噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法

涂如松 許潤(rùn)生

(珠海醋酸纖維有限公司,廣東 珠海 519070)

噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法

涂如松 許潤(rùn)生

(珠海醋酸纖維有限公司,廣東 珠海 519070)

針對(duì)原噴絲帽清洗槽的結(jié)構(gòu)原理及其存在的問(wèn)題，提出一種基于PLC的噴絲帽清洗槽分段溫度控制方法。給出了儀表選型、安裝方法與系統(tǒng)組態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果表明：該方法現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量較少，溫度分段控制靈敏、準(zhǔn)確，完全滿(mǎn)足工藝要求。

溫度控制 清洗槽 噴絲帽 分段控制 PLC 改造

噴絲帽是醋酸纖維絲束生產(chǎn)工藝中噴絲的重要部件，噴絲帽孔洞的堵塞或不暢會(huì)產(chǎn)生絲束缺絲、飛花等質(zhì)量問(wèn)題，甚至導(dǎo)致單絲斷裂。由于噴絲帽孔洞的堵塞主要為漿液造成，漿液極易溶于丙酮，因此，噴絲帽的清洗液選用干凈純丙酮。清洗時(shí)充入氮?dú)猓逑催^(guò)程的核心在于調(diào)整好清洗槽的溫度。目前，噴絲帽清洗過(guò)程采用的是人工調(diào)整清洗槽溫度，因此需要耗費(fèi)操作人員大量的時(shí)間和精力。

我國(guó)醋酸纖維絲束生產(chǎn)工藝中噴絲帽的清洗仍然采用人工操作方式，清洗過(guò)程無(wú)法全部投入自動(dòng)控制的主要原因有：整個(gè)清洗過(guò)程中大量使用丙酮，由于丙酮的化學(xué)和物理性質(zhì)，對(duì)自動(dòng)化清洗設(shè)備的防爆要求非常高，且清洗效果監(jiān)測(cè)方法比較特殊，導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用高；在正常生產(chǎn)時(shí)，對(duì)清洗設(shè)備大規(guī)模改造必然影響正常生產(chǎn)，且自行改造防爆區(qū)的設(shè)備，安全風(fēng)險(xiǎn)也比較高。

考慮到盡量減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的變動(dòng)、儀表防爆要求和使用最少的成本把原清洗槽溫度控制改造成SIMATIC PCS7系統(tǒng)[1]的自動(dòng)控制，筆者提出了一種噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法，通過(guò)準(zhǔn)確控制清洗槽溫度來(lái)控制噴絲帽的清洗質(zhì)量。

1 噴絲帽清洗槽的結(jié)構(gòu)原理

噴絲帽清洗間設(shè)有一定數(shù)量的清洗槽(圖1)。清洗槽分為兩種：一種使用常溫丙酮，無(wú)加熱蒸汽回路，無(wú)槽外保溫層；另一種使用加熱丙酮，具有加熱蒸汽回路，槽外有保溫層，兩種清洗槽其他結(jié)構(gòu)全部一樣。需要加熱的清洗槽使用低壓蒸汽，利用安裝在清洗槽底部的加熱盤(pán)管加熱丙酮，利用疏水閥排出冷凝水。

圖1 清洗槽結(jié)構(gòu)示意圖

清洗時(shí)把噴絲帽掛架放進(jìn)清洗槽內(nèi)，打開(kāi)干凈丙酮閥，放入丙酮，淹沒(méi)噴絲帽掛架后蓋上清洗槽蓋；打開(kāi)丙酮?dú)馀欧砰y，以便排出揮發(fā)的丙酮；打開(kāi)低壓氮?dú)忾y門(mén)，通過(guò)氮?dú)獾姆葑饔檬贡芤簻囟染鶆颍黾忧逑葱Ч?；打開(kāi)低壓蒸汽管路上的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)蒸汽，根據(jù)清洗槽側(cè)部安裝的雙金屬溫度計(jì)讀數(shù)，調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使清洗槽內(nèi)溫度達(dá)到工藝要求的48±2℃。

