新型分子篩純化系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

張怡典，奚 泉

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007)

1 前言

現(xiàn)代大、中型空分設(shè)備中，分子篩純化系統(tǒng)作為其中關(guān)鍵設(shè)備之一，用于清除原料空氣中的水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，已經(jīng)受到廣泛的重視和應(yīng)用。分子篩凈化空氣流程因具有產(chǎn)品提取量大、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)和使用安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，代表著現(xiàn)代空分技術(shù)的主導(dǎo)方向［1］。分子篩純化系統(tǒng)運(yùn)行效果的好壞，直接影響空分設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷，更關(guān)系到空分設(shè)備的安全生產(chǎn)，因此，分子篩純化系統(tǒng)的控制非常重要。當(dāng)前，分子篩純化系統(tǒng)的運(yùn)行大多采用直接采用DCS控制系統(tǒng)控制，系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且維護(hù)困難、成本高，所以研制一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠易于維護(hù)的新型分子篩純化系統(tǒng)智能控制器顯得尤為重要。江西某公司研制了一種基于RS-485總線網(wǎng)絡(luò)的分子篩純化系統(tǒng)智能控制器，并且成功地應(yīng)用于分子篩純化系統(tǒng)。

2 分子篩純化系統(tǒng)的控制要求

2.1 分子篩純化系統(tǒng)的工藝流程

在空分系統(tǒng)中，被壓縮的空氣經(jīng)過(guò)預(yù)冷設(shè)備冷卻到一定溫度后，通過(guò)圖1中MS1201或MS1202分子篩吸附器時(shí)，空氣中含有的水分、二氧化碳等雜質(zhì)被吸附清除，凈化后的空氣進(jìn)入冷箱中的主換熱器。

圖1 分子篩純化系統(tǒng)工作流程圖

2.2 分子篩純化系統(tǒng)的控制時(shí)序表

根據(jù)分子篩純化系統(tǒng)的工作流程，可以總結(jié)其控制時(shí)序，詳見(jiàn)表1所列。

表1 分子篩純化系統(tǒng)時(shí)序控制表

3 系統(tǒng)控制關(guān)鍵問(wèn)題的解決

3.1 自動(dòng)和手動(dòng)控制功能

智能控制器可以為分子篩純化系統(tǒng)提供自動(dòng)控制功能。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，分子篩吸附器切換進(jìn)程，將按照用戶(hù)設(shè)定的進(jìn)程時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行。運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)純化器的工況數(shù)據(jù)不能滿(mǎn)足要求，如出現(xiàn)有壓力、溫度聯(lián)鎖保護(hù)情況時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)給出中文提示并提供給用戶(hù)二種選擇:暫停等待和繼續(xù)。

本系統(tǒng)具有穩(wěn)定的污氮壓力PID調(diào)節(jié)功能，同時(shí)配置了獨(dú)立的純化器手操器，可以脫離本控制系統(tǒng)獨(dú)立操作純化器工作。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，純化器的吸附器切換進(jìn)程完全由操作人員通過(guò)操作“分子篩純化系統(tǒng)手動(dòng)操作器”上的開(kāi)關(guān)進(jìn)行，智能控制器不作任何干預(yù)或限制。需要注意的是，手動(dòng)操作時(shí)，操作人員必須嚴(yán)格按照分子篩純化系統(tǒng)運(yùn)行流程運(yùn)行。

系統(tǒng)控制分子篩吸附器切換的所有進(jìn)程時(shí)間可由用戶(hù)設(shè)置，切換進(jìn)程對(duì)用戶(hù)完全透明，若用戶(hù)有需要，可以臨時(shí)性地改變純化器運(yùn)行的當(dāng)前進(jìn)程，每按動(dòng)一次延長(zhǎng)或縮短按鈕，可以將進(jìn)程延長(zhǎng)或縮短5 min。對(duì)于閥門(mén)位置反饋故障，用戶(hù)可選擇忽略跳過(guò)。

3.2 手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行方式的無(wú)擾動(dòng)切換

純化器在運(yùn)行過(guò)程中，如果要在手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必須保證做到無(wú)擾動(dòng)切換。

手動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行方式切換時(shí)，用戶(hù)需要利用延長(zhǎng)/縮短按鈕的功能，讓控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)程快速前進(jìn)到與當(dāng)前純化器的進(jìn)程相一致，然后才能按下自動(dòng)按鈕，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行方式。

自動(dòng)與手動(dòng)運(yùn)行方式切換時(shí)，用戶(hù)需要根據(jù)智能控制器LCD界面上的閥門(mén)狀態(tài)指示和加熱狀態(tài)指示，將“分子篩純化系統(tǒng)手動(dòng)操作器”上各個(gè)閥門(mén)的手操開(kāi)關(guān)扳到實(shí)際運(yùn)行位置，然后才能按下手動(dòng)按鈕，進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行方式。

