管道清洗裝置自控系統(tǒng)研制

李志東，戴思丹

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

工業(yè)設(shè)備在長期使用中，管道及設(shè)備會積聚大量雜質(zhì)，造成管道堵塞，影響產(chǎn)能。在處理管道內(nèi)雜質(zhì)時需大量人力物力，且耗費工時長，大大增加了工人的勞動強度并且降低了勞動效率。管道清洗裝置可進行管道自動化清洗，可提高清洗效率。其工作過程為：以一組管道為單位，將清洗裝置通過管道和閥門，臨時接入該組管道中，通過調(diào)整閥門，配合壓力、溫度控制等工藝操作，完成一組管道的清洗。因此，清洗裝置配套的自控系統(tǒng)需要控制閥門操作，監(jiān)控壓力、溫度等工藝參數(shù)保證工藝操作的正確性，這在清洗工藝中起到關(guān)鍵作用[1]。同時，管道清洗的特點是依次對數(shù)組相同的管道進行管道清洗。因此，配套的自控系統(tǒng)應(yīng)具備可移動的特性。另外，工作現(xiàn)場管道密布，可利用空間小，因此，自控系統(tǒng)必須滿足結(jié)構(gòu)約束要求。

工業(yè)設(shè)備運行實驗自控系統(tǒng)多數(shù)采用世界領(lǐng)先的工控產(chǎn)品進行設(shè)計，比如以西門子S7系列PLC為硬件、WinCC為軟件的系統(tǒng)架構(gòu)，或者AB系列PLC為硬件、SE為軟件的系統(tǒng)架構(gòu)。這種架構(gòu)雖功能強大，但是無法滿足小型化自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束要求。因此，設(shè)計能同時滿足功能要求以及結(jié)構(gòu)約束的軟硬件架構(gòu)是研究重點。同時，需進行移動式自控系統(tǒng)的設(shè)計，拆裝接口優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)設(shè)計。清洗裝置是臨時裝接到某一組管道上，操作頻繁，步驟復雜，在這種情況下通過自控系統(tǒng)實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的安全防護也是設(shè)計的關(guān)鍵。

本文在保證自控系統(tǒng)功能的前提下，對控制機柜的小型化、可移動和快速拆裝等特性進行研究，特別是對移動自控系統(tǒng)在管道裝置中應(yīng)用的安全防護問題進行針對性設(shè)計，以滿足移動自控系統(tǒng)在管道裝置應(yīng)用的各種控制需求。

1 研制目標

1.1 系統(tǒng)功能要求

(1) 系統(tǒng)的控制機柜設(shè)計為可移動和能快速拆裝的小型化機柜。

(2) 系統(tǒng)對各項參數(shù)實現(xiàn)準確采集顯示、數(shù)據(jù)存儲及查詢和數(shù)據(jù)導出，能進行聲光報警，具備報警限調(diào)整和屏蔽報警的功能。

(3) 實現(xiàn)手動/自動控制電動閥，發(fā)生緊急情況時可快速關(guān)閉電動閥。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)需求

系統(tǒng)實現(xiàn)對壓力、溫度等模擬量和閥門及真空泵狀態(tài)等開關(guān)量的采集，對聲光報警器和電動閥等開關(guān)量進行控制，經(jīng)過統(tǒng)計，其參數(shù)需求見表1。

表1 參數(shù)需求統(tǒng)計Table 1 Parameter requirement statistics

1.3 研制重點

1.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 現(xiàn)場不設(shè)儀表柜，檢測單元的信號直接接入自控系統(tǒng)，壓力計需要自控系統(tǒng)提供電源；現(xiàn)場可用通道寬約2 m，空間較狹小，采集和控制的參數(shù)較多，要求硬件設(shè)備小型化；管道清洗的特點是依次對數(shù)組相同的管道進行管道清洗，其配套的自控系統(tǒng)應(yīng)具備可移動的特性，同時需提高機柜的拆裝效率，這是該自控系統(tǒng)研制的重點。

1.3.2系統(tǒng)的安全性設(shè)計 系統(tǒng)的安全性是保證該系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。在清洗裝置運行過程中，系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測、控制和保護功能；出現(xiàn)特殊情況時(如密封性破壞)，能快速關(guān)閉電動閥，實現(xiàn)截斷隔離，保護設(shè)備不受事故破壞，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