2 存在的問(wèn)題

噴絲帽的清洗過(guò)程中，最大的危險(xiǎn)點(diǎn)和難點(diǎn)在于對(duì)加熱丙酮的溫度調(diào)控。在開(kāi)始加溫階段，受限于雙金屬溫度計(jì)的測(cè)量原理和溫度控制特性，清洗槽溫度極易超過(guò)控制點(diǎn)(48±2℃)，溫度一旦超過(guò)丙酮溶液的沸點(diǎn)(56.53℃)，就會(huì)對(duì)操作人員和生產(chǎn)設(shè)備安全造成嚴(yán)重的威脅。另外，當(dāng)溫度超過(guò)控制點(diǎn)后，由于清洗槽外部有保溫層，內(nèi)部丙酮溶液為非流動(dòng)的，因此整個(gè)清洗槽為一個(gè)封閉非流通槽，降溫過(guò)程非常緩慢。而在達(dá)到溫度控制點(diǎn)后的保溫階段，需要操作人員密切注意清洗槽溫度變化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及時(shí)做出調(diào)整，這對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和精力都是極大的考驗(yàn)。

噴絲帽清洗間使用獨(dú)立的室外空調(diào)系統(tǒng)，保證房間內(nèi)為微負(fù)壓，防止丙酮外泄。室內(nèi)安裝有可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，監(jiān)測(cè)室內(nèi)丙酮濃度。室內(nèi)使用的設(shè)備均為防爆型。拆卸工具等輔助工具均為氣動(dòng)型。如果要改變噴絲帽清洗間的溫度控制方案，必須盡量少地對(duì)原設(shè)備結(jié)構(gòu)做較大的改變，同時(shí)需考慮自控設(shè)備的費(fèi)用和防爆要求。

3 改進(jìn)方案

原加熱清洗槽有4個(gè)，管道較多，現(xiàn)場(chǎng)可增加設(shè)備的空間有限。同時(shí)，清洗間為防爆區(qū)，不便于大規(guī)模對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造和加工，且長(zhǎng)時(shí)間施工會(huì)影響正常的清洗工作。因此決定保持原有蒸汽盤(pán)管加熱方式，僅更改手動(dòng)調(diào)節(jié)閥為自動(dòng)調(diào)節(jié)閥；溫度檢測(cè)利用原安裝位置，通過(guò)溫變后將信號(hào)上傳至DCS，組成單回路溫度控制系統(tǒng)。蒸汽盤(pán)管的載熱體為蒸汽，通過(guò)蒸汽冷凝釋放熱量來(lái)加熱工業(yè)介質(zhì)。大多數(shù)情況下，當(dāng)工藝介質(zhì)較穩(wěn)定且蒸汽源壓力變化不大時(shí)，采用單回路控制就能滿(mǎn)足要求[2]。改進(jìn)后的清洗槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的清洗槽結(jié)構(gòu)示意圖

過(guò)程工業(yè)中閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)是PID控制，它可以輕松集成到過(guò)程控制系統(tǒng)中[3]，但是應(yīng)用在復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程工藝中時(shí)卻有一定局限性[4]。

根據(jù)清洗槽的溫控特點(diǎn)(加熱階段升溫快速，不允許超過(guò)設(shè)定溫度，保溫階段溫度控制平穩(wěn))，考慮采用分段控制方法。即加溫階段開(kāi)始時(shí)為大溫差段，將調(diào)節(jié)閥開(kāi)到最大開(kāi)度，加大蒸汽量，使清洗槽快速升溫；當(dāng)達(dá)到小溫差階段時(shí)，使調(diào)節(jié)閥保持小開(kāi)度繼續(xù)升溫；達(dá)到最小溫差后，再使用PID或其他算法進(jìn)行最終調(diào)控；當(dāng)達(dá)到溫控點(diǎn)的清洗階段時(shí)，槽內(nèi)溫度會(huì)逐漸降低，基本在最小溫差范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)可通過(guò)PID或其他算法及時(shí)調(diào)整。

3.1儀表設(shè)備選型

考慮防爆要求和使用調(diào)試的方便，選用4～20mA的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，閥門(mén)定位器選用本安型。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的選擇對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程和自動(dòng)控制系統(tǒng)都具有重大意義。首先應(yīng)從生產(chǎn)安全方面考慮，當(dāng)儀表氣源供氣中斷、調(diào)節(jié)閥無(wú)控制信號(hào)輸出或調(diào)節(jié)閥薄膜破損漏氣時(shí)，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥失去動(dòng)力，此時(shí)氣開(kāi)閥恢復(fù)到全閉，氣閉閥恢復(fù)到全開(kāi)。而調(diào)節(jié)閥在故障狀況下應(yīng)確保生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)工況的安全[5,6]，因此本方案中的氣動(dòng)執(zhí)行器采用氣開(kāi)型。