3.3 純化器運(yùn)行過(guò)程中的聯(lián)鎖保護(hù)

(1)純化器運(yùn)行的聯(lián)鎖保護(hù)有4種:卸壓后吸附器壓力偏高、加熱時(shí)間到再生氣出口溫度偏低、吹冷后再生氣出口溫度偏高、升壓后吸附器壓力偏低。當(dāng)這4種情況出現(xiàn)后，控制系統(tǒng)給出文字提示、報(bào)警并提供“暫停等待”和“繼續(xù)再生”2個(gè)走向讓操作人員選擇。

(2)污氮加熱的聯(lián)鎖保護(hù)有2種:污氮流量過(guò)低、再生氣出加熱器溫度高。當(dāng)污氮流量過(guò)低時(shí)，將強(qiáng)行停止加熱。當(dāng)再生氣出加熱器溫度高于設(shè)置溫度后，將停止一組加熱器;如果再生氣出加熱器溫度高于設(shè)置溫度10℃后，將停止所有加熱器;當(dāng)再生氣出加熱器溫度變送器、再生氣出口溫度變送器、污氮流量變送器出現(xiàn)開(kāi)路/短路故障，以及它們所在的模塊出現(xiàn)脫網(wǎng)故障后，將聯(lián)鎖停止電加熱器。

3.4 污氮壓力的PID調(diào)節(jié)

污氮放空調(diào)節(jié)閥與污氮進(jìn)加熱器壓力形成PID調(diào)節(jié)，適當(dāng)調(diào)整該P(yáng)ID調(diào)節(jié)參數(shù)，可以將污氮壓力穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)。PID調(diào)節(jié)功能在系統(tǒng)上電時(shí)默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，可以通過(guò)控制柜面板上的PID開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉該P(yáng)ID功能。

PID調(diào)節(jié)關(guān)閉后，只能由操作人員手動(dòng)操作污氮放空調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)維持污氮壓力的穩(wěn)定。污氮放空調(diào)節(jié)閥在失去儀表氣源時(shí)將自動(dòng)處于全開(kāi)狀態(tài)。

3.5 再生氣流量的自動(dòng)控制

為穩(wěn)定上塔的壓力和流量，污氮放空閥可以選用一個(gè)調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)P1203的狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)。污氮用于再生純化器時(shí)，智能控制器自動(dòng)關(guān)小污氮放空閥，如果用于升壓狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)大污氮放空閥。

3.6 電加熱器的控制

由于分子篩純化系統(tǒng)中配置了二組電加熱器，因此智能控制器可以根據(jù)溫度的高低啟動(dòng)或停止電加熱器。當(dāng)溫度偏低時(shí)啟動(dòng)兩組電加熱器，溫度偏高時(shí)停止其中一組;當(dāng)溫度超高時(shí)二組電加熱器全停，溫度降低時(shí)重新啟動(dòng)一組或二組全開(kāi);若再生氣出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，停止二組電加熱器加熱，此次加熱過(guò)程結(jié)束，提前進(jìn)入吹冷狀態(tài)。

3.7 控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控

智能控制器具有獨(dú)立的上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。用戶(hù)既可在現(xiàn)場(chǎng)操作，也可以在控制室操作分子篩純化系統(tǒng)。當(dāng)然用戶(hù)可使用相關(guān)通訊協(xié)議將智能控制器連接到用戶(hù)現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)。

4 智能控制器的設(shè)計(jì)

圖2為智能控制器框圖。

圖2 智能控制器框圖

智能控制器由系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器、4～20 mA采集模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊、繼電器輸出模塊、4～20 mA輸出模塊等模塊通過(guò)RS-485總線網(wǎng)絡(luò)連接?，F(xiàn)場(chǎng)控制器通過(guò)相關(guān)通信協(xié)議連接采集模塊將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到控制器，或通過(guò)繼電器輸出或4～20 mA輸出模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的控制。

5 結(jié)語(yǔ)

上述智能控制器已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)中小型空分系統(tǒng)項(xiàng)目中。目前各控制系統(tǒng)皆穩(wěn)定可靠的正常運(yùn)行，從未發(fā)生過(guò)誤動(dòng)作或故障，為企業(yè)節(jié)省了大量成本，并創(chuàng)造了良好效益。因此，分子篩純化系統(tǒng)作為空分設(shè)備的關(guān)鍵子系統(tǒng)有良好控制裝置，對(duì)整個(gè)空分設(shè)備的運(yùn)行安全穩(wěn)定有重要影響，同時(shí)對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)、增加效益、促進(jìn)企業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展有著積極的作用。

［1］ 毛紹融，朱朔元，周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.