羅克韋爾自動化產(chǎn)品在VOCs處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：主要介紹了羅克韋爾RSLogix5000 PLC編程軟件、FactoryTalk View人機畫面編程軟件、EtherNet/IP通信模塊等產(chǎn)品在揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）處理設(shè)備——五腔式蓄熱式熱氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）設(shè)計中的應(yīng)用，分析了系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并從軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面分別敘述了如何成功實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵功能。

關(guān)鍵詞：VOCs;蓄熱式熱氧化爐（RTO）;人機界面;自動控制

中圖分類號：X701 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.005

0 ? ?引言

空氣中的氣態(tài)有害物質(zhì)，有一部分是揮發(fā)性有機化合物（VOCs），它指的是揮發(fā)性的碳?xì)浠衔锛捌溲苌?，包括烴類、芳烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、胺類、有機酸等，主要來自于溶劑生產(chǎn)過程或使用溶劑的加工過程中，例如化工和醫(yī)藥生產(chǎn)過程，噴漆、涂裝、粘結(jié)、金屬清洗過程，氣相膠、半導(dǎo)體和電子工業(yè)的生產(chǎn)和加工過程等，對人體及環(huán)境危害很大，目前常用的處理方法有吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、燃燒法、等離子體法等。

某項目的VOCs處理采用目前最常用的燃燒法，燃燒法是基于廢氣中有機化合物可以燃燒氧化的特性，其目的是通過燃燒將廢氣中可氧化的組分轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，在廢氣中含純碳?xì)浠衔锏那闆r下，即轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣。燃燒法主要有3種類型，即直接燃燒法、蓄熱燃燒法和催化燃燒法，其中蓄熱燃燒法應(yīng)用最為廣泛[1]。

1 ? ?蓄熱式熱氧化爐

首先介紹蓄熱式熱氧化爐（RTO）及其運行原理。RTO用于凈化生產(chǎn)線產(chǎn)生的VOCs，高溫（870～980 ℃）燃燒其中的碳?xì)浠衔?，使它們分解成二氧化碳和水蒸氣，與已凈化的空氣一起排放至大氣。氧化過程是再生的，即如果工藝溫度和溶劑濃度在最佳范圍內(nèi)，該過程就不需要額外（燃燒器）能量，燃燒器就可以切換到最小或關(guān)閉[1]。

圖1所示為五腔RTO提升閥的切換順序，它分為10個步驟，每個陶瓷蓄熱槽（A～E）有5個入口槽、5個出口槽，每30 s，兩個提升閥一個從入口切換到凈化，另一個從凈化切換到出口，提升閥永遠(yuǎn)不會直接從入口切換到出口，以避免任何工藝氣體離開氧化爐。在提升閥移動時，進(jìn)口蓄熱槽中的少量工藝氣體由于氣流中斷而不再到達(dá)燃燒室，因此這種空氣不能完全氧化和凈化，這個問題可通過一個特殊的凈化管道來解決。蓄熱槽的入口轉(zhuǎn)移到凈化，即一個提升閥室的進(jìn)出提升閥關(guān)閉，該室的凈化管路打開，工藝氣體和燃燒室中的一些清潔氣體通過凈化管道（與其他清潔氣體或工藝氣體無任何接觸）被主風(fēng)機引回到氣體管道系統(tǒng)，并與來自生產(chǎn)線的排氣混合，然后返回到氧化爐進(jìn)行氧化。30 s后，吹掃管道再次關(guān)閉，蓄熱槽用于入口或出口氣體流動。

如果氧化爐燃燒室的溫度過高，則新風(fēng)風(fēng)門打開，并向工藝氣體中添加新鮮空氣，直到燃燒室溫度再次達(dá)到范圍內(nèi);如果該措施沒有達(dá)到要求的效果，則氧化爐關(guān)閉。如果熱旁通的任何PID回路溫度超過設(shè)定值，則熱旁通風(fēng)門打開，熱旁通系統(tǒng)允許熱空氣直接從燃燒室排放到煙囪;如果該措施沒有達(dá)到要求的效果，氧化爐會因溫度過高故障而關(guān)閉。

