低溫泵控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李樂斌 齊恩伍 呂衛(wèi)星 胡石林

(中國原子能科學研究院 北京 102413)

1 引言

在化工裝置中氣體循環(huán)泵是常用設(shè)備。在本實驗所建立的串級低溫精餾裝置中,需要將原料氣體從一級精餾塔再沸器出口通過氣體循環(huán)泵排到二級精餾塔進料處?？紤]到設(shè)備上下游進出口壓差較大,控制預算成本等具體問題,提出用低溫泵代替氣體循環(huán)泵實現(xiàn)物料的正常運轉(zhuǎn)。低溫泵是一種特殊泵,多用于石油、空分和化工裝置來輸送低溫液體[1]。按照介質(zhì)的供應方式區(qū)分,低溫泵可分為貯槽式低溫泵、流程低溫泵、小型制冷機低溫泵[2]。鑒于本實驗裝置采用液氮作為精餾塔的冷源,從節(jié)約成本與一體化設(shè)計等方面綜合考慮選擇貯槽式低溫泵。低溫介質(zhì)液氮直接注入泵內(nèi)貯槽,使原料氣體冷凝到儲罐。氣體管路形成壓差,原料氣自行流動到儲罐達到抽氣目的。這種低溫泵的特點是無振動、無噪聲、無污染,工作壓強范圍寬,結(jié)構(gòu)簡單、費用低。

2 低溫泵結(jié)構(gòu)與工作流程

針對工藝要求,設(shè)計出低溫泵結(jié)構(gòu)與實物圖如1所示。低溫泵采用3 層罐式結(jié)構(gòu),原料罐浸泡在液氮罐中,最外層為真空罐。該設(shè)備共有原料氣進出口、液氮進出口、原料氣加熱棒和液氮加熱棒等接口。正常運行時低溫泵有進料、預熱和出料3 種模式。進料模式下液氮直接注入液氮罐,通過液氮加熱棒溫度、出口氮氣溫度和低溫電磁閥通斷時間的相互作用調(diào)節(jié)罐內(nèi)的液位高度。此模式下原料氣通過壓力差被吸入到低溫泵的原料罐,通過質(zhì)量流量計記錄進入的氣體質(zhì)量,原料氣以液態(tài)形式存儲在罐內(nèi)。當進料質(zhì)量達到設(shè)定值停止進料,此時可手動選擇轉(zhuǎn)入預熱模式。通過原料氣加熱棒的溫度控制使原料氣發(fā)生液相到氣相的相變增壓,壓力達到設(shè)定值后可進入出料模式。正常出料時管路的質(zhì)量流量計計算出料的質(zhì)量。低溫泵的庫存量(即進料量與出料量的差值)達到設(shè)定值停止出料再次切換至進料模式,如此循環(huán)執(zhí)行。通過低溫泵的工藝流程分析出低溫泵控制系統(tǒng)包括溫度控制、壓力控制、流量控制,保證低溫泵的液氮液位、氮氣壓力與原料氣壓力在正常范圍,流量計計量準確。

圖1 低溫泵結(jié)構(gòu)與實物圖Fig.1 Structure and physical drawing of cryopump

3 控制系統(tǒng)硬件組成與控制原理

根據(jù)工藝的具體要求,采用PLC 作為主控制器,其它硬件包括IO 模塊、通訊模塊、安全柵、繼電器等。實驗裝置與PLC 柜如圖2 所示。液氮液位通過液氮加熱棒溫度、氮氣排出口溫度和延時時間共同作用進行判斷。兩者溫度其一小于設(shè)定值后關(guān)液氮進口電磁閥停止進液氮并開啟延時等待程序。延時時間到且兩者溫度其一高于設(shè)定值時打開電磁閥再次進液氮,以后重復此過程。溫度PID 控制輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號到固態(tài)繼電器用于調(diào)節(jié)加熱器工作。壓力PID 控制輸出模擬量4—20 mA 信號到電氣轉(zhuǎn)換器從而調(diào)節(jié)輸出不同氣壓信號到背壓調(diào)節(jié)閥。質(zhì)量流量計利用串口通訊方式獲得瞬時與累計流量,同時還可以采集閥門其他信息。PLC 利用IO 模塊、安全柵采集裝置中的壓力、溫度信號。液氮加熱器采用一體棒式結(jié)構(gòu),將加熱絲與熱電偶安裝在加熱棒內(nèi)部,可以減少設(shè)備接口與泄漏點。執(zhí)行器采用低溫電磁閥、氣動球閥、氣動背壓調(diào)節(jié)閥,提高系統(tǒng)的響應時間。利用半導體高真空干泵為裝置提供高真空環(huán)境,通過人機接口可遠程啟停此設(shè)備。從設(shè)備安全運行方面考慮,液氮出口處的背壓調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)式,電加熱回路安裝接地保護器、過流保護器,低溫泵采用一用一備方式運行。

圖2 實驗裝置與PLC 柜Fig.2 Experimental device and PLC cabinet

4 軟件設(shè)計

依據(jù)工藝運行流程逐步形成了具體軟件設(shè)計方案,將程序按照功能進行模塊化處理,每個功能塊實現(xiàn)不同的目的。編程時根據(jù)需要進行調(diào)用,增加了程序的易讀性,便于維護。軟件編程包括下位機程序和上位機程序兩部分。下位機程序是整個程序的核心,控制PLC 及各種硬件完成邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)交換等,接受上位機發(fā)出的命令完成相應的動作并反饋設(shè)備狀態(tài)。上位機程序是指人機界面,通過OPC 服務(wù)器以Modbus TCP 通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,完成輸入操作指令、數(shù)據(jù)顯示與存儲等。

