機電自動化在化工設(shè)備的應(yīng)用
——以冷凍自動化控制系統(tǒng)設(shè)計研究為例

＊黃迎春

（浙江巨化檢安石化工程有限公司 浙江 311106）

1.機電自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用作用

機電自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用具有良好的作用，是當(dāng)前化工設(shè)備的研發(fā)方向，能夠?qū)⒆詣踊夹g(shù)與化工設(shè)備有效集成。

(1)提升化工設(shè)備的工作效率

化工設(shè)備應(yīng)用機電自動化設(shè)備之后，最為主要的表現(xiàn)是能夠自動完成工作，從而提升了工作效率。傳統(tǒng)的化工設(shè)備應(yīng)用采用機械+電力原理，需要人工操作設(shè)備，才可以實現(xiàn)設(shè)備功能，完成后續(xù)的化工生產(chǎn)。而人工操作實施中，人員操作因素在很大程度上會影響到化工設(shè)備的工作效率。而在機電自動化技術(shù)應(yīng)用之后，化工設(shè)備能夠自動完成相關(guān)工作，減少人員因素對設(shè)備工作的影響。按照自動化軟件指令完成設(shè)備啟動、停止、參數(shù)變化等工作，有效地提高了設(shè)備工作效率。

(2)實現(xiàn)化工生產(chǎn)一體化

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中，自動一體化生產(chǎn)模式是化工生產(chǎn)應(yīng)用的主要模式，對于化工生產(chǎn)應(yīng)用有非常關(guān)鍵的作用。自動化技術(shù)是以電氣自動化、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用為核心，實現(xiàn)了化工自動化之后，設(shè)備的自動化網(wǎng)絡(luò)也建成，能夠與其他自動化設(shè)備實現(xiàn)信息溝通，為化工生產(chǎn)一體化打好了基礎(chǔ)。

(3)實現(xiàn)安全生產(chǎn)

傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)過程中，由于工藝復(fù)雜，并且大量應(yīng)用化工原料，所以安全性較差，很有可能發(fā)生化工生產(chǎn)安全事故。而在自動化設(shè)備應(yīng)用后，設(shè)備取代了人工，能夠減少人工化工生產(chǎn)的操作危險，同時也節(jié)約了人力資源。

2.冷凍機組自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

本次研究的工程是某化工廠的冷凍機組自動化設(shè)備改造項目，該項目在設(shè)計過程中，應(yīng)用了PLC控制系統(tǒng)，完成了冷凍機組的設(shè)備自動化改造，對于該化工廠的冷凍生產(chǎn)環(huán)節(jié)有重要的作用。以下是對該設(shè)備自動化改造方案：

選定三菱PLC（FX2N-48MR）和三菱觸摸屏（A970GOTTBA-CH）為核心組建控制系統(tǒng)。在硬件方面，還包括+24VDC和+10VDC兩只穩(wěn)壓電源、輸出繼電器、斷路器、擴展模塊，外部傳感器和電磁閥、以及連接線路。輸入?yún)?shù)包括能級指示、吸氣壓力、排氣壓力、噴油壓力、油過濾器壓差、電機電流、吸氣溫度、進口溫度、出口溫度、油分離器油溫度、噴油溫度、油壓差、運行反饋、過載、油分離器液位開關(guān)等25個。輸出包括油泵啟停、壓縮機開始啟停、加熱器啟停、滑閥增減載控制電磁閥、供油電磁閥、經(jīng)濟器液相F22切斷電磁閥、油分離器電磁閥、熱氣旁通電磁閥、蜂鳴器等20個控制點。

