吳和保，柯超，竺東杰，胡漢華，余經(jīng)炭

（1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.武漢紐威制藥機械有限公司，湖北武漢430065）

實時溫度測控系統(tǒng)在材料濃縮提取技術(shù)上的應(yīng)用

吳和保1，柯超1，竺東杰1，胡漢華2，余經(jīng)炭2

（1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.武漢紐威制藥機械有限公司，湖北武漢430065）

機械式蒸汽再壓縮濃縮技術(shù)（MVR）利用濃縮過程中二次蒸汽的機械式加熱加壓，實現(xiàn)了熱能的充分利用，具有蒸汽用量少、能耗低的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于制藥、食品和污水處理領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)之一是對二次蒸汽壓縮過程中的溫度的實時控制.在對MVR系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，采用西門子S7-200PLC控制器對二次蒸汽壓縮前后的溫度實施在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，在設(shè)計的計算機軟件驅(qū)動下，運用比例積分微分控制法對采集到的二次蒸汽實時溫度值進行判斷，實時溫度低于設(shè)定溫度值時，控制器發(fā)出指令提高壓縮機轉(zhuǎn)速增加壓縮機對二次蒸汽的升溫值，并通過上位機監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)軟件與可編程邏輯控制器進行連接通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和二次蒸汽溫度的實時監(jiān)控.研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)二次蒸汽溫度的實時在線監(jiān)測和快速調(diào)節(jié)，并繪制實時溫度曲線和溫度數(shù)值的顯示，降低了人工勞動力，確保MVR系統(tǒng)的自動化運行.

可編程邏輯控制器；監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)；比例積分微分控制；監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)組態(tài)

0 引言

機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（mechanical vapor re?compression技術(shù)，簡稱MVR），是一種可以重新利用自身產(chǎn)生的二次蒸汽能量并能節(jié)省人工勞動力的蒸發(fā)工藝，如今已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛運用.其工作原理是將蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的原本需要冷卻水冷凝并排放掉的二次蒸汽，經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮升溫后，再送入蒸發(fā)器換熱室作為加熱熱源，替代生蒸汽循環(huán)利用［1］.由于重新利用自身產(chǎn)生的二次蒸汽能量，減少了對外界能量的需求，很好的起到了節(jié)能節(jié)水的效果.但對二次蒸汽溫度的控制精度低，人機交互困難，難以實現(xiàn)MVR系統(tǒng)的自動化運行.

MVR溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集溫度裝置和控制溫度裝置兩部分組成，其中采集裝置主要有Pt100熱電阻和EM 235模擬量處理模塊；溫度控制裝置有羅茨風(fēng)機、變頻器、西門子S7-200 PLC和MCGS組態(tài)軟件等.這兩部分構(gòu)建了一個基于MC?GS組態(tài)軟件的PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng).本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對二次蒸汽溫度的定值控制，并可對系統(tǒng)運行狀態(tài)做到實時監(jiān)控及實時反饋，使操作人員快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)實時的運轉(zhuǎn)狀況.

1 系統(tǒng)方案

由于MVR系統(tǒng)對料液的蒸發(fā)溫度要求高，所以在此系統(tǒng)中采用西門子PLC S7-200作為控制器對換熱室中的二次蒸汽進行溫度控制，主要是通過羅茨風(fēng)機壓縮二次蒸汽來提高蒸汽的溫度，而羅茨風(fēng)機主要是由變頻器來控制轉(zhuǎn)速.首先根據(jù)溫度控制方案進行軟件編程，然后通過控制變頻器可調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機轉(zhuǎn)速進而改變二次蒸汽溫度，并將采集到的溫度通過數(shù)據(jù)電纜傳輸實時的顯示到控制面板中.在MVR溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，硬件方面關(guān)鍵部分是控制元件的選擇，本系統(tǒng)選取西門子PLC S7-200 CPU224XP控制器作為控制元件，并還需1個EM235模塊用作模擬量輸入輸出［2］；軟件方面選取SETP7-Micro/W IN編程軟件以及MCGS組態(tài)軟件制作控制面板界面.由于在系統(tǒng)中采集的二次蒸汽溫度是模擬量參數(shù)，所以系統(tǒng)還選用EM 235擴展模塊，EM235模塊可將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，模擬量參數(shù)輸入到該模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入控制器，可實現(xiàn)對二次蒸汽溫度的采集.MVR控溫系統(tǒng)設(shè)計中還選用了西門子MM440變頻器，在本次控制系統(tǒng)中主要是控制調(diào)節(jié)變頻器來改變羅茨風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)二次蒸汽溫度的大小.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure

2 系統(tǒng)控制方案

在本次MVR二次蒸汽溫度監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)［3］，如圖2所示，PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)能夠?qū)Χ握羝麥囟冗M行精確調(diào)節(jié)和控制.