2 軟硬件選型

2.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要包括人機交互單元和數(shù)據(jù)采集與控制單元。自控系統(tǒng)的小型化首先需要合理的硬件選型，不僅要滿足功能要求，還要滿足小型化需求。

2.1.1人機交互單元 通過調(diào)研各類型的工控一體機，最終選擇研華工控機UTC-515D-PE，它是研華科技有限公司一款多功能觸控一體機，其尺寸為390 mm×240 mm×45 mm，重量約為4.85 kg，可觸摸控制，可使用軟鍵盤，減小占用機柜的面積，符合系統(tǒng)小型化的設(shè)計原則；配置高、運行速度快，符合系統(tǒng)編制顯示、控制、報警與屏蔽、數(shù)據(jù)存儲及查詢的上位機監(jiān)控程序的性能要求。

2.1.2數(shù)據(jù)采集與控制單元 選擇泓格控制器ET-87P8-TCP作為數(shù)據(jù)采集與控制單元，其尺寸為312 mm×132 mm×111 mm，自帶2個網(wǎng)絡(luò)接口，不用增加網(wǎng)絡(luò)交換機，即可同時接入兩臺工控一體機，進行數(shù)據(jù)傳輸，符合系統(tǒng)小型化的設(shè)計原則；同時，其采集精度高，可靠性好，在電磁環(huán)境復雜和惡劣的環(huán)境中具備較高的抗干擾能力，符合系統(tǒng)采集精度要求。

2.2 系統(tǒng)軟件

泓格控制器在結(jié)構(gòu)尺寸及采集精度上均滿足自控系統(tǒng)的要求，但是它只是信號采集及輸出模塊，不具備編程功能。因此，在通常監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)中，使用PLC編程完成的控制模型必須通過上位機軟件編程完成。因此，上位機軟件選型十分關(guān)鍵。

LabVIEW是一個工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了專為測試、測量與自動化控制應(yīng)用設(shè)計的高端性能與配置功能，能為數(shù)據(jù)采集顯示、控制和分析等各種應(yīng)用提供必要的開發(fā)工具，完全能夠替代PLC完成控制模型的建立和編程實現(xiàn)，通過在NI OPC Servers中建立數(shù)據(jù)通道，即可與泓格控制器進行數(shù)據(jù)交互，創(chuàng)建功能強大的自動化控制系統(tǒng)[2-4]；同時，其強大的圖形化編程功能，能夠滿足系統(tǒng)人機交互的顯示、報警、數(shù)據(jù)存儲和查詢等各種功能要求，因此選擇LabVIEW編寫上位機監(jiān)控界面。

3 控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 方案概述

清洗裝置安裝大量閥門及傳感器，自控系統(tǒng)需要為其提供電源，同時，機柜還需要安裝泓格控制器及研華工控一體機。自控系統(tǒng)的硬件連接示意圖示于圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of system hardware connection

該自控系統(tǒng)包括的硬件主要有：斷路器、控制器、直流電源、工控一體機等?？刂破髫撠煵杉瘮?shù)據(jù)和控制輸出；直流電源負責給閥門、控制器和壓力計供電；工控一體機作為人機交互單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、報警屏蔽、數(shù)據(jù)存儲和查詢功能。通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制器與工控一體機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。除機柜外，在現(xiàn)場另一位置再安裝一臺工控一體機，增加監(jiān)控的便利性，同時增強數(shù)據(jù)保存的可靠性。

為適應(yīng)現(xiàn)場狹小的安裝環(huán)境，選用工控一體機作為人機交互單元，泓格控制器作為數(shù)據(jù)采集與控制單元，提出“雙背板”結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時設(shè)計航空插頭作為信號的快接插口，實現(xiàn)控制機柜小型化與快速拆裝。

3.2 控制機柜設(shè)計

柜體包括下層箱體和上層支托臂系統(tǒng)兩部分，支托臂用于安裝工控一體機，采用中空管設(shè)計方便走線，滿足設(shè)計要求。設(shè)計“雙背板”結(jié)構(gòu)， 將斷路器、直流電源、泓格控制器等安裝在主背板，如圖2所示；采用16芯航空插頭作為信號線纜接口，將其安裝在航插背板上，如圖3所示，實現(xiàn)機柜與信號線纜的快速拆裝。

