子公司的S7200小型PLC系统。S7200是西门子专门针对各种小型控制系统设计的逻辑控制装置。该系统硬件设计结构紧凑，功能繁多，可以处理电流、电压、脉冲、数字量、热电阻等信号；内含位逻辑、定时器、复杂数学运算和各种智能模块通信指令，可以针对各种控制应用作出理想的解决方案。S7200支持上位机通信，可以在上位机上通过WinCC软件显示PLC内的变量、定时器、I/O状态，或对变量、输出进行控制。

    2.2 自动发货系统设计方案

    控制系统设计思路如下。①质量流量计负责测量管道中流过的烧碱质量，并转换成电流信号送给PLC。②在管道上加装3个气动球阀，每个球阀的气缸上都装有电磁阀，电磁阀接收来自PLC的电信号，通过改变气路控制阀门的开关控制碱的流动。每个球阀都带有位置反馈远传装置，可以将阀的状态信号送给PLC用于逻辑判断。③在碱泵启动回路中串入PLC开关信号，使PLC能控制碱泵的启停；同时，碱泵的运行状态信号反馈到PLC系统，用于逻辑判断。④为防止PLC系统出现故障，影响发货，在机柜表面增加后备手动开关，操作人员在确认PLC故障时，可以通过手动开关进行发货控制。

    系统结构示意图如图1所示。

    2.3 自动发货流程

    PLC自动发货界面如图2所示。

    以质量分数32%烧碱为例，操作人员首先将机柜表面“手/自动”开关置于“自动”位置，然后在“发货参数”页面的“设定质量”一栏输入发碱量，确认数值正确无误后，点击“开始发货”按钮，PLC自动发货程序开始运行，先打开回流阀，PLC接收到回流阀开反馈信号后，会发出开泵指令，泵启动后，碱在碱储罐、泵和回流阀之间循环，保证管道内充满碱液，这样可以减少质量流量计的测量误差，循环10s后，PLC发出指令打开加料阀1，延时打开加料阀2，并关闭回流阀，流量计开始计量，质量流量计将测得的流量转换成4～20mA电流信号，送入PLC系统，PLC将电流信号转换为数字信号，并进行累加，同时比较累加值与发货“设定质量”，当“次累积量”达到与“设定质量”相差600kg时，开回流阀；当“次累积量”达到与“设定质量”相差300kg时，关加料阀2；当“次累积量”达到“设定质量”时，关加料阀1，停泵，回流阀延时关闭，发货完成。

    为防止管道剧烈震动，影响质量流量计的准确性，在启动泵时，PLC系统通过程序互锁，确保提前打开阀门；停泵时要延时关闭阀门；出现故障时，为防止设备损坏，增加了一些保护连锁，如所有阀门没有开反馈，禁止启动泵连锁；“次累积量”与“设定质量”差值设定，可以根据实际发货所用的时间进行修改，以减少发货时间，降低能源消耗。以上都可以应用PLC系统修改和设置。

    2.4 数据的存储、打印

    应用自动发货系统以前，罐车要2次去汽车衡过磅，得出皮质量和毛质量，然后由地衡配套的称重软件算出碱的净质量，并与收货厂家、车号等重要数据一起存储，司磅员将存储的数据打印成磅单，交给司机，司机凭磅单出门。

    自动发货系统的数据存储、打印是通过WinCC的OPC、SQL功能和VB实现的。OPC（OLEforProcessControll———用于过程控制的数据通信技术）是由世界良好的自动化和软、硬件公司与微软公司共同制定的工业标准，简单地讲，就是使用微软操作平台的用户，可以将DCS、PLC等过程控制系统的数据通过第3方软件读取出来，进行统计、查询、处理等。

    存储、打印操作界面如图3所示。

    首先应用VB制作程序，将该程序引用西门子插件，可以从WinCC的OPC接口中读取数据，为保证数据的准确性，所有数据设定为每0.5s更新1次，在程序中加入SQL数据库插入、修改、读取等命令，执行各种操作。

    在WinCC监控画面上制作单据，输入数据时，质量是由PLC根据质量计的信号自动累加的，*人工输入；车号、用碱单位名称、出库单号等数据需要操作人员根据财务计划单上的数据人工输入。为方便操作，将用碱单位名称和车号编码后，存入数据库*的表中，操作人员只要输入编码，VB程序会自动从数据库中读出对应的单位名称和车号，进行存储或打印。

