周建國，侯 江，蔚龍鳳，陳 鄉(xiāng)，王智鵬，董欣楊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

微流化—密實移動床吸附—再生裝置監(jiān)控系統的設計與應用

周建國，侯 江，蔚龍鳳，陳 鄉(xiāng)，王智鵬，董欣楊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

針對微流化—密實移動床吸附—樹脂再生工藝流程，設計了以可編程控制器(PLC)為核心及由智能檢測儀表組成的自動監(jiān)測控制系統。生產實踐中，系統運行可靠穩(wěn)定，實現了微流化—密實移動床吸附—樹脂再生裝置自動控制，解決了裝置內樹脂排放、轉移頻繁、人工難以操作的難題。

可編程控制器(PLC)；監(jiān)測；自動控制；密實移動床

微流化—密實移動床吸附—樹脂再生裝置是為提取高濃度有機廢水中特定物質研發(fā)的。由于其運行過程中涉及輸送泵、電動控制閥門、液位、溫度等多種電氣設備和多種工藝參數，因此系統監(jiān)測控制過程相對復雜。采用繼電器組成的監(jiān)測和控制系統存在著許多不足之處，如體積大、控制電路復雜、操作維護檢修困難等，并且由于繼電控制器件固有的特性，器件相互間參數不易調整、系統功能擴展困難、難以實現邏輯關系復雜的控制和各器件觸點轉換存在競爭冒險等狀況，這些問題都直接影響裝置控制的可靠性和穩(wěn)定性。因此，設計了以高可靠性、高穩(wěn)定性的可編程控制器(PLC)為核心及由智能檢測儀表組成的自動監(jiān)測控制系統。該控制系統采用傳感技術、自動測量技術、自動控制技術，可實現微流化—密實移動床吸附—樹脂再生流程的全自動控制，解決裝置中樹脂排放、轉移頻繁，人工難以操作的難題。

1 工藝控制流程簡介

1.1 微流化—密實移動床吸附—樹脂再生裝置結構框架

微流化—密實移動床吸附—樹脂再生裝置主要由吸附系統和再生系統組成。吸附系統由吸附塔、4號多功能樹脂轉移罐、原液儲槽、吸附原液中間儲槽、再生液中間儲槽1、再生液中間儲槽2、檢查篩及相應的物料輸送泵、飽和樹脂轉移電動閥門和監(jiān)測控制儀表組成。再生系統由再生塔、6號多功能樹脂轉移罐、再生劑儲槽、吸附尾液中間儲槽、再生液中間儲槽、檢查篩及相應的物料輸送泵、再生樹脂轉移電動閥門和監(jiān)測控制儀表組成。

1.2 工藝流程

吸附原液由原液儲槽輸入到吸附塔底部，在塔內由下向上逆向流動。在這個過程中，塔中的樹脂不斷吸附原液中的三單體同系物，塔頂部符合工藝指標要求的液體溢流，經過檢查篩1、吸附尾液中間儲槽到下一工序。吸附塔下部的飽和樹脂經塔底部排入4號多功能樹脂轉移罐，然后轉移到微流化—密實移動床吸附—再生裝置再生塔頂部進行再生處理。與飽和樹脂一同進入4號罐內的原液被排入吸附原液中間儲槽等待回用[1]。

帶有一定溫度的再生液由再生儲槽輸入到再生塔底部，在塔內由下向上逆向流動。在這個過程中，再生塔對從4號多功能樹脂轉移罐轉移來的飽和樹脂進行脫附再生處理。從飽和樹脂上淋洗下的帶三單體同系物離子的液體由再生塔上部溢流后經過檢查篩2到后續(xù)工序。塔下部經再生的貧樹脂由塔底部排入6號多功能樹脂轉移罐，等待轉移至吸附塔頂部進入下一循環(huán)。與再生后的貧樹脂一同進入6號罐內的再生液被排入再生劑中間儲槽等待回用[1]。