2 ? ?項目說明

某項目風(fēng)量較大且VOCs濃度較高，最終采用我公司自主研發(fā)、有獨立專利的五腔式蓄熱式熱氧化爐（RTO）進(jìn)行凈化處理，此設(shè)備控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾產(chǎn)品，下文進(jìn)行應(yīng)用說明。

2.1 ? ?控制系統(tǒng)構(gòu)成和產(chǎn)品應(yīng)用特點

2.1.1 ? ?羅克韋爾產(chǎn)品的配置

為保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在設(shè)計選型上我公司沿用了一直信賴的羅克韋爾產(chǎn)品。整個系統(tǒng)硬件部分采用羅克韋爾公司生產(chǎn)的安全PLC系列（GuardILogix 1756-L7xS）控制，普通I/O使用1756 I/O，安全I(xiàn)/O使用1734 I/O，遠(yuǎn)程通信采用5個1756-EN2T EtherNet/IP通信模塊，人機畫面采用Allen Bradley PanelView Plus 7屏幕，PLC編程軟件采用RSLogix5000，人機畫面編程軟件采用FactoryTalk View。由于該項目設(shè)計有11條生產(chǎn)線排入，需要RTO與每一條生產(chǎn)線進(jìn)行通信，為了保證讀取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，項目采用光纖通信。

2.1.2 ? ?人機界面系統(tǒng)及操作系統(tǒng)

人機界面如圖2所示，它包含了整個系統(tǒng)的運行工藝畫面，最上層是故障顯示畫面，通過點擊指定圖形可以進(jìn)入詳細(xì)控制畫面，例如點擊風(fēng)門XCV34508，畫面跳轉(zhuǎn)至該風(fēng)門的詳細(xì)控制畫面。

2.1.3 ? ?工藝PID調(diào)節(jié)及控制

該項目設(shè)備自動化程度高，設(shè)備啟動后無須任何人員操作，全部實現(xiàn)自動化控制，此時羅克韋爾PLC的程序控制以及人機界面的人性化操作就顯示出了極大的優(yōu)勢。PLC根據(jù)生產(chǎn)線排放廢氣的壓力控制RTO的主風(fēng)機速度，同時為了維持系統(tǒng)運行所需要的溫度，通過溫度傳感器控制爐頭開度的大小。不同的過程控制系統(tǒng)中的傳感器、變送器以及執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的，比如壓力控制系統(tǒng)采用壓力傳感器，溫度控制系統(tǒng)采用溫度傳感器。

過程控制的實現(xiàn)需要借助PID算法，那什么是PID控制呢？比例、積分、微分控制，簡稱“PID控制”，又稱“PID調(diào)節(jié)”[2]?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值y（t）構(gòu)成偏差：e（t）=r（t）-y（t），將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

式中：Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù);Ki=Kp/Ti，為積分系數(shù);Kd=Kp×Td，為微分系數(shù)。

PID算法控制看起來很復(fù)雜，但好在羅克韋爾公司提供了集成的PID軟件控制產(chǎn)品，在編程軟件庫里可以找到PID模塊，此模塊的適用范圍非常廣泛，它對于所控制的過程類型是沒有限制的，無論是溫度控制、壓力控制還是流量控制等都適用。

2.1.4 ? ?編程軟件

下面以壓力控制主風(fēng)機速度為例，簡單介紹使用編程軟件RSLogix5000中的PID模塊的編程過程。

第一步，向內(nèi)部變量裝載外部變量，將人機畫面輸入的設(shè)定值移動到PID模塊里的SP地址內(nèi)[3]，如圖4所示。

第二步，確認(rèn)人機界面上的操作模式——自動和手動切換，自動模式為正常工作模式，手動模式為維修時使用模式，如圖5所示。

第三步，調(diào)用PID調(diào)節(jié)模塊（圖6）并輸入相關(guān)變量，變量在人機畫面中有詳細(xì)的描述，如圖7所示，SP是設(shè)定值，PV是過程值，CV則是PID控制器百分比輸出值（0%～100%）;中間為PID操作模式選擇，操作方式可在手動和自動之間切換，手動模式下，CV為固定值輸出，自動模式下，通過控制CV的輸出大小從而控制PV值達(dá)到SP值;下面一欄則是調(diào)整PID控制器的時間常數(shù)和比例值，Gain（P）是比例因子，Reset（I）是積分時間常數(shù)，Rate（D）是微分時間常數(shù)。

