1引言
中國白炭黑工業(yè)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，取得了令人注目的成績，總生產(chǎn)能力已居世界首位，但是品種主要集中在通用品上，大多屬于中低檔產(chǎn)品，適用于綠色輪胎用的高分散白炭黑、高檔硅橡膠用白炭黑、高檔消光劑用專用白炭黑還需進口，而且主要以人工手動生產(chǎn)為主，控制精度不夠，使得產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。針對上述問題，我們將人工手動生產(chǎn)白炭黑系統(tǒng)改造為自動和半自動控制系統(tǒng)（并保留原來的手動控制系統(tǒng)），改造后的系統(tǒng)控制方法科學(xué)、精度提高，產(chǎn)品的配方嚴格按照生產(chǎn)需要自動調(diào)節(jié)，排除了人為因素造成的配方失準現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。
為了滿足工廠要求，同時又提高生產(chǎn)效率，采用基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的西門子S7-200 PLC和組態(tài)王系統(tǒng)集成實現(xiàn)。該系統(tǒng)有628、728兩個配方，其中628有兩個60反應(yīng)釜，728有一個90反應(yīng)釜，由于三個反應(yīng)釜僅在生產(chǎn)工藝步驟方面存在差別，控制方式基本一致，本文僅以728的90反應(yīng)釜為例進行介紹。
2控制方案及生產(chǎn)工藝過程
2.1控制方案
根據(jù)白炭黑的生產(chǎn)要求，我們的控制方案有三種工作模式：手動控制、半自動控制和自動控制。手動控制方式直接控制各個電動閥門動作，以及攪拌電機和泵的啟停。操作人員可以根據(jù)每一步的生產(chǎn)工藝手動控制上位機或控制柜上泵和閥門的啟停按鈕，并且可以在上位機畫面中輸入酸、堿等原料的流量設(shè)定值（包括瞬時流量及累計流量）。半自動控制方式只需由操作人員點擊畫面上的四個工藝步驟按鈕，728工藝主要是4步：一，加底水、底堿、升溫；二，并流；三，酸化；四，沉化。自動控制方式只需點擊開始按鈕，則反應(yīng)開始，直至最后反應(yīng)結(jié)束。如果半自動或自動控制方式出現(xiàn)問題，可以將控制柜上的方式選擇按鈕扳至手動控制方式執(zhí)行。
（1）酸/堿的自動控制：白炭黑在自動化生產(chǎn)過程中必須嚴格控制酸和堿的流量，在這里我們采用PID控制。操作人員可在上位機的配方畫面中設(shè)定相應(yīng)介質(zhì)的瞬時和累計流量，通過Profibus通信將數(shù)據(jù)傳到下位機；在下位機數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，相應(yīng)流量計測量的介質(zhì)值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與設(shè)定值進行比較，再調(diào)用PID中斷子程序（設(shè)定好P、I、D的相應(yīng)參數(shù)值）進行調(diào)整，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出一個電流信號調(diào)節(jié)電動閥，通過電動閥調(diào)節(jié)相應(yīng)介質(zhì)的流量來達到相應(yīng)的閉環(huán)控制，酸、堿流量的控制框圖如圖1、圖2所示。
圖2 堿流量PID控制
（2）PH自動控制：通過PH設(shè)定值調(diào)節(jié)電動閥控制酸或堿流量，從而控制PH值。這里擬采用PID嵌套控制。在上位機的配方畫面中設(shè)定PH值，通過Profibus通信將數(shù)據(jù)傳到下位機；在下位機我們先將反應(yīng)釜中PH傳感器的測量值與上位機的PH設(shè)定值進行比較，然后調(diào)用第一個PID中斷子程序，輸出為介質(zhì)流量的設(shè)定值，用來控制內(nèi)層環(huán)。相應(yīng)的流量計測量的介質(zhì)值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與設(shè)定值進行比較，再調(diào)用第二個PID中斷子程序（設(shè)定好P、I、D的相應(yīng)參數(shù)值）進行調(diào)整，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出一個電流值調(diào)節(jié)電動閥，通過電動閥調(diào)節(jié)相應(yīng)介質(zhì)的流量來達到PH的閉環(huán)控制?？刂瓶驁D如圖3所示。
圖3 PH值PID控制
2.2生產(chǎn)工藝過程
由于技術(shù)保密原則，以下僅介紹生產(chǎn)工藝過程，而不介紹具體配方數(shù)據(jù)。
（1）加底水底堿：先加底水，加底水一定時間后開始電機攪拌，同時開始加底堿。然后根據(jù)配方要求，可微調(diào)堿或水，調(diào)整到給定的堿濃度。水閥門開到最大，設(shè)定水、堿的總流量；
（2）加熱攪拌：加熱到設(shè)定溫度并保持。電機一直攪拌；
（3）酸堿并流：堿流量保持恒定，當(dāng)PH值達到設(shè)定值時，開始加酸，使PH值和溫度都保持恒定。當(dāng)堿累積流量達到設(shè)定值時，停止加酸和堿；