4.1 下位機軟件設(shè)計

PLC 程序采用3 種語言進行編程,分別是梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)和結(jié)構(gòu)化文本(ST)。LD 語言與電氣操作原理圖相對應,具有直觀性和對應性。文中用其編寫設(shè)備啟停和手自動切換等邏輯。FBD語言以功能模塊為單位,分析理解控制方案簡單容易,用圖形的形式表達功能直觀性強[3]。程序中用FBD 語言完成PID 邏輯控制。壓力控制輸出標準模擬信號,溫度控制輸出脈沖調(diào)制(PWM)信號。ST 語言是類似于高級語言的一種編程語言,采用高度簡化的表達式,使程序緊湊,結(jié)構(gòu)清晰,帶有多種控制語句,便于實現(xiàn)復雜的控制邏輯[4]。用ST 語言編寫低溫泵在3 種模式下的順序控制程序。圖3 表示溫度PID 控制的FBD 程序,控制信號輸出到固態(tài)繼電器,最終控制加熱棒周期內(nèi)接通與斷開。

圖3 溫度PID 控制FBD 程序Fig.3 Temperature PID control FBD program

圖3 中的PID 模塊包括手自動模式選擇、設(shè)定限值、控制器結(jié)構(gòu)選擇、限值輸出、模擬量輸出、PWM 輸出等多個管腳。根據(jù)執(zhí)行器的具體要求選擇不同的管腳完成相應的動作。程序中控制器在手動模式下沒有設(shè)定初值,因此手動模式即停止加熱。為了延長加熱絲使用壽命及限制過高的超調(diào)量對自動輸出進行了限值50%。程序中壓力PID 控制中還增加了無擾切換功能。自動模式下,輸出的百分比值賦值給手動輸入值。這樣從自動向手動切換時,手動輸出值等于當前的調(diào)節(jié)值。同理,手動切換自動時,需要在PID 程序前增加這樣一段程序。取手自動模式切換的上升沿信號,此時把反饋值賦值給設(shè)定值,這里不再贅述。

程序中還應用了ST 語言,輔助LD 和FBD 程序編寫順序控制,提高程序執(zhí)行效率。圖4 表示部分進料的順序控制程序,主要用到選擇語句和迭代語句。根據(jù)不同運行條件進行判斷,完成相應的動作。

圖4 進料順序控制程序Fig.4 Feeding sequence control procedure

4.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件將PLC 采集的工藝參數(shù)顯示到人機界面,完成操作參數(shù)輸入、實時顯示、數(shù)據(jù)處理與存儲等功能。上位機操作界面如圖5 所示。圖中包括運行模式選擇按鈕、手自動選擇開關(guān)、PID 參數(shù)設(shè)置等。上位機通過Modbus TCP 與下位機通訊。Modbus TCP 是簡單的用于管理和控制自動化設(shè)備的Modbus系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。因使用Ethernet 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu),速度及信息傳送量更快更大,近年來被大量使用[5]。通過上位機軟件,實時監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài),調(diào)整工藝運行參數(shù),保障裝置的順利運行。同時利用上位機軟件還編寫了質(zhì)量流量計的通訊程序如圖6所示。根據(jù)質(zhì)量流量計的通訊協(xié)議說明書,文中主要用到以下幾個功能:控制閥工作模式、累計控制模式、讀寫設(shè)定值、讀瞬時和累計等。編寫程序用到的串口操作指令包括VISA Configure Serial Port、VISA Write、屬性節(jié)點(Bytes at Port)、VISA Read、VISA Close[6]。首先配置串口參數(shù),接著寫入特定的命令符,延時處理并根據(jù)接收的字節(jié)數(shù)讀取數(shù)據(jù),最后關(guān)閉串口。程序中還包括字節(jié)異或(XOR)校驗,數(shù)據(jù)傳輸格式基于IEEE754 單精度浮點標準。

圖5 上位機操作界面Fig.5 Upper computer operation interface

圖6 質(zhì)量流量計通訊程序Fig.6 Communication procedure of mass flow meter

5 結(jié)論

低溫泵作為一種特殊的泵類,它的用途是將低溫液體從壓力低的場所輸送到壓力高的場所。利用貯槽收集原料液體,達到一定質(zhì)量后將其汽化,利用壓差將氣體輸送到下一級設(shè)備。用此功能代替氣體循環(huán)泵。根據(jù)工藝的特點,設(shè)計了一套低溫泵控制系統(tǒng)并應用于現(xiàn)場。該系統(tǒng)以PLC 為核心,功能上包括常規(guī)信號采集,溫度與壓力的PID 控制、流量的RS485 串口通訊及上位機的Modbus TCP通訊,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲等功能?？刂葡到y(tǒng)具有友好的人機界面、操作簡單,具有較強的可移植性。經(jīng)過長期運行結(jié)果表明,低溫泵控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,滿足工藝要求,在低溫工程領(lǐng)域提供了參考價值。