2.2 ? ?設(shè)備運行的問題及解決方案

（1）在設(shè)備調(diào)試開始階段下載PLC程序，遠(yuǎn)程模塊都工作正常，只有變頻器無法通信成功，且檢查硬件配置及IP地址設(shè)定都正常，然后檢查變頻器通信模塊也未發(fā)現(xiàn)異常，內(nèi)部參數(shù)也已正確設(shè)定。使用ping命令來檢查網(wǎng)絡(luò)，無法通信，更換新的連接網(wǎng)線后通信正常，但運行時還是會出現(xiàn)通信丟失狀況。后檢查判定該問題為通信線要經(jīng)過變頻器，因而受到電磁干擾所致。重新布線后運行了一段時間，此問題未再出現(xiàn)。

（2）在設(shè)備調(diào)試中主風(fēng)機變頻器有偷停現(xiàn)象，檢查了所有外圍硬件都未找到問題所在，于是在PLC程序中增加了上升沿脈沖捕捉程序段，對所有聯(lián)鎖點進(jìn)行監(jiān)控，即使有毫秒級脈沖也可以捕捉到累加器里。運行一天后在累加器里出現(xiàn)了“1”，最后發(fā)現(xiàn)是PLC的數(shù)字量輸入模塊有一個通道存在問題，在更換新的通道后問題解決。針對這個問題的處理，RSLogix5000編程軟件指令系統(tǒng)的強大、編程的靈活性等體現(xiàn)得淋漓盡致，給了編程人員很大的幫助。

（3）在設(shè)備調(diào)試過程中，客戶提出一個安全問題：現(xiàn)在整個系統(tǒng)中風(fēng)機都是依靠PLC來控制的，如果PLC出現(xiàn)故障，那么風(fēng)機全部要停機，此時生產(chǎn)線側(cè)廢氣無法排出，就會有爆炸危險。經(jīng)過思考，筆者決定重新設(shè)計整個控制系統(tǒng)，風(fēng)機變頻器既能夠受PLC控制，也可以獨立運行。經(jīng)過反復(fù)研究，筆者設(shè)計了新的電氣圖紙并編寫了新的控制程序，硬件上增加了啟動和停止按鈕，連接線路到變頻器的外部啟動回路，完成后測試運行符合客戶要求。

（4）在設(shè)備正常運行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)線排入風(fēng)量較低時，會造成整個系統(tǒng)溫度偏高，最終導(dǎo)致排氣溫度過高設(shè)備停機，而出口溫度高，操作人員故障復(fù)位后設(shè)備無法立即啟動，從而影響正常生產(chǎn)。為了解決這個問題，筆者在程序中增加了新的控制，通過壓差傳感器判定風(fēng)量，在風(fēng)量較低時打開新風(fēng)補充風(fēng)量，降低整個系統(tǒng)的溫度，同時在人機界面上增加PID控制畫面，找到一個最佳的壓力控制點去打開新風(fēng)風(fēng)門。針對該問題的處理，羅克韋爾的編程軟件及人機畫面系統(tǒng)給筆者提供了很大的幫助，使筆者能夠用較少的時間去解決問題，讓客戶可以盡快投入生產(chǎn)。

3 ? ?結(jié)語

在該項目實際調(diào)試的過程中，羅克韋爾產(chǎn)品的靈活性、開放性，編程的可操作性，完善的技術(shù)文檔，良好的技術(shù)支持，有力縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間，大大縮減了項目成本。同時，本系統(tǒng)可完全自主監(jiān)控，并可通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)送達(dá)監(jiān)控室從而實現(xiàn)快速檢修的便捷操作性，這就為日后大批量使用和推廣羅克韋爾產(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陸震維.有機廢氣的凈化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 孟華.自動控制原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 程周.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用（歐姆龍機型）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

收稿日期：2021-10-26

作者簡介：付永國（1979—），男，吉林遼源人，工程師，研究方向：蓄熱式熱氧化爐（RTO）自動控制。