（4）酸化過程（停加堿）：加酸，酸流量保持一定，電機攪拌一直是運行的，溶液的PH是逐漸下降的，直到PH降到設(shè)定值時停酸和攪拌；
（5）熟化過程:什么都不加，電機一直攪拌。
3硬件設(shè)計
該白炭黑反應(yīng)控制系統(tǒng)采用3套西門子CPU 226做主控單元，分別控制三個反應(yīng)釜，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線把各主控單元和I/O單元鏈接到一起。通過組態(tài)王6.53監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，確保其安全可靠的進行生產(chǎn)。
3.1下位機系統(tǒng)配置
根據(jù)控制量統(tǒng)計情況，同時留有10％～15％的余量，我們選擇下位機系統(tǒng)的配置如表1所示。
表1 下位機系統(tǒng)配置
|
DI |
DO |
AI |
AO |
件數(shù) |
5VDC(ma) |
24VDC
（ma） | |
|
CPU226 |
24 |
16 |
0 |
0 |
1 |
1000 |
400 |
|
EM223 |
8 |
8 |
0 |
0 |
1 |
80 |
104 |
|
EM231 |
0 |
0 |
8 |
0 |
1 |
20 |
60 |
|
EM231(RTD) |
0 |
0 |
4 |
0 |
1 |
87 |
60 |
|
EM232 |
0 |
0 |
0 |
4 |
2 |
20*2 |
100*2 |
|
EM235 |
0 |
0 |
4 |
1 |
1 |
40 |
60 |
|
EM227 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
150 |
180 |
|
合計 |
32 |
24 |
16 |
9 |
9 |
417 |
664 |
由表1計算可知：擴展模塊滿足5v電源需求，但是要有外部提供24v直流電源。
3.2其他硬件配置
上位機選用研華工業(yè)控制計算機，現(xiàn)場設(shè)備主要包括熱電阻、電磁閥、流量計、PH傳感器、沖洗裝置、軟化水泵、水玻璃加料泵、硫酸液下泵、攪拌電機等。
3.3通訊設(shè)置說明
本系統(tǒng)采用S7-200 PROFIBUS-DP與上位機組態(tài)王進行通訊。PROFIBUS-DP協(xié)議是為滿足自動化工廠中分散I/O和現(xiàn)場設(shè)備之間所需要的高速數(shù)據(jù)通訊的需求而設(shè)計的。典型的DP配置是單主站結(jié)構(gòu)。主站與從站之間的通訊基于主-從原理，即主站向從站發(fā)出請求，按照站號順序輪詢從站。
PROFIBUS-DP協(xié)議用于組態(tài)軟件與帶有DP通訊口的設(shè)備間一種主從方式的通訊協(xié)議。系統(tǒng)中上位機安裝有支持DP的通訊卡。下位機設(shè)備有支持DP的通訊口EM277 Profibus-DP模塊，通過DP通訊電纜連接組態(tài)軟件和硬件設(shè)備。
4軟件設(shè)計
4.1下位機程序設(shè)計
本系統(tǒng)使用STEP 7-MicroWIN V4.0進行下位機編程，系統(tǒng)的主程序流程圖和子程序流程圖如圖4、圖5所示。
圖4 主程序流程圖
圖5 自動/半自動子程序流程圖
4.2上位機組態(tài)王設(shè)計
為了實現(xiàn)實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，這里采用北京亞控科技提供的組態(tài)王6.53做上位機界面，上位機界面主要包括8個畫面：登錄畫面、配方設(shè)定畫面、自動控制畫面、半自動控制畫面、手動控制畫面、報警畫面、趨勢曲線畫面、報表畫面等。上位機設(shè)置登錄權(quán)限，管理員可以登錄修改自動運行畫面的配方，操作員可以進入其它的幾個畫面，操作和監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行?？梢詫崟r地顯示溫度，瞬時流量，累積流量，PH值等。報警畫面可以顯示變量的報警情況，比如說PH值、溫度值越限。趨勢曲線畫面和報表畫面可以顯示溫度、流量等的歷史和實時情況。配方設(shè)定畫面需要密碼登陸，用于修改配方。
上位機設(shè)置登錄權(quán)限，只有登錄才可以進入目錄畫面，通過目錄畫面可以切換到其它控制畫面，操作和監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行。目錄畫面如圖6所示。
圖6 目錄畫面
由于篇幅有限，本文只對90反應(yīng)釜全自動控制系統(tǒng)作簡要說明，其控制畫面如下圖7所示。當(dāng)按下啟動按鈕時，系統(tǒng)先根據(jù)配方要求自動加底水底堿，并在一定時間段啟動攪拌電機和蒸汽閥進行加熱；當(dāng)?shù)姿讐A已加完并且溫度達到設(shè)定值后進入一次酸化過程；PH值降到設(shè)定值后進入沉化過程；沉化時間到開始加熱攪拌；加熱攪拌時間到進入酸堿并流過程；當(dāng)堿流量達到設(shè)定值后進入二次酸化過程；直至PH值降到設(shè)定值后反應(yīng)完成。若反應(yīng)過程中按下停止按鈕則反應(yīng)停止，想要系統(tǒng)重新運行需重新按下啟動按鈕。
圖7 90反應(yīng)釜全自動控制系統(tǒng)