基于PLC的無水三氯化鋁制備自動控制系統(tǒng)設(shè)計

楊 洋，張 池，李紹鵬

（河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院，河南 漯河 462000）

無水三氯化鋁是重要的無機(jī)化工原料，同時無水三氯化鋁也是十分重要的催化劑。目前我國無水三氯化鋁的制備方法普遍采用將氯氣通入鋁錠熔化后的液態(tài)金屬鋁液面下，氯氣與鋁直接反應(yīng)生成三氯化鋁。該方法稱為鋁錠法，也稱為金屬鋁法。高溫下三氯化鋁升華，三氯化鋁的蒸汽進(jìn)入捕集器，冷凝后得到固體三氯化鋁。利用反應(yīng)熱熔化鋁錠得以連續(xù)生產(chǎn)，尾氣中的氯氣由環(huán)保設(shè)備通過化學(xué)反應(yīng)吸收處理。反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 三氯化鋁反應(yīng)爐

1 產(chǎn)品質(zhì)量控制

三氯化鋁按國家標(biāo)準(zhǔn)分為白色、黃色或微帶灰色的顆?；蚍勰?。淡黃色乃至白色的產(chǎn)品是最優(yōu)產(chǎn)品，而三氯化鋁的顏色取決于反應(yīng)產(chǎn)物中未反應(yīng)完全的氯氣（余氯）的含量。生產(chǎn)實(shí)踐證明，隨著產(chǎn)物中余氯含量的降低，三氯化鋁的顏色會有從橘紅色—橘黃色—黃色—淺黃色—白色—淺灰色的變化過程。當(dāng)反應(yīng)爐內(nèi)鋁液溫度過低時，氯氣分子活性相對下降，反應(yīng)速度將減慢，會造成余氯偏高，導(dǎo)致顏色變紅；當(dāng)爐子中鋁液的溫度過高引起反應(yīng)溫度上升時，氯氣分子活性升高，反應(yīng)加速，在相同的反應(yīng)路徑中，氯氣完全反應(yīng)的時間縮短，易造成在產(chǎn)物逸出鋁液時氯氣已消耗殆盡，則鋁只被氧化成二價的氯化物，同時產(chǎn)物中含有強(qiáng)還原性的一氯化鋁和二氯化鋁，在冷凝結(jié)晶后，將在生成的三氯化鋁表面析出高純鋁而使產(chǎn)品呈現(xiàn)灰色，即所謂灰料。反應(yīng)溫度一般控制在830℃～800℃。因此控制熔爐的爐溫的關(guān)鍵是氯氣的通入量即流量。通過幾個生產(chǎn)廠家的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，氯氣的調(diào)節(jié)仍然依靠技術(shù)工人的經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)化率偏低，品質(zhì)不穩(wěn)定，尾氣中氯氣含量較大，給尾氣吸收和環(huán)保帶來壓力。因此，設(shè)計一套自動控制系統(tǒng)，通過自動調(diào)節(jié)氯氣的流量控制熔爐的溫度。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

以國產(chǎn)宏晶科技有限公司最新的STC15系列單片機(jī)STC15F2K60S2為控制核心設(shè)計本控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

STC15系列單片機(jī)是1T單片機(jī)，運(yùn)行速度是普通51系列單片機(jī)的12倍左右，該系列單片機(jī)自帶12位ADC和PWM輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性較好。

溫度測量采用武漢迪凱光電有限公司生產(chǎn)的POT-6H1光纖測溫儀，測溫范圍400℃～1200℃。測距0.5～15m，輸出0～5V電壓信號和4～20mA電流信號，由于單片機(jī)自身帶的ADC轉(zhuǎn)換器接受0～5V電壓信號，所以可以與單片機(jī)直接相連。

氯氣流量測量采用SC-LZ系列氯氣流量計,具有壓損小、檢測范圍大（量程比10∶1）等特點(diǎn)，有就地顯示型和智能遠(yuǎn)傳型，帶有指針顯示，標(biāo)準(zhǔn)的二線制4～20mA電流輸出形式。

執(zhí)行結(jié)構(gòu)采用上海永龍閥門廠YTQ941F46-16電動液氯調(diào)節(jié)閥，該閥是一種氟塑料全襯里耐腐蝕閥門，液氯專用閥，以4～20mA電流信號控制。

顯示器采用深圳昆侖通態(tài)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TPC觸摸屏，通過串口和單片機(jī)相連，用于顯示液鋁溫度、氯氣流量、氯氣消耗總量、參數(shù)調(diào)整、執(zhí)行器初始位置設(shè)定和手動操作。

2.1 SC-LZ系列氯氣流量計與單片機(jī)的連接

由于C-LZ系列氯氣流量計輸出的是二線制4～20mA電流，因此需要轉(zhuǎn)換為電壓信號，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。由于理想情況下運(yùn)放相輸入端的阻抗為無窮大，輸入環(huán)形電流幾乎全部通過電阻轉(zhuǎn)化為采樣電壓值，R1采用250Ω精密電阻，輸入運(yùn)放電壓為1～5V，經(jīng)過電壓跟隨器1∶1輸出送往單片機(jī)。電路中Z1為TVS管用于ESD保護(hù)。

