車用尿素溶液自動化生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 皓,陳海虹,袁 森

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院,貴陽 550025;2.貴州理工學(xué)院機械工程學(xué)院,貴陽 550003)

0 引言

近年來,我國多個城市空氣質(zhì)量下降,出現(xiàn)了霧霾天氣,使我國約有1/7 的面積遭遇生態(tài)災(zāi)難[1]。 我國空氣污染主要來源于機動車尾氣污染。 其中,重型柴油車尾氣污染是機動車大氣污染排放的主要來源[2-3]。為了降低重型柴油車尾氣污染,通常對汽車增加選擇性催化劑反應(yīng)系統(tǒng)(selective catalytic reduction,SCR),將車用尿素溶液作為還原劑添加到系統(tǒng)中,使尾氣中的氮氧化物(NOx)還原成氮氣(N2)和水(H2O),從而達到減排的目的[4-5]。 目前,國內(nèi)外車用尿素溶液的生產(chǎn)方式分為尿素熔融液體直接生產(chǎn)和尿素顆粒溶解生產(chǎn)兩種。 在國內(nèi),車用尿素溶液生產(chǎn)由中小型民營企業(yè)主導(dǎo),采用尿素顆粒溶解生產(chǎn)方式。 其工藝是以高純尿素顆粒為原料,添加超純水,將其充分?jǐn)嚢枞芙獠⑦_到工藝濃度要求(31.8%～33.2%)。 其優(yōu)點是投資少,生產(chǎn)靈活[6-7]。 目前,國內(nèi)采用尿素顆粒進行生產(chǎn)的設(shè)備自動化程度低,在生產(chǎn)溶解過程中產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。 同時,因沒有實時數(shù)據(jù),僅憑經(jīng)驗去判斷攪拌時間,會造成攪拌后濃度不達標(biāo)、生產(chǎn)精度不高。 為此,本文設(shè)計了一種基于可編程邏輯器(programmable logic controller,PLC)的車用尿素溶液自動生產(chǎn)控制系統(tǒng),以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制,降低人力成本,提高生產(chǎn)效率和精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由集成控制室、填料裝置以及攪拌裝置3 個部分組成。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Sketches of overall structure

集成控制室主要由PLC、通信模塊和控制電箱等組成。

填料裝置包括了超純水制備系統(tǒng)、超純水抽取系統(tǒng)和高純尿素稱取系統(tǒng)。 超純水制備系統(tǒng)采用雙級反滲透(reverse+osmosis,RO)去離子(electrodeionization,EDI)的工藝,主要由預(yù)處理、RO 和EDI 等單元組成,具有操作簡單、成本低等特點[8]。 制取后的超純水抽取到超純水儲存罐內(nèi),由管道、電磁閥、流量傳感器以及水泵組成超純水抽取系統(tǒng)。 高純尿素稱取系統(tǒng)由抽料機連接輸運管配合電子秤,對尿素罐內(nèi)高純尿素進行精確填料。

攪拌裝置由攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和反應(yīng)釜組成。攪拌系統(tǒng)由變頻器、攪拌機和減速器組成,可對攪拌速度進行選擇性調(diào)節(jié)。 加熱系統(tǒng)包括固態(tài)繼電器、加熱棒以及溫度傳感器。 系統(tǒng)通過對超純水和尿素總重量的精確控制,保證了溶液濃度的精確性。 用戶可以通過集成控制室觀察設(shè)備的當(dāng)前運行步驟和實時數(shù)據(jù),操作簡單方便,符合工廠生產(chǎn)系統(tǒng)要求。

1.2 系統(tǒng)工作原理

自來水首先進入雙級RO 單元。 其中包括了預(yù)處理階段,即經(jīng)過多介質(zhì)過濾器和活性炭過濾器,有效去除水中有機物、濁度、色度和余氯等。 然后進入雙級RO 階段。 其原理是以壓力差為推動力,對膜一側(cè)的料液施加壓力。 當(dāng)壓力超過它的滲透壓時,溶劑會逆著自然滲透的方向作反方向滲透,從而把溶液中的溶劑分離出來。 該階段可去除水中99%以上的懸浮物、膠體和98%以上的溶解鹽,以及大部分微生物和各類有機物(total organism carbon,TOC)。 經(jīng)過兩次的RO過濾,可以得到更純凈的水。 隨后進入EDI 單元。 其原理是電滲析和離子交換技術(shù)的結(jié)合,可對水連續(xù)進行深度脫鹽。 最后進入精處理階段。 經(jīng)由紫外殺菌器、拋光混床和精密過濾器,進一步提升水質(zhì),達到超純水的水質(zhì)要求。 將超純水和高純尿素顆粒抽取到反應(yīng)釜內(nèi)進行攪拌溶解,其溶解速度會因溫度加熱和攪拌速度的增大而增快。