2 自動監(jiān)測控制系統

由原液儲槽內液位計控制開啟原液泵和原液閥門向吸附塔底部輸送原液，達到要求的控制時間后，打開塔底閥門排放飽和樹脂至4號多功能樹脂轉移罐。由轉移罐上物位計控制每次需要排放轉移的飽和樹脂的量，達到要求后，關閉飽和樹脂進罐閥門，打開樹脂轉移罐出料閥門和壓縮空氣閥門向微流化—密實移動床吸附—樹脂再生裝置再生塔頂部轉移飽和樹脂。工藝流程監(jiān)測控制系統如圖1所示。

圖1 微流化—密實移動床吸附—再生裝置工藝流程監(jiān)測控制系統

在設計時間內，再生液儲槽液位計控制開啟再生液泵和再生液閥門，將高溫再生液向再生塔底部輸送。到達要求的控制時間后，打開塔底閥門排放再生后的貧樹脂至6號多功能樹脂轉移罐。由轉移罐上物位計控制每次需要排放轉移的再生貧樹脂的量，到達要求后，關閉再生貧樹脂進罐閥門，打開樹脂轉移罐出料閥門和壓縮空氣閥門向微流化—密實移動床吸附—再生裝置吸附塔頂部轉移再生貧樹脂[2]。

以上是控制飽和樹脂與再生貧樹脂排放轉移的一個完整周期，設計用時為35 min。樹脂排放轉移過程中，幾十個電動閥門按程序設計順序、時間和條件進行工作。

在進行樹脂排放轉移過程中，吸附和再生塔頂的界面計起著監(jiān)測進出兩塔內樹脂量平衡的作用。裝置中儲槽液位由所設液位計指示，由它根據儲槽中液位的高、低控制物料輸送泵的啟動和停止及相關電動閥門的打開和關閉。流量計指示并控制著進塔原液和再生液流量，溫度計指示并控制再生塔內樹脂再生時所要求的溫度，壓力計指示并控制排放轉移飽和樹脂和再生貧樹脂所需要的壓縮空氣的量。

2.1 監(jiān)測控制系統的功能

微流化—密實移動床吸附—再生裝置自動監(jiān)控系統是由多臺在線液位計、物位計、流量計、溫度計、壓力計、界面計等構成的多工藝參數系統，是由多臺螺桿泵、離心泵、隔膜泵、電動閥門等構成的多設備系統，是由物料輸送泵的啟和停、電動閥門的開和閉、執(zhí)行機構間的相互關聯、手動和自動轉換等構成的多任務系統，是由帶腐蝕性、高溫液體和有害氣體結合而成的高危險性系統。對于這種具有多參數、多設備、多任務等特點的系統，它的優(yōu)質構建對于完成微流化—密實移動床吸附—再生裝置監(jiān)測控制至關重要。

根據工藝要求，微流化—密實移動床吸附—再生裝置監(jiān)測控制系統要設計實現如下功能：

1)對現場工藝過程參數進行采集，包括液位、物位、界面、溫度等送出的4～20 mA標準信號，物料輸送泵、電動閥門的運行狀態(tài)信號，設備故障信號等。

2)手動和自動控制功能。為方便微流化—密實移動床吸附—再生裝置的運行、檢修和調試，各個物料輸送泵和電動閥門可以切換到手動控制方式工作?？紤]到控制系統的運行安全性，當可編程序控制器(PLC)發(fā)生故障時，控制系統可以切換到手動控制方式工作。當選擇自動控制方式工作時，控制系統按照程序中所設置的參數和條件，根據現場儀表采集的數據，自動開啟或關閉物料輸送泵、電動閥門，實現裝置中樹脂的吸附、再生、排放和轉移，整個過程不需要人工參與，可實現全自動控制。

3)監(jiān)測顯示功能?？刂葡到y將采集到的工藝參數信號引入控制室，數據根據需要可用動態(tài)、變色、閃爍、數字、曲線的方式實時顯示工況信息，工作人員通過顯示的數據了解裝置的運行狀況。