在軟件方面，根據(jù)冷凍機組控制原理，同時吸收其他機組的優(yōu)點編制控制程序。本控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)啟停順序控制、能量調(diào)節(jié)控制、過程保護控制。整個機組啟動以自動為主，并且根據(jù)順序在啟動高壓級后再啟動低壓級，如果啟動失敗會顯示原因，便于判斷故障。停機分為正常停機、故障停機、緊急停機三種，故障停機時會保存當(dāng)時所有的模擬量值。能級調(diào)節(jié)分為手動和自動兩種方式，其中自動方式是以吸氣壓力為控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，并且根據(jù)偏差的大小自動改變調(diào)節(jié)速度。在機組運行過程中監(jiān)測壓力、溫度、電機電流等多種參數(shù)，并且做出相應(yīng)的控制；在出現(xiàn)電機電流高報、吸氣壓力低報、排氣壓力高報、排氣溫度高報等報警時會引起機組相應(yīng)的停止加載、強制減載，以使機組正常運行。報警分為提示和故障停機兩種，在顯示顏色、閃爍頻率上做出區(qū)別。配置三級密碼來區(qū)分操作權(quán)限。除電源指示、急停按鈕外的所有的操作、設(shè)置、顯示都集中在觸摸屏上。以下圖1為系統(tǒng)PID設(shè)計圖。

圖1 系統(tǒng)PID圖

(1)控制系統(tǒng)硬件配置

本控制系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MR（PLC）、A970GOT-TBACH（人機界面）、模擬量模塊FX2N-4AD、FX2N-4AD-PT及相關(guān)設(shè)備組成。以下表1為系統(tǒng)自動化設(shè)備組成。

表1 冷卻自動化控制系統(tǒng)設(shè)備

(2)控制系統(tǒng)功能設(shè)計

控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中，要求根據(jù)冷凍系統(tǒng)的控制功能需求進行分析，在實際的冷凍系統(tǒng)控制過程中，要求系統(tǒng)的控制功能需求主要包括以下幾點內(nèi)容：

①PLC要實現(xiàn)的功能包括：啟停順序控制、能量調(diào)節(jié)控制、過程保護控制。

②手動開啟油泵：高壓段油泵可以手動啟停。增加低壓段油泵的手動啟停功能。

③啟動順序控制：如果啟動不成功，再次啟動前請按復(fù)位鍵。

A.當(dāng)整個機組無故障報警信號時，機組具備啟動條件。如果存在這些報警，則需要逐個消除。

B.機組準備啟動燈亮后，表示機組具備啟動條件（無停機故障報警信號）,并且高、低壓段停機輸出信號已結(jié)束。本機組在開停機過程是自動的，所以如果要開機，則需先把高壓段油泵、能級控制打到自動，低壓段油泵、能級控制打到自動，并且需要把低壓段控制選擇開關(guān)打到自動位置。

C.機組準備啟動燈亮的同時，如果不存在油分離器溫度低報警和油分離器液位低報警，并且停機后允許重啟的延時時間已到，則高壓段準備啟動指示燈也亮，表示高壓段具備啟動條件。這時如果沒有提示報警存在，則可按下高壓段啟動按紐，高壓段自動啟動。

D.首先送出高壓段油泵啟動信號和高壓段供油電磁閥打開信號。當(dāng)收到高壓段油泵運行反饋信號后，這時檢測高壓段能量位置是否小于最大開機位置（＜10%），如果不是，則自動減載（也可通過手動減載，采用一直連續(xù)減載方式）到設(shè)定位置，如果在預(yù)定的時間內(nèi)（45s）不能減載到設(shè)定值（10%），則停止啟動過程并發(fā)出停機報警。高壓段壓縮機預(yù)潤滑計時開始，預(yù)潤滑時間為45s。

E.高壓段壓縮機預(yù)潤滑時間到45s后如果高壓段能量位置處于最大開機位置（＜10%），則送出時間長度為60s的高壓段壓縮機啟動脈沖信號，如果在啟動脈沖信號輸出時間內(nèi)（60s）沒有收到壓縮機運行反饋信號，則說明啟動失敗，發(fā)出高壓段啟動失敗報警信號，并停止油泵運行和關(guān)閉供油電磁閥；如果收到壓縮機運行反饋信號，則說明啟動成功，同時準備啟動低壓段。