由于尿素易溶于水,當(dāng)高純尿素和超純水溶解時會發(fā)生吸熱反應(yīng),使得溶液溫度下降。 溶液溫度下降到結(jié)晶點時會發(fā)生結(jié)晶,從而影響生產(chǎn)。 圖2 為尿素溶液濃度與結(jié)晶溫度的關(guān)系圖[9]。 當(dāng)溶液濃度低于32.5%時,其結(jié)晶點溫度隨著濃度增加而降低。 在生產(chǎn)中,當(dāng)工作環(huán)境溫度較低時,溶液溫度在攪拌過程中會下降到結(jié)晶點,進而出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。 從防止結(jié)晶和提高溶解速度兩個方面考慮,系統(tǒng)采用比例積分微分(proportial integral differential,PID)溫度控制系統(tǒng)。

圖2 尿素溶液濃度與結(jié)晶溫度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between urea solution concentration and crystallization temperature

PID 控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等特點,在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛[10-11]。 圖3 所示為PID 控制系統(tǒng)原理圖。 其根據(jù)給定值r(t)與實際反饋值y(t)之間的偏差值e(t),對偏差值進行比列、積分和微分計算,并通過線性組合得出控制量u(t),對被控對象進行控制。

圖3 PID 控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of PID control system

PID 控制系統(tǒng)的計算式如下:

式中:Kp為比例增益;Ti為積分時間;Td為微分時間。

溫度傳感器將采集到的實際溫度通過4～20 mA電流輸入模擬量,經(jīng)PLC 內(nèi)部A/D 模塊可自動轉(zhuǎn)換成5 530～27 648 的數(shù)字量,利用PLC 內(nèi)部運算模塊將數(shù)字量換成實際溫度,實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測。 將實際溫度輸入至PID 算法,經(jīng)PID 計算后輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)至固態(tài)繼電器,繼而控制加熱器的通斷,實現(xiàn)對溶液加熱溫度的穩(wěn)定控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

控制系統(tǒng)的硬件主要由控制模塊、人機交互界面、數(shù)據(jù)采集模塊、控制對象四部分組成。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Sketch of control system structure

控制模塊以PLC 為控制核心,通過采集數(shù)據(jù)模塊的模擬量信號進行程序控制,且與人機交互界面進行串口通信,完成實時監(jiān)測與操控。 根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O 端口數(shù)、功能性,對PLC 進行選型。 為滿足要求,選擇了西門子S7-200 SMART 系列的ST30 型PLC,并增加了AM06 模擬量模塊以及RS-485 信號板。

人機交互界面選用WEINVIEW 觸摸屏,型號為MT6102IQ,可通過RS-485 串口與PLC 進行通信。 其具有豐富的界面設(shè)計功能,且采用10.2 英寸(1 英寸=25.4 mm)的液晶顯示屏,現(xiàn)場操作十分方便。 數(shù)據(jù)采集模塊由液位傳感器、流量傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器以及濃度傳感器組成。

PLC 端口分配如表1 所示。

表1 PLC 端口分配Tab.1 PLC port allocation

PLC 通過RS-485 信號板與液位傳感器、稱重傳感器、濃度傳感器進行連接,采用Modbus 通信協(xié)議進行通信。 液位傳感器和溫度傳感器與PLC 模擬量模塊相連接。 繼電器、交流接觸器、開關(guān)電磁閥組成了控制對象。

控制系統(tǒng)電路如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)電路簡圖Fig.5 Sketch of control system circuit

2.2 系統(tǒng)控制策略

目前,尿素顆粒溶解生產(chǎn)工藝流程為:提前制備好超純水并存放到超純水罐內(nèi);根據(jù)生產(chǎn)總量要求將超純水抽取到反應(yīng)釜,通過反應(yīng)釜側(cè)邊液位計進行定量;隨后,向反應(yīng)釜內(nèi)加入稱重好的高純尿素,同時進行加熱攪拌;估測攪拌時間后手動測量溶液濃度,判斷濃度是否達標(biāo)。 若不達標(biāo),則手動添加物料,直到達標(biāo)后才停止加熱攪拌,并將成品抽取到溶液儲存罐。

