基于PLC控制的液体CO2生产系统

-1-基于PLC控制的液体CO2生产系统（商成文大连四方自控工程有限公司锅炉，辽宁大连116021）摘要：在人工操作液体二氧化碳生产的基础上，文中提出采用PLC控制液体二氧化碳生产过程，按工艺周期顺序启停23台气动阀，大大减轻了操作工人的劳动强度，节约了人力资源；采用模糊控制提高了气液分离器出口闪蒸气流量控制的响应速度，减少了常规控制产生的超调，既提高了产品CO2纯度和回收率，又满足吸附剂再生所需气体流量，使其成品液体二氧化碳质量迈上一个新台阶。对于液体二氧化碳生产应用具有一定的参考价值。关键字：模糊控制；PLC；超调；液体二氧化碳；闪蒸气0引言能源是一个国家经济的脉搏，近年来能源的合理利用也得到重视。本项目是液体二氧化碳生产改造项目，引进了先进的设备及控制装置，循环利用气液分离器产生的闪蒸气，满足了吸附剂再生所需的流量，节约了生产成本。本文介绍采用PLC控制的液体二氧化碳生产系统，本系统运行稳定、可靠性高、操作方便、结构简单，操作工人再也不用在开阀关阀中度过工作的每一天。1概述生产采用变温吸附技术除去高沸点杂质及水份，其基本原理是利用吸附剂对不同的吸附质的选择吸附特性和吸附能力随温度变化而呈现差异的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生。然后利用精馏方法除去不凝性气体，精馏原理是利用CO2与其它低沸点杂质气体沸点较大差异，通过降低气体温度使CO2液化从而实现CO2的提纯，工艺流程框图如图1所示。工艺过程主要有5个工序组成：1#压缩工序、2#净化工序、3#冷凝分离工序、4#储存充装工序及5#氨冷工序。5个工序通过相关的工艺阀门及工艺管线相连接，达到连续输入原料气，输出产品液体CO2的目的。其中2＃净化工序的工艺实施是通过23台程序控制阀来完成的，净化系统共有三台干燥塔。每台干燥塔在一次循环中需要经历吸附(A)、逆向放压(D)、热吹（H）、冷吹（C）、升压(R)等5个步骤，3台净化塔在-2-执行程序的时序上相互错开，以保证原料气的连续输入和净化气的连续输出。3#冷凝分离工序中气液分离器出口的闪蒸气流量控制，控制品质直接影响产品CO2纯度和回收率，同时还要考虑满足吸附剂再生的流量。其它3个工序的工艺实施是依靠手动设置阀门及调节阀的调节来完成工艺实施的。五个工艺时序中，既有逻辑控制的连续生产过程，又有模拟回路的精确控制。在控制上要求可靠性、稳定性更高一些。图1液体二氧化碳工艺流程框图2控制系统结构在该液体二氧化碳生产控制中总体方案中以“集散控制，分层结构”为主要特点，整个自动化系统分为三层：第一层：现场参数检测与终端执行第二层：分散的数据处理，过程控制第三层：集中操作监控结合生产工艺布置的特点，控制系统采用西门子的S7-400系统，分布式结构。一套工控机作为工程师站，负责维护和集成实时过程数据库，二套研化工控机作为操作员站，WinCC作为监控站软件，维护集成历史数据库和提供人机接口，访问服务器的数据。一台EPSON针式打印机打印生产报表和过程数据，一台HP激光打印机用于报警信息打印。过程控制层采用ProfiBus总线，最大通讯速率可达12MB，监控层采用以太网，与厂级网络无缝连接。其网络结构图2所示。废气原料气液体CO2产品压缩冷凝提纯制冷机组干燥放空闪蒸汽压缩一级出口压缩二级出口-3-图2控制系统网络结构图3功能的设计整个工序中2＃净化工序和3#的冷凝分离工序为生产过程的核心部分，其他工序是一些常规控制，这里不予讨论。3.1净化工序设计净化工艺主要完成23台控制阀对三台净化塔循环的五个过程进行控制。根据设备供货厂家提供的工艺包及甲方生产车间人员的经验，确定整个过程分为三个分周期，每个分周期份七步。第一分周期时A净化塔吸附原料气中的水分等杂质；第二分周期B净化塔吸附，A净化塔逆向放压后加热再生，使吸附剂得以循环工作；第三分周期C净化塔吸附，A净化塔冷吹冲压。至此A净化塔一个周期所有步序执行完毕。