    每次发货停止后，操作人员须核对输入的数据，确认无误后存储。此时，VB程序开始从WinCC读取操作人员输入的数据，然后将数据存入数据库*的表中。存储完成后，点击打印按钮，VB程序就从数据库中读出刚存储的数据，并按*的格式打印出来。

    操作及打印流程如图4所示。

    经过多次调试和修改，自动发货系统计算的质量与地磅称得的质量完全相同，而且精度更高，可以精确到1kg（地磅精确到20kg），单据存储和打印程序也能长周期稳定运行，现在已经完全取代了手动发碱、过磅、凭磅单出厂的操作流程。

    自动发货系统投入运行后，操作人员劳动强度大大降低；司机也不再担心装碱过量导致安全事故，而且不需要排队过磅，节省了时间。根据实际使用情况和公司的需要，通过网络连接上位机数据库与财务数据库，实现了实时数据的远传，为青岛海晶ERP网络的建设提前做好了准备。

    3 结语

    该自动发货系统已稳定运行1年多，不但简化了烧碱的发货流程，提高了工作效率，改善了工作环境，降低了操作人员的劳动强度，提高了充装液碱过程的安全性，而且杜绝了人为对液碱出厂数据的干预，提高了计量精度，减少了贸易摩擦，值得在氯碱行业推广

课题是 PS 版生产线表面处理段调送液系统自动化改造项目，主要为研发适用于工业现场的基于PLC的表面处理液浓度、温度及液位的自动化检测与控制系统，以改变目前人工控制的现状，提高控制的实时性与准确性。

1 碱溶液浓度检测的原理

1.1 碱溶液浓度与电导率的关系[2]

碱溶液，属于电解质溶液范畴。电解质溶液之所以能导电，是因为溶液中有离子的存在。当电流通过电解质溶液时呈现出与金属一样的电阻Rs，溶液的电导G用其电阻Rs的倒数来表示：

从式2中可以看出，当λ、δ为常数时，电导率S就仅是浓度δ的函数，而δ仅决定于溶质的分子量。当溶液浓度较低时，当量电导率λ近似为常数，故电导率 S与浓度χ接近线性关系。

但在浓度较高时，电导率与浓度之间会出现非线性或双值关系。这是因为，电解质溶液的离子数量不仅与溶液的浓度有关，还与在该浓度下的电离度有关，当浓度增加到一定数值时，溶液的电离度减小，使离子总数下降，导致电导率下降[3]。

碱溶液浓度对电导率的关系曲线，如图1所示。

针对NaOH对应的曲线进行分析，可见碱液浓度对电导率值的关系既不是线性的也不是单值的，而是存在如下规律：

1)当碱液质量百分比浓度为16%～18%(折合体积浓度约153～166g/L)时，对应曲线出现峰值，说明此时电导率值较大;

2)当碱液浓度较低时, 电导率随其浓度的增大而增大;

3)当碱液浓度增大到一定值，即约153～166g/L后，随着离子的增加，由于正负离子之间的相互作用加大，互相束缚使得离子运动受阻，从而出现了浓度增大电导率值反而减小的现象[4]。

本文的研究对象为体积浓度中心值为 35g/L的碱溶液，折合质量百分比浓度为3%～5%的范围内，从曲线上观察，该范围对应的曲线是单调递增的。

值得提出注意的是，温度对电解质溶液的电导率会产生较大的影响，这是因为溶液温度不同，离子的运动速度会有不同。当温度升高时，溶液粘度降低，离子运动速度加快，在电磁场的作用下，离子的定向运动速度也加快，从而使得溶液的电导率值增大;反之，当溶液温度下降时，其电导率值会相应的减小。因此此，在对碱液浓度的控制中，对于液体及环境温度的控制，也是一个十分关键的方面，不容忽视。

1.2 碱溶液浓度与比重的关系

对于碱溶液、碱的混合液的浓度与比重关系的问题，相关研究通过实验测定与分析，取得了一定的成果。

1.2.1 NaOH溶液的比重与浓度的关系

通过分析NaOH溶液在20℃时浓度与比重的实测曲线[5]发现，其比重与浓度不是呈严格的线性关系变化，而是呈下列指数关系：

1.2.2 NaOH溶液的比重与温度的关系

随着温度的升高，NaOH溶液的比重下降，但浓度与比重关系曲线变化趋势保持不变。

综上，在碱溶液浓度中心值35g/L、碱洗温度50℃～70℃的工艺条件下，存在如下规律：

1)碱溶液的电导率和浓度呈单调递增趋势的线性关系变化;