圖2 主背板示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main backplane

圖3 航插背板示意圖Fig.3 Schematic diagram of aviation plug backplane

通過對元器件合理布局，控制柜柜體的整體尺寸為600 mm× 600 mm× 900 mm，工控一體機高度約1 600 mm，機柜整體重量不大于100 kg，在機柜底部加裝直徑10 mm的萬向輪，實現(xiàn)機柜的可移動性，機柜的實物圖示于圖4。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)了可移動和快速拆裝的小型化自控系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場驗證，滿足設(shè)計要求。

圖4 控制機柜實物圖Fig.4 Physical picture of the control cabinet

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)交互

泓格控制器負責數(shù)據(jù)的輸入與輸出，以LabVIEW為平臺開發(fā)的上位機軟件，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和控制信號的形成。在工控一體機上安裝LabVIEW和NI OPC Servers，利用LabVIEW編寫上位機監(jiān)控界面，完成工藝參數(shù)的顯示與存儲，控制命令的下達，實現(xiàn)報警、屏蔽、數(shù)據(jù)查詢等功能；在NI OPC Servers中設(shè)置泓格控制器的各通道地址，實現(xiàn)上位機與泓格控制器的數(shù)據(jù)交互[5]。

4.2 報警與屏蔽

參數(shù)的報警與屏蔽功能由LabVIEW編程實現(xiàn)。首先LabVIEW中設(shè)計報警限設(shè)置功能，將其數(shù)值存儲為文件，系統(tǒng)重啟后可自動獲取報警限；其次將參數(shù)的報警與屏蔽功能和報警信息的生成功能，編寫為一個子程序(子Ⅵ)，對其多次調(diào)用進行運算，可有效提高系統(tǒng)的運行效率。綜合參數(shù)值、報警限與屏蔽狀態(tài)決定是否觸發(fā)參數(shù)報警，產(chǎn)生聲光報警和顏色報警，生成報警消息，顯示報警狀態(tài)。報警屏蔽程序的設(shè)計流程圖示于圖5。

圖5 報警屏蔽程序設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of alarm shielding program design

4.3 數(shù)據(jù)存儲與查詢

上位機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲包括參數(shù)數(shù)據(jù)存儲和報警信息存儲，將這兩個功能分別編寫不同子Ⅵ，存入SQL Server數(shù)據(jù)庫中不同的表中，互不干擾。在參數(shù)數(shù)據(jù)存儲時，首先將各參數(shù)的數(shù)據(jù)匯總至變量數(shù)組中，然后打包所有數(shù)據(jù)進行存儲；在實時報警信息存儲時，使用移位寄存器，將有限的數(shù)據(jù)訪問令LabVIEW的效率實現(xiàn)最大化，減輕上位機系統(tǒng)的負荷，同時提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性[6-8]。另外，該自控系統(tǒng)正式運行時，備用工控機也可存儲參數(shù)數(shù)據(jù)和實時報警信息，進一步提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

為滿足實驗人員能直觀查詢某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)和報警情況，該系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能，程序設(shè)計為對特定時間段內(nèi)的特定變量進行數(shù)據(jù)查詢；同時該系統(tǒng)具備報警信息查詢功能，可查詢某一時間段內(nèi)的報警信息[9-11]。為支持實驗人員對事件分析的需要，查詢到的歷史數(shù)據(jù)必須支持數(shù)據(jù)導出功能。LabVIEW中可將數(shù)據(jù)直接導出為Excel文件，便于實驗人員的后期分析。

4.4 系統(tǒng)的安全性設(shè)計

清洗裝置投入運行后，自控系統(tǒng)要對清洗裝置的各項工藝參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測、控制，如果發(fā)生緊急情況(如密封性破壞)，能及時關(guān)閉電動閥，與設(shè)備截斷隔離，實現(xiàn)對主機的保護。根據(jù)工藝控制流程，電動閥的控制模型示于圖6。