測(cè)溫部分選用帶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)顯功能的一體化溫度變送器，其安裝方式和插入深度需要根據(jù)原雙金屬溫度計(jì)的尺寸來(lái)確定。為滿(mǎn)足防爆區(qū)域儀表選型的要求，溫度變送器選為本安型。

3.2設(shè)備的安裝

根據(jù)測(cè)得的安裝距離，在維修間把4套氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥按標(biāo)準(zhǔn)形式組裝好，即氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥前后各裝一個(gè)手動(dòng)切斷閥，再加一個(gè)旁路閥。組裝完成后，由機(jī)修人員拆下原手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，換上新的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)組件。安裝完成后雖然有旁路手動(dòng)閥，但不影響清洗槽的正常使用。

閥門(mén)控制電纜和溫度變送器信號(hào)電纜使用鍍鋅鋼管穿管布線，末端使用防爆撓性穿線管。溫度測(cè)量點(diǎn)不能位于介質(zhì)不流動(dòng)的死角處，應(yīng)設(shè)在能靈敏并準(zhǔn)確反映介質(zhì)溫度的位置[7]。經(jīng)過(guò)對(duì)原清洗槽雙金屬溫度計(jì)安裝位置的分析，確定可以使用原雙金屬溫度計(jì)的安裝底座，直接更換成帶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)顯功能的溫度變送器。

3.3控制程序組態(tài)

清洗槽溫度分段控制算法屬于先進(jìn)控制，即在原常規(guī)控制方案的基礎(chǔ)上，加上先進(jìn)控制策略。該方案易實(shí)現(xiàn)，且操作維護(hù)方便，能夠保證先進(jìn)控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行[8]。清洗槽溫度分段控制算法模型如圖3所示。

圖3 清洗槽溫度分段控制算法模型

在大溫差段，可以直接設(shè)定閥門(mén)開(kāi)度，也可以采用純比例調(diào)節(jié)控制閥門(mén)開(kāi)度。相對(duì)來(lái)說(shuō)，直接設(shè)定閥門(mén)開(kāi)度更簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)也更易實(shí)現(xiàn)。在小溫差段，需要考慮溫度控制的滯后性，應(yīng)合理設(shè)置一個(gè)小溫差，杜絕超溫。最小溫差段的設(shè)定要綜合考慮整個(gè)溫度控制的平穩(wěn)性和調(diào)節(jié)閥對(duì)控制信號(hào)的最小分辨率，過(guò)小的溫差會(huì)因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥本身的響應(yīng)特性而不動(dòng)作，如果強(qiáng)制要求過(guò)小的溫差，就會(huì)增加調(diào)節(jié)閥的購(gòu)置成本。在工程師站上對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)完成后即可下載測(cè)試。

3.4監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)

采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面(圖4)包含圖形顯示、消息報(bào)警、過(guò)程值歸檔及報(bào)表打印等功能模塊[9]?？紤]到參數(shù)設(shè)置的方便性，將參數(shù)的修改直接組態(tài)到監(jiān)控畫(huà)面中。設(shè)置好參數(shù)后在畫(huà)面中點(diǎn)擊投用按鈕，即可實(shí)現(xiàn)清洗槽的自動(dòng)溫控；點(diǎn)擊不投用，清洗槽退出自動(dòng)溫控，調(diào)節(jié)閥全關(guān)。根據(jù)溫度控制的響應(yīng)曲線，可直接在畫(huà)面上修改參數(shù)，使清洗槽溫度達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面

4 結(jié)束語(yǔ)

此次對(duì)噴絲帽清洗槽的改造，沒(méi)有改變清洗槽原蒸汽盤(pán)管的加熱結(jié)構(gòu)，因此現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量較少，避免了現(xiàn)場(chǎng)施工影響正常生產(chǎn)。儀表設(shè)備均選用本安型儀表，從根本上杜絕了生產(chǎn)安全危害。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，改造后的噴絲帽清洗槽溫度分段控制靈敏、準(zhǔn)確，完全滿(mǎn)足工藝要求，且整個(gè)改造工程費(fèi)用投入較少。

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2015-10-12(修改稿)