對以上流程進行優(yōu)化,設(shè)計自動控制系統(tǒng)。 自動控制系統(tǒng)運行時,影響溶液濃度的主要因素是對原料添加的精準(zhǔn)控制。 因此,為保證原料添加精準(zhǔn)以及生產(chǎn)原料配制方便,將自動控制系統(tǒng)分為自動制備超純水程序、自動生產(chǎn)條件滿足程序和自動生產(chǎn)程序。 在自動制備超純水程序中,制備的開關(guān)由超純水存儲罐內(nèi)液位傳感器的液位數(shù)據(jù)進行控制。 當(dāng)液位低于設(shè)定的停止液位時,會不斷地進行超純水的制備,直到到達停止液位,從而保證了充足的超純水儲存量,實現(xiàn)了超純水原料配制智能化。 自動生產(chǎn)條件滿足程序是進行自動生產(chǎn)的前提條件。 系統(tǒng)接收觸摸屏輸入的生產(chǎn)總量后計算得出生產(chǎn)原料所需量,然后將由采集到的超純水儲存罐內(nèi)液面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化計算得到的重量數(shù)據(jù)(這個數(shù)據(jù)不需要精確,只是作為超純水儲存量的參考值)以及高純尿素儲存罐內(nèi)尿素重量數(shù)據(jù)。 將這些數(shù)據(jù)與生產(chǎn)所需量比較,判斷是否滿足條件,從而確保了在生產(chǎn)過程中的原料添加連續(xù)性和生產(chǎn)高效率。 當(dāng)不滿足條件時,系統(tǒng)會發(fā)出原料不足報警,進入原料配置等待區(qū)。 此時,需將高純尿素儲存罐添加滿或者等待超純水制備。 當(dāng)滿足生產(chǎn)所需量后,自動生產(chǎn)條件達標(biāo),進入自動生產(chǎn)程序。

局部控制系統(tǒng)流程如圖6 所示。

圖6 局部控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flowchart of part control system

自動生產(chǎn)程序流程如圖7 所示。

圖7 自動生產(chǎn)程序流程圖Fig.7 Flowchart of automatic production procedure

進入自動生產(chǎn)程序后,會先將超純水所需量的10%抽取到反應(yīng)釜內(nèi),隨后抽取超純水和高純尿素,并將加熱系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)同步打開。 控制系統(tǒng)將采集的已抽取超純水的累計流量與生產(chǎn)所需量進行比較。 開始抽取時,將尿素重量數(shù)據(jù)和當(dāng)前尿素重量數(shù)據(jù)的差值與生產(chǎn)所需量進行比較,當(dāng)達到生產(chǎn)所需量時停止抽取原料。 之后系統(tǒng)進入濃度判斷程序。 濃度傳感器測量精度為±0.1%,則當(dāng)溶液濃度在5 min 內(nèi)波動不超過±0.1%時,將此時濃度數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進行比較。 若不達標(biāo),系統(tǒng)進入自動增料步驟,計算出需補添的超純水或尿素重量數(shù)據(jù)。 重復(fù)以上操作后再次進行比較,直到溶液濃度達標(biāo),系統(tǒng)停止反應(yīng)釜加熱攪拌,將成品抽取到溶液儲存罐內(nèi)。

車用尿素溶液存儲溫度為-5～ +35 ℃。 超過35 ℃時,使用前需要進行檢測。 因此,從生產(chǎn)效率和存儲要求兩方面考慮,系統(tǒng)在自動生產(chǎn)中分為正常和高效兩種生產(chǎn)模式。 在正常模式下,以25 ℃加熱溫度和23.7 r/min 攪拌轉(zhuǎn)速進行生產(chǎn)控制;在高效模式下,以30 ℃加熱溫度和33.2 r/min 攪拌轉(zhuǎn)速進行生產(chǎn)控制。 系統(tǒng)默認(rèn)以正常模式運行,用戶可根據(jù)生產(chǎn)要求,對生產(chǎn)模式進行選擇。