圖6 電動閥控制框圖Fig.6 Electric valve control block diagram

自控系統(tǒng)的控制對象為電動閥，其控制特點是：閥門的電機上電即可實現(xiàn)打開或關(guān)閉電動閥，閥門開或關(guān)到位狀態(tài)反饋回來后，自動關(guān)斷閥門電機；在實際使用過程中，偶爾會出現(xiàn)開或關(guān)到位狀態(tài)回傳不及時的情況，若閥門電機長時間上電，會燒毀電機。根據(jù)現(xiàn)場多次實驗，電動閥執(zhí)行開或關(guān)的動作在8 s之內(nèi)，電動閥可處于完全打開或完全關(guān)閉狀態(tài)。

為實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的安全防護，設(shè)計兩套方案：閥門聯(lián)鎖狀態(tài)時，自動控制電動閥的關(guān)斷；閥門解鎖狀態(tài)時，手動控制電動閥的開關(guān)。為保護電動閥本體，以防燒毀閥門電機，自控系統(tǒng)在接收電動閥開到位或關(guān)到位信號后，或者電動閥執(zhí)行開或關(guān)的動作8 s后，自動釋放控制電動閥的繼電器，將電動閥的電機斷電。以電動閥S01為例，其控制流程示于圖7。

圖7 電動閥S01的控制流程圖Fig.7 Control flow chart of electric valve S01

為提高控制閥門開關(guān)的響應(yīng)速度，在LabVIEW編程時采用事件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)是一種多選擇結(jié)構(gòu)，能同時響應(yīng)多個事件，事件允許用戶每執(zhí)行某個特定操作時執(zhí)行特定的事件處理分支，使用事件結(jié)構(gòu)可使前面板的用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步，提高執(zhí)行效率。在程序框圖中，將判斷閥門狀態(tài)、壓力是否超限和執(zhí)行閥門開閉動作的程序放在超時事件中，將判斷聯(lián)鎖按鈕和電動閥開關(guān)按鈕是否按下的程序放在事件分支結(jié)構(gòu)中。

為避免手動操作電動閥開關(guān)時發(fā)生誤操作，在程序中加入彈框確認后再執(zhí)行操作的策略，若點擊“確定”，則執(zhí)行此動作；若點擊“取消”，則不執(zhí)行任何動作。

5 實驗驗證

5.1 參數(shù)顯示及報警屏蔽功能

5.1.1參數(shù)顯示功能測試 該自控系統(tǒng)的控制機柜裝配完成后，經(jīng)過測試，各硬件模塊連接正確，進行上電調(diào)試。在實驗室利用過程校驗儀FLUKE754(編號：19024179034)分別輸出電壓、電流等信號，在各個通道分別進行測試，監(jiān)控界面上的顯示值與輸入值相等。在數(shù)字量輸入模塊的各通道進行測試，監(jiān)控界面上的閥門狀態(tài)和真空泵狀態(tài)顯示正確，同時驗證數(shù)據(jù)刷新周期為1 s，該系統(tǒng)的監(jiān)控主界面示于圖8。綜上所述，各參數(shù)顯示功能正常。

圖8 監(jiān)控主界面Fig.8 Monitoring main interface

5.1.2報警屏蔽功能測試 在參數(shù)顯示功能測試的同時，在“報警限設(shè)置”界面設(shè)置報警上下限，用于檢測超限報警情況。在實驗過程中，若某通道未屏蔽，則該通道超限后發(fā)出聲光報警，同時顯示框變?yōu)榧t色，并實時生成報警信息；若該通道已屏蔽，則其顯示框變?yōu)榛疑藓蟛划a(chǎn)生聲光報警，實時生成一條“某時刻某通道已屏蔽”的報警信息。在超限報警時，點擊“報警確認”按鈕，消除報警聲音，但該通道的顯示框仍為紅色，直至該通道的顯示值處于正常范圍內(nèi)，顯示框才變?yōu)榫G色。綜上所述，各參數(shù)的報警和屏蔽功能正常。