2)碱溶液的比重和浓度呈单调递增趋势的指数关系变化;

由此，对多组分碱溶液浓度的，即可以转化为对其电导率和比重的检测来间接实现。

2 浓度控制方案设计

由以析得出的结论，对于碱性除油液浓度的控制，可以通过对其电导率和比重值的控制来间接实现。

首先，设置两个被控量，分别为：

1)电导率值，设为 X，以横轴表示;

2)比重值，设为 Y，以纵轴表示。

如图2所示，两坐标轴将平面区域划分为四个象限：

在控制中规定，电导率值X在【a1，a2】区间内，被认为是工艺条件许可的正常范围;同样，比重值Y在【b1，b2】区间内，被认为是工艺条件许可的正常范围。

由此，在上图中过四个边界点的矩形区域，就是被控系统的目标工艺浓度范围，在这里我们称之为“盲区”。即可认为，当检测值落在这个区域内时，系统是不动作的，而当检测值偏离这个范围时，系统将通过控制与调整，使其进入这个区域内。

2.1 浓度调节控制策略

在控制过程中，需要加入三种液体，以调节碱洗处理液的电导率值和比重值，达到对其浓度进行控制的作用：

1)加入NaOH原液

调节处理液的电导率和比重值，在本课题控制系统的工艺浓度范围内，NaOH原液的加入，将使电导率值升高，比重值升高。

2)加入纯净水

调节处理液的电导率和比重值，在本课题控制系统的工艺浓度范围内，纯净水的加入，将使电导率值降低，比重值降低。

3)加入偏铝酸钠

在碱洗处理液中，加入偏铝酸钠可以达到加入碱和Al3+的双重效果。因为单纯加入NaOH原液，会使得铝板腐蚀严重。碱性的偏铝酸钠的加入，既调节了溶液的碱性，又补充了混合液中的 Al3+，从而防止了铝板基受到严重的腐蚀。

在控制实现方式上，NaOH原液和纯净水的补加，通过自动或手动控制均可实现，可以通过上位机监控画面中按钮或现场转换开关进行“自动/手动”切换。偏铝酸钠的加入，则是通过上位机输入补加量，下位机控制执行机构进行补加。

2.2 浓度控制方案

1)**象限(Q1)控制方案加入纯净水，使电导率值降低，比重值降低，

直至检测值进入“盲区”。

2)*二象限(Q2)控制方案

(1)*二象限一区(Q2-1):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例2：1)，降低比重值，升高电导率值，直至检测值进入“盲区”。

(2)*二象限二区(Q2-2):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例1：2)，降低比重值，升高电导率值，直至检测值进入“盲区”。

3)*三象限(Q3)控制方案

加入NaOH原液，升高电导率值，升高比重值，直至检测值进入“盲区”。

4)*四象限(Q4)控制方案

(1)*四象限一区(Q4-1):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例1：2)，升高比重值，降低电导率值，直至检测值进入“盲区”。

(2)*四象限二区(Q4-2):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例2：1)，升高比重值，降低电导率值，直至检测值进入“盲区”。

3 软件系统控制流程

控制系统包括系统初始化子程序与浓度控制程序，系统初始化子程序流程如图3所示：

初始化子程序有两个主要的作用：

1)设置电导率X、比重Y等工艺参数。如图4所示，其中：

a为工艺要求的较佳电导率值，a1、a2分别为工艺允许电导率下、上限值;

b为工艺要求的较佳比重值，b1、b2分别为工艺允许比重下、上限值。

2)定义“盲区”范围，设置状态标志位。

浓度控制程序，依照如图5所示的流程进行。

在对碱性铝板基除油液浓度的检测与控制过程中，还必须考虑到温度的影响。通常情况下，温度越高，除油脱脂的速度越快，但温度过高，一方面会加速碱液对铝板的浸蚀，另一方面将会造成能源消耗的增加;反之，若温度过低，将导致脱脂速度过慢，显著延长脱脂时间。