4)故障報警功能。控制系統對采集到的參數超限、物料輸送泵故障、電動閥門故障等，通過聲音和燈光閃爍報警，提示工作人員進行應急處理。

5)歷史數據記錄儲存功能?？刂葡到y對影響工藝過程的重要參數在顯示的同時還要記錄儲存，以便于日后優(yōu)化生產過程。

2.2 監(jiān)測控制系統的組成

微流化—密實移動床吸附—再生裝置設置的監(jiān)測控制點有液位6處，物位、界面各2處，溫度5處，流量、壓力各3處，物料轉移泵9臺，溫控閥門2臺，物位控制閥門2臺，時間控制閥門19臺。監(jiān)控系統中還包括控制功能相互轉換選擇、被控制電動執(zhí)行器的工作狀態(tài)信號反饋、執(zhí)行器運行安全保護聯鎖等。這些被監(jiān)控的工藝參數點、電動執(zhí)行器的運行狀態(tài)及系統對不同狀態(tài)的分析判斷，需要1個控制核心進行統一的操控。

2.2.1 核心控制器

微流化—密實移動床吸附—再生裝置的核心部件是控制器。目前，可以選擇的控制器較多，但適合于工業(yè)現場的主要有2大類：工業(yè)控制計算機和可編程序控制器(PLC)。

工業(yè)控制計算機的控制軟件一般采用編制語言比較復雜，專業(yè)性要求高，用戶自行二次開發(fā)、擴展和進行軟硬件調試較為困難，靈活性不夠。它對工業(yè)現場環(huán)境要求較高，體積大，價格高。而PLC是專門為適應工業(yè)現場設計的控制器，它綜合了計算機技術、自動控制技術和網絡通訊技術，成為當代工業(yè)控制領域的支柱。可編程控制器的可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，擴充便利，性價比高于工業(yè)控制計算機，適用于工況條件惡劣的工作現場，是完成大多數工業(yè)現場控制的首選。

根據微流化—密實移動床吸附—再生裝置的特點和工藝要求，通過綜合分析，確定選擇PLC作為裝置的控制核心。

2.2.2 可編程序控制器

微流化—密實移動床吸附—再生裝置監(jiān)測控制系統選擇德國西門子公司的S7-200系列可編程序控制器(PLC)作為核心控制器。

該PLC具備控制功能強，編程指令豐富，性能可靠、穩(wěn)定，適應復雜工況且結構緊湊、易于擴展、價格適宜等特點。S7-200系列的CPU模塊S7-224型上集合了14個輸入點，10個輸出點，共計24個數字量I/O點。它的RS485通信口具有PPI、MPI通訊協議和自由方式通訊能力[3]。既可以作為編程口，實現程序的編制和調試，又可在自動控制系統運行時作為串行口與其他設備進行通訊。在微流化—密實移動床吸附—再生裝置控制系統中，由它負責監(jiān)控系統的輸入輸出變量的管理，完成各種相關運算、故障判斷和報警等?？刂葡到y中加入了數字量輸入擴展模塊EM221、數字量輸入/輸出擴展模塊EM223，模擬量輸入/輸出擴展模塊EM235[4]。

3 監(jiān)測控制程序的設計

根據微流化—密實移動床吸附—再生裝置工藝過程特點，確定監(jiān)測控制系統目標功能，編制出裝置中物料轉移泵、電動控制閥門等電動執(zhí)行設備順序控制、時限控制和條件控制程序，對物位、溫度等重要工藝參數的采集程序，裝置工作狀態(tài)顯示程序，電動執(zhí)行機構運行故障報警程序等。

3.1 程序設計的基本思路

PLC要完成對電動執(zhí)行機構的順序控制、時限控制和條件控制任務，在編寫控制程序時將其劃分為2部分：控制部分和執(zhí)行部分?？刂撇糠謱ｉT完成對各種采集的輸入信號進行分析判斷，定時聯動和條件聯鎖關系運算等工作；執(zhí)行部分主要完成對物料輸送泵、電動閥門等執(zhí)行機構的打開和關閉，聲音、燈光閃爍報警設備的狀態(tài)顯示等?？刂撇糠值某绦蚓幹坪蛨?zhí)行部分的程序編制可以分別設計，兩者的數據通過中間變量進行傳遞，各自的輸入、輸出標置封裝在各自的部分中，互不干擾。當工藝要求復雜和系統功能要求增多時，僅需要在程序控制部分加入相應的處理條件，不需要改動程序執(zhí)行部分，這有利于整個控制系統的程序編制。程序編制思路如圖2所示。