圖2 基于MCGS的PLC溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Based on MCGSPLC closed loop temperature control system structure

在MVR系統(tǒng)中，主要是在負(fù)壓下加熱二次蒸汽，而二次蒸汽的溫度低于100℃，所以采集蒸汽溫度選取Pt100熱電阻就可滿足.首先將Ptl00鉑熱電阻傳感器檢測到的二次蒸汽溫度信號進行標(biāo)度轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號送至EM235模擬量處理模塊［4］，然后由EM 235模塊處理后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號存放到PLC的寄存器中.為了讀取寄存器里的溫度值［5］，在PLC程序中編寫了子程序讀取采集到的溫度值，并將其按編寫好的標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成0～1之間的實數(shù)，之后在中斷服務(wù)程序中將轉(zhuǎn)換之后的實數(shù)送至PID控制模塊進行偏差運算，然后將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成PLC能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出信號［6］，并送入EM235模塊轉(zhuǎn)換成0～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出信號，通過控制變頻器調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進而改變二次蒸汽溫度，直至與設(shè)定值接近或相同.并通過MCGS組態(tài)平臺來實時地監(jiān)控MVR系統(tǒng)中二次蒸汽溫度的變化，可以更加直接、方便的觀察二次蒸汽溫度的變化情況.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MVR溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC控制程序主要由主程序、子程序和中斷服務(wù)程序三個部分組成. PLC首先運行主程序并完成繼電器觸點的初始化設(shè)置、手自動檔切換控制以及PID參數(shù)的初始化；中間跳入子程序并完成二次蒸汽溫度的數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換，最后跳入中斷服務(wù)程序完成PID加熱室控制以及跟蹤及輸出等功能.內(nèi)部采用PID運算也就是比例、積分、微分等運算控制對二次蒸汽溫度值進行運算比較.系統(tǒng)偏差由目標(biāo)值r(t)與反饋值c(t)通過數(shù)值計算得出［7］：

系統(tǒng)偏差通過PID反饋調(diào)節(jié)進行調(diào)控，其控制規(guī)律為：

而在本文中主要是溫度設(shè)定值（目標(biāo)值）與溫度采集值（反饋值）構(gòu)成的偏差.

首先建立溫度控制主程序，對輸出點進行初始化設(shè)置并啟動子程序，如圖3所示.當(dāng)二次蒸汽溫度低于60℃時，自動開啟壓縮機加熱，不經(jīng)過PID調(diào)節(jié)；當(dāng)二次蒸汽溫度高于60℃時，啟動壓縮機加熱，并運行PID控制進行溫度自動調(diào)節(jié)，直到與設(shè)定溫度吻合，如圖4所示.子程序主要是對二次蒸汽溫度的采集和標(biāo)度轉(zhuǎn)換，如圖5所示.由AIW 0輸入的是6400-32000的數(shù)字量，運算時要轉(zhuǎn)換為實際的溫度，轉(zhuǎn)換公式為：

其中，T為實際溫度，D為AIW 0輸入的數(shù)字量［8］.

圖3 初始化程序Fig.3 Initializing program

圖4 溫度調(diào)節(jié)程序Fig.4 Thermoregulation program

圖5 溫度采集程序Fig.5 Temperature collection program

4 溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)

監(jiān)控軟件可以采用北京昆侖通態(tài)的MCGS嵌入版組態(tài)軟件進行人機交換軟件設(shè)計.打開MC?GS組態(tài)，軟件界面上有五個窗口，主要在用戶窗口中構(gòu)建MVR溫度控制系統(tǒng)所需的人機交換界面，并可對所需的各個構(gòu)件進行組態(tài)［9］.

第一步啟動組態(tài)軟件新建一個工程，新建工程里面可以選擇觸摸屏的型號以及背景的顏色和大?。贿M入工作臺出現(xiàn)5個窗口，其中主控窗口可以放置多個用戶窗口，并可根據(jù)用戶策略對這些用戶窗口進行管理和調(diào)度；然后在設(shè)備窗口中對西門子PLC與組態(tài)軟件進行連接和設(shè)置，首先點擊打開設(shè)備窗口，選擇通用串口父設(shè)備，然后選擇西門子S7200PPI，完成與外部設(shè)備的連接［10］；用戶窗口主要是在工程中設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)需要的人機交換界面，點擊用戶窗口，選擇新建窗口，彈出動畫組態(tài)窗口，在窗口里可以建立動畫顯示界面、顯示燈開關(guān)、溫度輸入輸出框以及實時溫度曲線等.組態(tài)完人機界面之后還需對各個構(gòu)件進行屬性定義，還可根據(jù)操作要求對構(gòu)件進行腳本程序編寫.

實時數(shù)據(jù)庫如圖6所示.