由于该线碱洗温度为50℃～70℃，在此工艺条件下，以将温度控制在60℃为控制目标。

4 结论

本课题是 PS 版生产线表面处理段调送液系统自动化改造项目，主要为研发适用于工业现场的基于PLC的表面处理液浓度、温度及液位的自动化检测与控制系统，以改变目前人工控制的现状，提高控制的实时性与准确性。

课题采用 SIMENS 公司的 S7-200 系列 PLCCPU226作为现场控制单元，采用PC机作为上位计算机，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件建立对下位机 PLC 的控制程序。

上位机监控系统，应用组态王软件设计人机交互界面，实现了对处理液电导率、比重、温度等工艺参数的实时数据、变化趋势曲线，现场各泵、阀门的控制状态以及储箱液位的实时监测与控制，并可实现在线的参数修改和控制方式转换等功能。

本文介绍了PLC 和触摸屏在大输液柜控制系统中的应用和所要满足的控制要求,以及系统硬件结构的设计。本文详细论述了系统的设计方案,各部分硬件的构成,完成了软硬件及外围电路的设计开发,并结合实际运行情况对系统做了进一步的改进和扩展,减少了系统布线,投资少,控制系统稳定,具有较好的推广价值。实际应用表明,该系统具有抗干扰性好、自动化程度高和实用性强的特点。

1 引言

药品是一种特殊的商品,药品质量与人民群众的健康和生命安全息息相关。作为药物进入人体的载体—生理盐水(大输液),其生产的安全性日益受到国家和药厂的重视,而则是整个大输液生产流水线中保证产品安全的较核心部分。是指杀灭一切的病原微生物, 包括活体病原菌和非病原菌及其芽孢或孢子, 使以后的物体无任何存活的微生物。对大输液一般采用大型水浴柜进行,其原理是利用饱和蒸汽在冷凝时释放出大量潜热的物理特性,使待的大输液处于高温和潮湿的状态,经过一段时间的保温从而达到的目的[1]。为了使大输液的过程达到自动化控制,本文对柜的电气控制系统硬件部分进行了设计及现场调试,采用 PLC 控制、触摸屏操作,使过程自动控制、操作简单并具有报警和误操作保护功能, 完全达到了生产控制要求。

2 柜的结构

2.1 主体介绍

大输液柜内壳选用优质不锈钢板制造,外面带有加强圈或加强筋加强,可承受 0.25MPa 的工作压力。

2.2 密封门

器采用气动平移式密封门,密封门用气动方式实现左右平移,到密封位后压缩气将密封圈推出实现密封,结束后先利用真空将密封圈抽回密封槽, 然后门驱动气缸将密封门移开。

密封结构全自动操作, 双门可实现联锁, 同时实现安全联锁, 保证室内有压力时和操作未结束时, 密封门不能被打开。执行机构采用无杆气缸及控制阀、进口活塞角座阀及先导电磁阀和行程开关等优质部件,控制精确、行走平稳。选购符合国家质量技术监督局要求的压力安全联锁装置, 当门没有关闭密封时, 不会对柜进行加热升温, 升压; 柜内压力没有完全释放时, 密封门不能开启。当一端密封门关闭时, 另一侧的密封门才能打开,保证了前室和后室的有效隔离。手动开启装置: 停电时, 可先手动开启阀门将柜的压力释放, 待柜的室内温度冷却至安全温度后, 将门密封换向阀手动转向至卸压位置, 将密封槽内的压力释放, 然后将气缸换向阀换向, 推动密封门移至开启位置, 即可取出药品。

2.3 管路系统

器的管路系统按工艺的要求进行设计,主要由循环泵、板式换热器、若干执行阀件和先导阀以及若干管件组成。管路系统若按功能可分为:进离子水管路、进蒸汽管路、进冷却水管路、循环管路、热交换系统、进压缩气管路、**压排汽管路、排离子水管路、排冷却水管路、冷凝疏水管路、门密封和抽空管路以及压力容器安全系统(安全阀)。

2.4 控制系统

控制系统采用微机组态过程自动控制方式,主要由现场控制系统和上位计算机两部分组成,现场控制系统完成数据的采集和输出相应的控制信号。上位计算机接收现场控制系统(PLC)送出的数据,对数据进行分析、显示和记录,同时根据所记录的数据报表和趋势[1],以达到对过程的监控和数据处理的功能。