F.高壓段壓縮機運行正常后：a.當(dāng)測到油壓差PDIS014大于0.25MPa后，啟動高壓段油泵停止和供油電磁閥關(guān)閉的延時計時，時間到后，油泵停止。這時如果高壓段油壓差（PDIS014）沒有高于停機值（0.25MPa），則壓縮機會停下來。b.高壓段按預(yù)定脈沖加載，直到低壓段排氣壓力值位于開機值或者高壓段能量位于100%位置。c.低壓段準備啟動指示燈亮。

G.低壓段準備啟動。啟動過程與高壓段類同。

H.機組啟動過程完成，進入運行狀態(tài)。a.高壓段能量到設(shè)定值時（≥20%，可設(shè)定），打開中冷器電磁閥、經(jīng)濟器液相F22電磁閥。b.能量調(diào)節(jié)控制。

(3)能量調(diào)節(jié)控制設(shè)計

機組進入運行狀態(tài)后，能量可以根據(jù)吸氣壓力自動控制，也可切換到手動模式進行手動控制。

自動調(diào)節(jié)控制模式下，能量控制采用線性調(diào)節(jié)方式進行控制，也就是如果發(fā)現(xiàn)吸氣壓力實際量偏離設(shè)定值的上下死區(qū)范圍之外，則偏差值越大，對應(yīng)輸出增/減載的脈沖時間越長，接近報警值時，增/減載的脈沖時間最長，以達到用最短的時間回到設(shè)定值?？煞謩e對高/低壓段設(shè)置增/減載的脈沖周期時間。

在運行狀態(tài)下，當(dāng)電機電流高報或排氣壓力高報或排氣溫度高報時，則自動停止加載并強制使高、低壓段以2s間隔時間減載（時間可設(shè)定），以達到機組運行平衡。

(4)停機順序控制設(shè)計

停機過程分自動正常停機、故障停機和斷電停機（包括控制柜面板上的急停按鈕停機）。

①自動正常停機。按觸摸屏上的停機按鈕，機組進入自動停機過程，高低壓段自動停止加載。

A.低壓段壓縮機自動（或手動）減載到最大停機位置（采用連續(xù)減載方式）后再發(fā)出停止低壓段壓縮機信號。B.低壓段壓縮機停止后，高壓段進入停機過程，首先自動減載到最大停機位置（采用連續(xù)減載方式）再發(fā)出停止壓縮機信號。關(guān)閉經(jīng)濟器液相F22電磁閥、熱氣旁通電磁閥、油總管電磁閥。C.高壓段壓縮機停止后，機組允許重啟延時計時開始，時間為5min，5min內(nèi)不能再次開機。這個時間高壓段壓縮機停止時開始計算的。

②故障停機。機組在開停機過程和正常運行過程中，只要出現(xiàn)停機報警信號，要同時發(fā)出高低壓段壓縮機停止脈沖信號來同時停機，并發(fā)出相應(yīng)的報警信號[1]。停機后，機組允許重啟延時計時開始，時間為5min。

③軟急停。當(dāng)機組在開停機過程和運行過程中，可按人機界面上的軟急停按鈕同時發(fā)出高低壓段壓縮機停止脈沖信號來緊急停機（需要一直按著直到機組停止，松開后就自動停止輸出），并發(fā)出相應(yīng)的報警信號。停機后，機組允許重啟延時計時開始，時間為5min[2]。

④硬急停和斷電停機。PLC斷電時，會通過外圍電路同時發(fā)出高低壓段壓縮機停止脈沖信號來使機組停機，再重新上電后，發(fā)出斷電停機報警信號。人為按控制柜面板上的急停按鈕時，會切斷PLC供電，其他PLC斷電情況。

