DCS控制系統(tǒng)在分子蒸餾生產(chǎn)工藝中的應用

唐重和， 劉克平， 金 晶， 孫天放， 吳忠偉

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

分子蒸餾技術（Molecular Distillation）［1］是伴隨著真空技術和真空蒸餾技術發(fā)展起來的一種液－液分離技術，從其原理上看，它又根本區(qū)別于常規(guī)的蒸餾技術，具備許多常規(guī)蒸餾無法比擬的優(yōu)點。

1）分子蒸餾的操作溫度較低、操作真空度高。因為分子蒸餾是依據(jù)分子運動平均自由程的差別將物質(zhì)分開，因而可在低于混合物的沸點下將物質(zhì)分離。其獨特的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其操作壓強很低，一般為0．13～1．33Pa，這又進一步使物質(zhì)的沸點得到大大地降低。一般來說，分子蒸餾的分離溫度比傳統(tǒng)蒸餾的操作溫度低50～100℃。因此，分子蒸餾可在遠低于混合物沸點的溫度下實現(xiàn)物質(zhì)的分離。

2）受熱時間短。在分子蒸餾器中的受熱液體被強制分布成薄膜狀，其厚度一般為0．5mm左右，加之設備的持液量很小，因此，物料在分子蒸餾器內(nèi)的停留時間很短，一般幾秒至十幾秒，使物料所受到的熱損傷極小。很好地保護了被處理物料的顏色和特性品質(zhì)，使得用分子蒸餾精制的產(chǎn)品在品質(zhì)上遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)真空蒸餾法生產(chǎn)出的產(chǎn)品。

3）分離程度高。分子蒸餾與常規(guī)蒸餾相比，有更高的相對揮發(fā)度，分離效率高。這些優(yōu)點使得聚合物可與單體及雜質(zhì)進行更有效地分離。

4）工藝清潔環(huán)保。分子蒸餾技術不使用任何有機溶劑，不會產(chǎn)生任何污染，被認定為一種溫和的綠色操作工藝。

為了提高生產(chǎn)過程的產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性，對原分子蒸餾設備進行改造，這對生產(chǎn)過程中的自動化連續(xù)作業(yè)控制提出了更高的要求，也為提高分子蒸餾設備生產(chǎn)五味子及其它產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

1 生產(chǎn)過程的工藝流程

針對DCH－300分子蒸餾系統(tǒng)進行建立三級的DCS過程控制系統(tǒng)，由于DCH－300屬于三級真空分離系統(tǒng)，對一般物料可以一次性處理完畢，依靠連接在管道上的輸送泵可以完成連續(xù)蒸餾。

液料放入原料罐被計量泵抽取。泵用穩(wěn)定流量輸送物料，經(jīng)過管道被送入降膜器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)分配器，在離心力的作用下，被甩向夾套加熱室內(nèi)壁，這時物料液體受重力的作用，沿著內(nèi)壁向下流動。與此同時，裝在轉(zhuǎn)軸上的刮板把料液刮成薄膜，這樣料液受加熱而蒸發(fā)，由于在重力及離心力的作用下不斷地更新液膜。根據(jù)分子運動理論可知，液體混合物的分子受熱后運動會加劇，當接受到足夠的能量時，輕組分首先就會從液面溢出而成為氣體分子，當氣體分子逸出碰到內(nèi)冷凝列管時，瞬即從氣體變?yōu)橐后w并被柱下氣相罐收集，重組分因達不到逸出溫度，而仍然以液體狀態(tài)流出蒸餾柱，由液相罐收集。

分子蒸餾生產(chǎn)過程工藝如圖1所示。

圖1 分子蒸餾生產(chǎn)過程工藝圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

DCH－300設備由3大部分組成：

1）前級脫氣。由原料罐和蒸發(fā)器冷凝器及管道組成。

2）分子蒸餾。由短程蒸發(fā)器和冷凝器及管道組成。

3）分子蒸餾。由短程蒸發(fā)器和冷凝器及管道組成。

原手動控制系統(tǒng)由3個分離器、儀表回路、制冷機、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和互相連接的泵與物料管道組合成一套的裝置，控制各級油溫由PID儀表完成。對其進行改造，利用其三級過程結(jié)構(gòu)分別對應一臺PLC進行控制，并集中傳遞給上一級PLC，再由最上一級的計算機進行控制，實現(xiàn)分子蒸餾過程的三級DCS控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分子蒸餾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DCS分子蒸餾過程控制系統(tǒng)［2］硬件包括PLC、觸摸屏、計算機、傳感器及執(zhí)行器等，分成控制站、操作站、網(wǎng)絡硬件等。采用3臺西門子S7－300PLC［3］分別控制第一級薄膜蒸發(fā)器、第二級分子蒸餾、第三級分子蒸餾，加上現(xiàn)場總線儀表及HART變送器組成底層控制站的硬件設備；通過觸摸屏以人機界面的方式顯示被控對象的過程，動態(tài)顯示分子蒸餾生產(chǎn)過程，與第二層S7－300 PLC組成操作站；在最上層由計算機構(gòu)成信息管理網(wǎng)，實現(xiàn)高級管理算法，并遠距離控制現(xiàn)場設備。DCS控制系統(tǒng)主要監(jiān)控的對象有蒸發(fā)器內(nèi)壓力、蒸發(fā)器內(nèi)溫度、料位傳感器、進料的質(zhì)量流量、夾套溫度等。監(jiān)控系統(tǒng)硬件由PLC的電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊、現(xiàn)場總線通訊模塊、操作站和網(wǎng)絡路由及其它部件構(gòu)成。