为了方便用户操作，在此基础上又增加了特殊情况下非常适用“步进”、“运行/暂停”、“手动/自动”、“自检/输出”等功能。步进投用时，程序由当前步序无条件进入下一步；暂停投用时，程序停止在当前步位，各阀门状-4-态保持当前的开关状态，方便需要延长时间才能完成步序时，运行投用时，程序按照步序设定时间自动运行；手动投用时，所有阀门全部关闭，但是阀门信号仍然可以输出，通过点击单个阀门，可单独开关该阀门，用于发生紧急情况时，自动投用时，所用阀门按照时序自动开关；自检投用时，计算机监控流程图上各阀门的开关依然按时序显示，但控制信号不输出，实际所有阀门都关闭，输出投用时，控制信号输出到现场阀门，可以检测现场阀门、线路、输入输出的故障点等。此处程序量多达300多行，原来手动操作时，每班15人每天都是手忙脚乱，而且劳动强度大；现在每班10人，注意力主要放在运行中的异常情况的处理及产品质量上，没有了繁重的劳动，产品产量却增加了。3.2冷凝分离工序设计冷凝分离工序主要是气液分离器出口的闪蒸气流量控制，它的影响因素多，外部扰动频繁而内部关联强。根据工艺情况，既要考虑气液分离器出口的闪蒸气流量对产品CO2纯度和回收率影响，又要兼顾吸附剂再生所需的流量。当气液分离器需要排出而吸附再生又不需要时，设有放空阀可以放空。影响气液分离器出口的闪蒸气流量的因素有换热器出口再生气温度、气液分离器出口再生气温度、气液分离器出口再生气压力、气液分离器液位、排空再生气温度五个要素。3.3画面操作控制分为工艺监控画面、操作画面、趋势画面、报警画面、能源累计画面等。工艺监控画面为日常生产中监测的工艺画面，画面中可直观的反映出个各检测部位，检测点位号与实际工况，还以形象、逼真的动态方式，反应实际工艺流程、生产过程，使操作者对目前的生产过程一目了然。操作画面是执行程序与操作员的人工接口画面，操作员可以通过该画面对模型的运行情况进行监控，调整运行参数，参考画面中的相关数据对控制过程进行修正。趋势画面记录多点的历史数据，将采集到的检测数据在画面上逐点连接，形成一条可见的连续曲线。每幅画面可记录多条曲线，运用不同颜色予以区别。曲线上隐藏有被记录参数名称，可用鼠标激活显示。曲线的时间轴可任意设置。可根据需要查阅过去任何时间段的曲线记录，评测控制品质的好坏。报警画面含有重要参数越限报警提示和转动机械过载跳闸提示。设有报警限值的工艺参数，其当前值与系统设定的极限值发生偏离时，发出音响报警和画面提示。并显示报警点、报警时间、持续时间、报警-5-事件、操作员有无确认、报警过滤查询、实时打印等功能。能源累计画面主要对重要的原料气、成品二氧化碳进行计量，考核消耗产出比，为车间管理提供依据，为效益分析提供数据，帮助提高生产管理水平。4控制技术特点4.1净化工序程控方式净化工序解决了三台干燥塔在不同工序中23台程控阀的程控运行，保证原料气的连续输入和净化气的连续输出增加了特殊情况下非常适用“步进”、“运行/暂停”、“手动/自动”、“自检/输出”等功能；减轻了操作工的劳动强度，体现了“以人为本”的精神。4.2冗余的ProfiBus现场总线ProfiBus现场总线在不加中继器的前提下至少能达到1000米的通讯距离，最快速率为12Mbps，数据传输的稳定性更高。采用冗余方式任意一条总线损坏或网络中断开，不影响整个系统的数据通讯，满足了通讯网络高可靠的要求。4.3监控层采用工业以太网工业以太网数据吞吐量大，网络架构和拓扑形式方便，比较适合做为操作监控层的数据通讯，可以与厂级网络无缝连接，便于集中管理监控和在线运行分析，诊断故障情况，这对于有着严格要求的工业生产现场的实时监控有着深远的意义，为降低生产设备成本和减少人力投资有着可观的潜在的经济效益。5结论由于控制系统采用先进的技术，系统投运1年来，取得了良好的控制效果。全自动运行率99%以上，提高了产品质量，创造了经济效益；减少了操作工人劳动强度，体现了企业“以人为本”的精神，具有较高的推广应用价值。