圖3 流量信號轉(zhuǎn)換圖

2.2 單片機(jī)與調(diào)節(jié)閥的信號傳遞

執(zhí)行器有兩種輸入信號：4～20mA電流信號和0～10VDC電壓信號。利用順源科技公司生產(chǎn)的ISO D-P-O-Q芯片完成單片機(jī)到執(zhí)行器的控制信號傳遞，具體電路見圖4。

圖4 控制信號輸出電路

3 控制策略和軟件設(shè)計

3.1 控制策略

本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過調(diào)節(jié)氯氣流量來控制反應(yīng)溫度，形成閉環(huán)數(shù)字自動控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)參數(shù)變化比較緩慢，因此控制精度不需要太高，響應(yīng)速度也不需要太快。自動控制系統(tǒng)常用PID調(diào)節(jié)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等控制策略。PID調(diào)節(jié)是最常用的一種調(diào)節(jié)方式，屬于反應(yīng)較快的連續(xù)式調(diào)節(jié)，控制精度高，本系統(tǒng)如果采用PID控制將會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的快速頻繁動作，容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的泄漏；模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制主要用于較大型系統(tǒng)的控制。由于本系統(tǒng)較為簡單，故采用專家控制方法。

3.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)是單輸入單輸出系統(tǒng)，通過爐溫的高低調(diào)節(jié)氯氣的流量。專家推理語句也比較簡單:

IF（830＞=爐溫＞=800）電動閥靜止

IF（爐溫＞830）電動閥開口減小1度

IF（爐溫＜800）電動閥開口增大1度

程序編寫的關(guān)鍵是單片機(jī)輸出PWM脈寬的整定及輸出值的大小。設(shè)定值脈寬的整定通過觸摸屏逐漸整定，在初次調(diào)試過程中電動閥一直處于振蕩狀態(tài)，經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)是檢測反饋值與給定值之間的差值與輸出控制電流信號的差值是非線性關(guān)系，因此采用漸進(jìn)式調(diào)整方案，即根據(jù)每次檢測比較值電動調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動1度，由于STC15系列單片機(jī)是1T系統(tǒng)，所以能夠快速調(diào)整氯氣流量，滿足系統(tǒng)最佳控制要求。

PWM脈寬調(diào)制調(diào)整。單片機(jī)輸出PWM信號的頻率=PCA時鐘源頻率/256，PCA頻率可以設(shè)置為主頻率的1/2、1/4等，由于ISO D-P-O-Q輸入需要20kHz的PWM信號，采用1/2主頻，所以單片機(jī)主頻應(yīng)為fosc=20 000×256×2=10.24MHZ。由于PWM是8位，所以電流分辨率為0.135mA/位，角度分辨率為0.338度/位，占空比分辨率為0.392%/位。W為了補(bǔ)償齒側(cè)間隙，在每次調(diào)整時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)過1度，因此在編程時PWM的脈寬寄存器CCPA0L要加3運(yùn)算，即每次的脈寬增量為1.2%。

4 單片機(jī)與觸摸屏通信與編程

4.1 單片機(jī)與觸摸屏通信連接

單片機(jī)在系統(tǒng)中是主控單元，觸摸屏起到監(jiān)視和操作的作用，觸摸屏和單片機(jī)之間的通信方式采用串行RS485通信，是主-從半雙工通信方式，單片機(jī)作為主站，觸摸屏是從站，主站對從站進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控參數(shù)的讀取。觸摸屏節(jié)9針D形母頭的7針和8針，單片機(jī)擴(kuò)展外接RS485串行通信接頭。具體模塊及通信連接如圖5所示。

圖5 觸摸屏和單片機(jī)的模塊及通信連接

4.2 單片機(jī)與觸摸屏通信編程格式

觸摸屏和單片機(jī)之間的通信協(xié)議是Modbus RTU，此時MCGS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端是從站，而單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)客戶端是主站，單片機(jī)需要程序向服務(wù)端發(fā)出請求幀，比如讀取通過觸摸屏設(shè)定的控制溫度值，在觸摸屏上顯示實(shí)際溫度值和氯氣流量值，服務(wù)端收到請求幀后回應(yīng)數(shù)據(jù)幀，也就是將設(shè)定值送到單片機(jī)中，在屏幕上顯示溫度和流量。這就要求單片機(jī)在編程時必須符合Modbus RTU請求幀格式。

觸摸屏根據(jù)接收到的功能碼和數(shù)據(jù)識別單片機(jī)的操作和需要的數(shù)據(jù)，然后及時向單片機(jī)回復(fù)相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，完成對生產(chǎn)系統(tǒng)的控制和對生產(chǎn)參數(shù)的顯示。

近一年的實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)性能好等特點(diǎn)，既減輕了工人的勞動強(qiáng)度，也提高了商品的產(chǎn)量和品質(zhì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的IP等級；通過控制氯氣量，減少了氯氣的消耗量，減輕了尾部氯氣處理的負(fù)擔(dān)和物資損耗，減小了環(huán)境污染。