2.5 自动进出车装置

由于考虑操作工人用人力进出的繁重的体力劳动,同时人员进入室很不安全,且可能对室的洁净环境造成污染, 因此设备增加了自动进出车装置。

3 柜的工作原理及操作界面设计

3.1 柜的工作原理

首先,注水阀 F6 与排气阀 F10 同时打开,进水到上水位后转入升温阶段。注水阀和排气阀关闭,循环水泵启动,同时大进汽阀 F2、小进汽阀F3、疏水阀F8 及冷凝水旁通阀 F11 打开,当下部测温点达到设定的转换温度95℃时,大进汽阀 F2 间断开启关闭,直至达到设定温度。当室内八个温度检测点全部达到温度要求,程序转入阶段, 保温过程中, 通过小进汽阀 F 3 的开关,调节室内压力的稳定。当T1 —T8 的测量值达到程序设定值后, 并且时间达到程序设定值后, 程序转入冷却阶段。大小进汽阀关闭,小冷却水阀F5、排冷却水阀F9 开启。当TL 温度低于设定的转换温度 90℃时,大冷却水阀 F4 打开,以加快冷却速度,缩短降温时间。当 T1 — T8 点中的其中六个点的温度降到设定的冷却温度时,冷却过程结束。大小进冷却水阀 F4、F5、排冷却水阀F9、进压缩空气阀F1 关闭,循环水泵停止运行,同时排气阀 F10 打开,当内室压力降到 0 时,程序结束。

整个升温, 保温, 冷却过程, 通过压缩气阀 F1 和排气阀F10 的开关,控制室内压力的平衡

3.2 操作参数

正式前操作员检查柜的各公用介质压力,蒸汽压力范围为0.30Mpa-0.50Mpa,冷却水压力0.20Mpa-0.40Mpa,压缩空气压力0.40Mpa-0.70Mpa,公用介质正常后,输入各项参数。

3.3 操作界面设计

启动电脑,选择“操作员”输入密码后,进入主控窗口画面点击“运行”按钮进入到设置画面,操作员按规定设好各项参数:品名、规格、批号、数量、温度115℃、时间30min、冷却温度为55℃、压力系数为 5.0、操作员号并确认后“,”启动程序按钮由灰色变为黑色,点击“”启动按钮选择启动程序,观察“门关”信号由黑色变为绿色,此时“启动”按钮由灰色变为黑色, 单击“启动”按钮, 程序即开始自动运行, 依次完成注水、升温、、冷却、排水。程序结束后“,结束”按钮由黑色变为绿色,此时单击“退出”。回到参数设置画面。按后门控制盘开门按钮,后门开启,把后的产品由自动进出车推出。

4 电气控制线路设计

4.1 柜自控程序流程图设计

程序流程图设计如图 2,因保密及篇幅所限,程序编写略。

4.2 电器选型

根据控制要求所选电器配置如下:

1) PLC 选用S7 —200 CPU226;配置2 个数字量模块EM222,配置3 个模拟量模块EM235。

2) 配置两相空气开关(DZ47 —63)一个,电源滤波器一个,一个直流 24V 电源。

3) 柜前后门配置船型开关一个,配置中间继电器一个, 水位继电器 2 个。

4) 各种阀门 16 个,指示及报 5 个,电机 2 台。

5) 各种开关及按钮多个,温度变送器 8 个。

6) 步科触摸屏 1 台,型号300C。

7) 步科触摸屏与S7—200 CPU226通信电缆一根。

8) 触摸屏组态软件EV5000。

4.3 电气控制线路设计

控制系统由 PLC 控制箱、触摸屏、泵启动器、气动阀、电磁压力控制器、压力变送器、按钮、指示灯显示仪器等组成。PLC机采用西门子S7-200 CPU226型,根据预先输入的程序进行工作、接收、处理各种信号,控制程序流程。西门子 S7-200 作为主控制器,触摸屏作为人机界面, 测温探头将热电阻测温信号传送　热电阻模块, 转换成可编程序控制器可以接收的数字量, 测压力的压力变送器将压力信号转换成标准电流信号然后经模拟量模块转换成数字量传送给可编程序控制器处理,并在人机界面上显示。(电气控制线路设计见图 3、图 4)。

5 结束语

该设计的使用, 可大幅度减少大的废品产生率, 降低生产人员的劳动强度, 增强工作人员工作的安全性,提高劳动效率, 创造较好的经济效益。