3 系統(tǒng)的軟件設計

針對DCH－300分子蒸餾過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)關系的特點，為實現(xiàn)分子蒸餾設備生產(chǎn)系統(tǒng)長周期安全穩(wěn)定運行，也為給操作人員以全新良好的人機界面的操作方式，利用西門子WinCC flexible［4－5］對整個工藝過程進行圖形化、動態(tài)化，這樣不僅操作簡單、界面友好，并且軟件的功能齊全，提供了設備生產(chǎn)運行的實時曲線監(jiān)控及報警系統(tǒng)。

在生產(chǎn)過程及設備檢修中，有可能出現(xiàn)3種情況：

1）DCH－300設備中的蒸發(fā)器都是負壓設備，如果出現(xiàn)真空度不能達到生產(chǎn)需要，當需要檢修時，充氣體使蒸發(fā)器內(nèi)部出現(xiàn)正壓找尋出氣口時，可能會發(fā)生事故；

2）蒸發(fā)器內(nèi)溫度過高很可能會導致設備過熱，出現(xiàn)漏點，使產(chǎn)品產(chǎn)生膠狀物；

3）蒸發(fā)器內(nèi)溫度過低或真空度達不到需求時，會使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品達不到標準。

為保證分子蒸餾DCH－300設備的安全生產(chǎn)，要求蒸發(fā)器內(nèi)壓力（真空度）、蒸發(fā)器內(nèi)溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。對蒸發(fā)器內(nèi)溫度及壓力進行在線實時曲線監(jiān)控，并進行歸檔記錄［6－7］。有效監(jiān)視該生產(chǎn)過程的溫度及壓力情況，并以直觀的形式表示出來，同時給出報警提示，方便了操作員對現(xiàn)場的監(jiān)控。分子蒸餾過程組態(tài)如圖3～圖5所示。

圖3 DCH－300第一級薄膜蒸發(fā)器組態(tài)圖

圖4 DCH－300第二級分子蒸餾器組態(tài)圖

圖5 DCH－300第三級分子蒸餾器組態(tài)圖

實時監(jiān)控曲線也運行于HMI設備，HMI設備采用的是Windows CE操作系統(tǒng)［8］。傳感器將被控變量轉(zhuǎn)化為標準信號送入PLC中的模擬量輸入模塊，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后給底層S7－300PLC，再經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊傳遞給過程控制層中，S7－300 PLC與HMI可以直接通信，保證了集散控制系統(tǒng)的優(yōu)點。蒸發(fā)器實時曲線監(jiān)控如圖6所示。

4 結(jié) 語

由PLC組建的DCS控制系統(tǒng)在很多工業(yè)控制上得到了成功應用。DCS分子蒸餾控制系統(tǒng)長期運行以來，可靠、穩(wěn)定、各種功能齊全，如信號處理及采集、模擬量數(shù)字量的處理、數(shù)據(jù)通信、硬件電氣、軟件程序連鎖以及人機操作界面等。通過對系統(tǒng)的改造，使得操作員能對控制量進行方便地控制，確保了分子蒸餾生產(chǎn)工藝流程的穩(wěn)定性，同時降低了操作員的工作強度，提高了設備的可靠性，對后續(xù)生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究提供了良好的平臺。

圖6 蒸發(fā)器實時曲線監(jiān)控圖

［1］ 連錦花，孫果宋、雷福厚．分子蒸餾技術及其應用［J］．化工技術與開發(fā)，2010，39（7）：32－39．

［2］ DCS控制系統(tǒng)在甲醛生產(chǎn)工藝中的應用［J］．化工自動化及儀表，2011，38（8）：982－984．

［3］ 劉楷，周海．深入淺出西門子S7－300PLC［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2004．

［4］ 西門子（中國）有限公司．深入淺出西門子人機界面［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2009．

［5］ 廖常初．西門子人機界面［M］．2版．北京：機械工業(yè)出版社，2011．

［6］ 張德江，和紅梅，孫曉暉．先進控制技術在DCS控制系統(tǒng)中的應用［J］．長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2008，29（4）：361－365．

［7］ 史文樹，尤文，于明．熱泵蒸餾的節(jié)能技術與應用［J］．長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，31（5）：523－527．

［8］ 李青虹，吳龍，晉芳偉．陶瓷粉料液壓成型機PLC控制系統(tǒng)的設計［J］．長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，31（6）：701－705．