5.2 數(shù)據(jù)存儲、查詢及導出功能

5.2.1數(shù)據(jù)存儲和查詢功能驗證 在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，分別打開存儲參數(shù)數(shù)據(jù)和報警信息的數(shù)據(jù)表，結(jié)果查明數(shù)據(jù)庫已可靠存儲系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)；在自控系統(tǒng)的監(jiān)控界面上，任意選擇某一開始時間和結(jié)束時間，將變量全部加入進行數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)均可完整顯示，同時也驗證了數(shù)據(jù)存儲周期為3 s。

5.2.2數(shù)據(jù)導出功能驗證 數(shù)據(jù)查詢后，點擊“導出數(shù)據(jù)”按鈕即可對當前已查詢的歷史數(shù)據(jù)進行導出和保存。單擊“清空數(shù)據(jù)”按鈕即可清空“歷史數(shù)據(jù)查詢表”內(nèi)數(shù)據(jù)。綜上所述，數(shù)據(jù)存儲、查詢及導出功能正常。

5.3 閥門控制功能

5.3.1手動控制閥門功能驗證 以電動閥S01為例說明驗證閥門控制功能的情況。在自控系統(tǒng)運行過程中，每次單擊聯(lián)鎖按鈕時，都會彈框確認后才執(zhí)行相應(yīng)的動作，提高操作的安全性。S01處于聯(lián)鎖狀態(tài)時，單擊“S01打開”按鈕或“S01關(guān)閉”按鈕，S01不可以手動操作。S01處于解鎖狀態(tài)時，手動點擊“S01打開”或“S01關(guān)閉”按鈕，進行彈框確認后，控制S01打開或關(guān)閉的繼電器上電閉合，當S01開到位或關(guān)到位狀態(tài)返回后，或相應(yīng)的繼電器上電8 s后，該繼電器斷電釋放，關(guān)閉閥門電機；在解鎖狀態(tài)下，閥門不會發(fā)生自動開關(guān)的情況。綜上所述，手動控制閥門的功能正常。

5.3.2自動控制閥門功能驗證 以電動閥S01為例，在S01處于聯(lián)鎖狀態(tài)時，PKF的測量值連續(xù)2 s超過設(shè)定值PKF，且電動閥S01處于打開狀態(tài)，S01自動關(guān)閉，同時產(chǎn)生聲光報警；自控系統(tǒng)在接收到電動閥關(guān)到位信號后，或者電動閥執(zhí)行關(guān)閉動作8 s后，自動釋放控制電動閥的繼電器，將電動閥的電機斷電。綜上所述，自動控制閥門的功能正常。

6 研制結(jié)果及應(yīng)用情況

管道清洗裝置自控系統(tǒng)已于2018年10月完成研制，實現(xiàn)對30路0～10 V信號、10路4～20 mA信號、14路PT100信號和16路數(shù)字量輸入信號的采集，控制8路數(shù)字量輸出信號，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，對各類型的端口充分預(yù)留。該自控系統(tǒng)具備可移動性和快速拆裝性，滿足工業(yè)現(xiàn)場的小型化結(jié)構(gòu)要求。在某大廳進行現(xiàn)場驗證實驗表明，各項功能及性能指標均滿足任務(wù)書要求。2018年11月，該自控系統(tǒng)運送至某廠區(qū)，正式投入使用后，一直穩(wěn)定運行，各項參數(shù)顯示準確、功能正常，沒有出現(xiàn)任何問題。

7 結(jié)論

本文通過對元器件合理選型及布局，設(shè)計“雙背板”結(jié)構(gòu)，在機柜底部加裝萬向輪，實現(xiàn)控制機柜的小型化和移動，采用航空插頭作為信號快接插口，實現(xiàn)控制機柜的快速拆裝，滿足在現(xiàn)場狹小的空間內(nèi)安裝的要求；該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時可快速關(guān)閉電動閥，實現(xiàn)截斷隔離，保護設(shè)備不受到事故破壞，增強了整個工藝系統(tǒng)的安全防護；該自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制、存儲及查詢功能可靠，穩(wěn)定性好、精確度高，具備較好的擴展功能；已成功應(yīng)用于某工廠，運行穩(wěn)定可靠。

致謝

感謝核工業(yè)理化工程研究院相關(guān)同事在系統(tǒng)研制過程中給予的技術(shù)支持和幫助！