2.3 人機交互界面設(shè)計

使用EBPRO 軟件對WEINVIEW 觸摸屏進行人機界面設(shè)計。 整體操作界面設(shè)計主要包含7 個部分,分別是登錄界面、機器運行界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控全局界面、報警事件界面、生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄界面、自動模式界面和手模式界面。 首先,需要經(jīng)過登錄界面才能進入操作界面。 登錄界面根據(jù)操作人員的屬性分為普通用戶和操作用戶兩個類型,需分別設(shè)置不同的登錄密碼。 普通用戶只能查看機器運行情況以及數(shù)據(jù)監(jiān)控信息。 操作用戶具有所有功能的權(quán)限,可以按需配置生產(chǎn)總量,設(shè)置溶液加熱溫度和攪拌速度2 個運行參數(shù),查看報警事件記錄(包括電機超負荷運行報警和生產(chǎn)原料不足報警2 種報警事件),查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄(會顯示最近7 天的生產(chǎn)記錄,需要每個星期進行數(shù)據(jù)導(dǎo)出)。 數(shù)據(jù)監(jiān)控全局界面可在除登錄界面外的所有界面上顯示,并實時地觀察當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)情況。 操作用戶根據(jù)需求,可以進入自動模式界面和手動模式界面,對生產(chǎn)工藝進行操作。

2.4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

部分程序如圖8 所示。

圖8 部分程序圖Fig.8 Part of the program

在溫度控制程序編輯中,首先設(shè)置PID 回路向?qū)?將輸出選擇為數(shù)字量,循環(huán)時間設(shè)置為10 s,完成向?qū)гO(shè)置后編輯程序。 使用PID 控制面板,選擇自動調(diào)整模式,Kp、Td、Ti三個參數(shù)會進行自整定。 當(dāng)輸出值達到理想值時,Kp為21.4,Td為0.1 min,Ti為0.2 min。將其更新到程序中,便完成了參數(shù)調(diào)整。

3 試驗設(shè)計的系統(tǒng)

系統(tǒng)于2020 年7 月在貴州云山環(huán)保再生循環(huán)科技有限公司搭建成功并進行試驗。 為了驗證自動控制系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率,首先利用設(shè)備進行自動化生產(chǎn),將成品后的溶液濃度與工藝要求(31. 8% ～33.2%)進行比較,判斷是否達標(biāo)。 溶液合格率如表2所示。

表2 溶液合格率Tab.2 Solution acceptance rate

由表2 可知,所生產(chǎn)的溶液濃度達到了工藝要求,合格率為100%。 用原有生產(chǎn)方式和優(yōu)化后自動生產(chǎn)方式分別進行了10 次生產(chǎn)試驗。 在相同的攪拌速度和加熱溫度下分別生產(chǎn)1.0 t 和1.5 t 車用尿素溶液,并比較兩種生產(chǎn)方式下的平均生產(chǎn)時間。

優(yōu)化前后平均生產(chǎn)時間對比如表3 所示。 由表3可知,生產(chǎn)1.0 t 溶液時,優(yōu)化后的自動方式平均生產(chǎn)時間較原有方式平均生產(chǎn)時間減少了24.4 min,提高了大約25%的生產(chǎn)效率。 當(dāng)生產(chǎn)1.5 t 溶液時,優(yōu)化后的自動方式平均生產(chǎn)時間較原有方式的減少了38.2 min,提高了大約25%的生產(chǎn)效率。

表3 優(yōu)化前后平均生產(chǎn)時間對比Tab.3 Comparison of average production time before and after optimization

為了驗證高效模式比正常模式的生產(chǎn)效率更高,自動控制系統(tǒng)分別以高效模式和正常模式總共進行10 次試驗。 高效模式和正常模式下的平均生產(chǎn)時間對比如表4 所示。

表4 高效模式和正常模式下的平均生產(chǎn)時間對比Tab.4 Comparison of average production time between high efficiency mode and normal mode

由表4 可知,生產(chǎn)1.5 t 溶液時,在高效模式下,平均生產(chǎn)時間較正常模式下的減少了10.6 min,提高了大約9%的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于PLC 的車用尿素溶液自動生產(chǎn)控制系統(tǒng),實現(xiàn)了系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和可靠運行。

系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機交互界面,實現(xiàn)了生產(chǎn)進程可視化、數(shù)據(jù)顯示過程化,且能夠按需配置查看生產(chǎn)記錄,具有人性化特點。

自動控制系統(tǒng)控制精度高,較原有生產(chǎn)方式提高了25%的生產(chǎn)效率,并且增加了高效和正常兩種生產(chǎn)模式供用戶選擇,滿足了不同的生產(chǎn)需求。