圖6 實時數(shù)據(jù)庫Fig.6 Real time database

5 系統(tǒng)調(diào)試

在控溫程序以及控制面板組態(tài)完成后，可將MCGS組態(tài)軟件和西門子PLC進行連接通訊［11］.首先連接好PLC和PPI電纜，然后在MCGS組態(tài)軟件開發(fā)平臺上選擇相應(yīng)設(shè)備，設(shè)備層次關(guān)系構(gòu)建好后，就可進行屬性修改.在STEP7-Micro/W IN編程軟件中點擊“設(shè)置PG/PC接口”圖標(biāo)按鈕，在該窗口修改各個通訊參數(shù)，然后將控溫程序下載到PLC控制器中，最后對程序變量和組態(tài)軟件構(gòu)件進行通道連接［12］.

MCGS組態(tài)軟件中對構(gòu)件變量設(shè)置時，可對構(gòu)件屬性進行設(shè)置并與PLC中的程序變量進行相應(yīng)的連接，否則會發(fā)生通訊不成功.連接完畢后，下載工程并進入運行環(huán)境，啟動MVR溫度控制系統(tǒng)，進行在線調(diào)試［13］.首先檢測手動開啟和停止變頻器的開關(guān)按鈕是否通訊成功，然后觀察MCGS運行界面的溫度曲線是否顯示正常；然后通過設(shè)定溫度值，啟動變頻器，觀察二次蒸汽溫度的實時曲線，如果當(dāng)二次蒸汽溫度低于設(shè)定溫度時，實時曲線處于上升趨勢，當(dāng)實時溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，實時曲線繼續(xù)向上波動，但基本維持在設(shè)定溫度附近，則說明調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常.本系統(tǒng)完全符合檢測要求，實現(xiàn)了對MVR系統(tǒng)中二次蒸汽溫度的智能化控制，并能更直接的觀察到二次蒸汽實時溫度的變化［14］.

6 結(jié)語

上述主要針對MVR系統(tǒng)中二次蒸汽溫度的控制問題，構(gòu)建了基于MCGS組態(tài)軟件的PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng).采集控制系統(tǒng)以西門子S7-200 CPU224XP PLC控制器為核心，首先通過測溫元件采集二次蒸汽溫度信號，經(jīng)由EM235模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并實時傳入PLC控制模塊，PLC通過設(shè)定程序?qū)?shù)進行轉(zhuǎn)換和邏輯判斷，然后PLC根據(jù)用戶的控制需求對模擬量參數(shù)進行調(diào)整控制，最終能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度值，提高了對二次蒸汽溫度的控制精度.監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時顯示采集數(shù)據(jù)和建立實時溫度曲線［15］，完成了對MVR系統(tǒng)中二次蒸汽溫度的在線監(jiān)控，很好的實現(xiàn)了人機信息交換和MVR系統(tǒng)的自動化運行.

致謝

在系統(tǒng)開發(fā)的過程中，對于武漢紐威制藥機械有限公司提供的實驗和現(xiàn)場測試工作的幫助，在此表示衷心的感謝！

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Temperature control system in material concentrated extroction technologyof application

WU He-Bao1，KE Chao1，ZHU Dong-jie1，HU Han-hua2，YU Jing-tan2
（1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institution of Technology，Wuhan 430205，China；2. Wuhan Newway Pharmaceutical Machine Limited Company，Wuhan430065，China）

Mechanical vapor recompression technology（MVR）makes the best use of heat by mechanicalheating and pressurizing the secondary steam in the enrichment process，which has advantages of less use ofraw steam and low energy consuming. This technology was widely used in fields of pharmacy and food andwastewater treatment processing. The control of real- time temperature values of secondary steam incompression process is one of the key points to this technology . Based on the systematic study of MVRsystem，this paper is aimed to realize the online monitoring and data optimization by using the Siemens S7-200PLC controller to the secondary steam temperature before and after compression. Driven by designedcomputer software，the real time secondary steam temperature is collected and judged by using proportionintegration differentiation method. When real time temperature is lower than the setting value，the secondarysteam is heated up to setting value by frequency converter which can increase the compressor speed ofrotation. The communication of monitor and control generated system software and programmable logiccontrollers through the upper machine can achieve real- time monitoring of parameter settings and secondarysteam temperature. The results of this research have shown the system can realize real-time online monitoringof secondary steam temperature and rapid adjustment，as well as draw temperature curves and displaytemperature values in real time，which reduces labor workforce and ensures the automatic running of MVRsystem.

programmable logic controller；monitor and control generated system；proportion integrationdifferentiation control；configuration

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.01.013

1674－2869（2014）01－0063－06

本文編輯：陳小平

2013-11-28

吳和保（1963-），男，湖北麻城人，教授，博士.研究方向：金屬凝固理論及其數(shù)值模擬、金屬表面處理與防護、液態(tài)金屬精確成型、金屬霧化制粉、材料自動化檢測與控制.