⑤故障停機和斷電停機后，需要檢查停機原因并消除報警，按復(fù)位鍵進入停機重啟過程。機組重新啟動間隔時間為5min，但可通過操作界面上的屏蔽按鈕來跳過這5min延時以實現(xiàn)在特殊情況下迅速再啟動。停機（包括故障停機、軟急停、硬急停及PLC斷電停機）后，要等到PLC收到高、低壓段壓縮機電機已停止才可再次準備啟動。

(5)人機界面要實現(xiàn)的功能設(shè)計

在運行狀態(tài)界面主要顯示一些與機組運行相關(guān)的信息。其中，運行時間為機組運行的時間，單位為小時。報警信息分警告（一般報警）和報警兩種，都會觸發(fā)蜂鳴器。兩種報警采用兩種不同的頻率閃爍，報警閃爍速度快，警告閃爍速度慢。同一參數(shù)當(dāng)發(fā)生報警后就自動停止警告提示。出現(xiàn)警告提示后，可以按確認鍵來表示已知道這個信息，這時蜂鳴器停止聲音提示，觸摸屏上的指示燈不再閃爍而是靜止于提示顏色，在確認后，如果恢復(fù)正常，則會自動停止報警。如果在確認后，又出現(xiàn)新的警告或報警，則又會再一次觸發(fā)蜂鳴器輸出和警示燈閃爍，按動復(fù)位鍵可以復(fù)位已恢復(fù)正常的信號[3]。

圖2 冷凍控制系統(tǒng)人機界面

3.總結(jié)機電自動化在化工設(shè)備中的應(yīng)用要點

機電自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用有利于化工設(shè)備的應(yīng)用效率提升，而自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用，主要是將自動化技術(shù)模塊與化工設(shè)備集成設(shè)計和應(yīng)用。通過硬件選型以及軟件設(shè)計，完成自動化設(shè)備的應(yīng)用分析，也能夠最大程度上提升化工設(shè)備的應(yīng)用效果。以下是通過上述設(shè)計和應(yīng)用案例，總結(jié)的機電自動化在化工設(shè)備中的應(yīng)用要點。（1）機電自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用，應(yīng)該按照化工設(shè)備的應(yīng)用需求，完成機電自動化技術(shù)設(shè)計，在實際的技術(shù)設(shè)計應(yīng)用中，更要求完成機電自動化設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用管控，可以提升自動化效果。（2）機電自動化在化工和設(shè)備中應(yīng)用，還應(yīng)該注重完成自動化設(shè)備選型、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計。自動化設(shè)備是整個化工設(shè)備自動化功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，在其系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中，主要完成PLC選型、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選型、系統(tǒng)核心硬件選型。選型中，應(yīng)該遵循高效、高性價比等原則，確保機電自動化設(shè)備和工藝應(yīng)用良好，也能夠提升自動化設(shè)備的應(yīng)用效果。本次研究中，為了驗證設(shè)計系統(tǒng)的實踐應(yīng)用性能，某化工企業(yè)在倉庫設(shè)計中應(yīng)用了該冷凍控制系統(tǒng)，經(jīng)過實踐驗證，該系統(tǒng)平均結(jié)冰厚度10mm，提高制冷主機的效率，實測每小時融冰率可達30%以上，可將更多的冰融化。經(jīng)過計算研究，該系統(tǒng)最高環(huán)境溫度計為65℃、控制范圍為-0.2～5bar、最低運行環(huán)境為-25℃，具有良好的冷凍控制效果。

4.結(jié)束語

本文主要探討機電自動化在化工設(shè)備中應(yīng)用，以自動化冷卻系統(tǒng)實踐為例，總結(jié)了機電自動化技術(shù)在化工設(shè)備自動化中的應(yīng)用。在現(xiàn)代化工工藝發(fā)展過程中，自動化技術(shù)應(yīng)用十分關(guān)鍵，同時智能化發(fā)展也即將到來，化工企業(yè)應(yīng)該重視化工設(shè)備的改造工作，注重自動化技術(shù)研發(fā)，促使自動化化工工藝體系迅速形成。