圖2 程序編制思路

采用此種思路編制出的控制程序結構簡單、清晰，具有很好的可讀性且易于維護。如輸出到執(zhí)行機構的標置只能通過執(zhí)行部分來操作，提高了執(zhí)行機構的安全性。另外，這樣編制的程序還具有可移植性，根據工藝流程要求，只要將程序稍加改動，就可以應用到同類型的控制系統中[5]。

3.2 控制樹脂排放轉移量的分析

微流化—密實移動床吸附—再生裝置的主要特點之一是能夠根據工藝要求迅速將吸附塔中的飽和樹脂經過多功能樹脂轉移罐轉移到再生塔中，然后將再生后的貧樹脂從再生塔中經過另一個多功能樹脂轉移罐轉移回到吸附塔中。每次被轉移的樹脂的量是自動控制的關鍵參數之一。如果每次樹脂排放、轉移的量過大，則一部分樹脂的吸附或淋洗不完全；相反，樹脂排放轉移的量過少，則樹脂的吸附或淋洗利用率就下降，不但耗費能源，而且也達不到生產要求。因此，確定轉移樹脂的量與設置在轉移罐上物位計計量高度之間的函數關系，通過PLC控制轉移罐內樹脂高度，這對控制樹脂轉移量有重要意義。

樹脂轉移罐為非標準幾何形狀，由圓柱體和封頭組成，罐內物位高度與被轉移樹脂體積之間的對應關系在監(jiān)測控制系統中通過函數運算獲得，有效解決了工藝流程中樹脂的轉移量控制。

3.3 電動閥門控制程序的設計

微流化—密實移動床吸附—再生裝置中的20多個電動控制閥門是完成樹脂頻繁排放轉移的重要電動執(zhí)行機構，這些電動閥門之間的動作協調與否關系到裝置中樹脂排放轉移控制是否成功。在編制控制程序之前，根據工藝過程要求，重點分析每個電動控制閥門在樹脂排放轉移過程中的工作狀態(tài)和狀態(tài)轉化的條件，電動控制閥門之間的相互聯鎖關系，電動閥門與其他電動執(zhí)行機構之間的聯鎖關系等[5]。每個電動閥門的不同工作狀態(tài)，決定裝置中樹脂排放轉移過程到哪個階段。同時，要使裝置中的樹脂按要求轉移排放，則要保證每個電動閥門各狀態(tài)之間的邏輯關系銜接正確。

吸附塔中飽和樹脂與再生塔中貧樹脂排放轉移1次，需經過7個不同的步驟銜接完成。前一個步驟向下一個步驟轉換是根據相關電動閥門狀態(tài)之間的邏輯關系進行的。當邏輯關系滿足時才可進入下一步驟。在上述程序編制基本思想框架下，編制出樹脂排放轉移過程中電動閥門控制程序。

通過用時序圖編制出的控制程序，各電動執(zhí)行機構的動作狀態(tài)間的邏輯關系清晰，控制程序易于調試和進行二次開發(fā)。

3.4 自動控制系統故障檢測報警程序的設計

在微流化—密實移動床吸附—再生裝置自動監(jiān)控系統程序中，設計了電控設備故障診斷功能。自動監(jiān)測系統檢測到電控設備故障后，發(fā)出聲音和燈光閃爍等報警提示，準確地指示出裝置中什么設備發(fā)生故障，故障設備在裝置中哪一個流程位置上，使操作人員能夠快速準確發(fā)現并排除故障[6]。故障自動檢測程序的編制，極大地提高了裝置維護效率，延長了裝置的正常工作時間。

針對微流化—密實移動床吸附—再生裝置的運行特性，設計了3種故障自動檢測方法，分別為直接檢測法、判斷檢測法和布爾代數檢測法。

3.5 控制程序的測試與應用

首先對自動控制程序進行模擬仿真測試。測試方法是人為設計一套完整的微流化—密實移動床吸附—再生裝置與實際現場接近的運行狀態(tài)變化量，包括物料輸送泵、電動閥門等設備的啟動和停止、物位計等的上、下限狀態(tài)分別輸入可編程序控制器(PLC)的輸入模塊。當程序運行時，通過觀察可編程序控制器(PLC)的輸出模塊端信號變化，判斷程序運行結果是否能夠達到控制要求。共設置了3組測試條件：首先是裝置運行中應該發(fā)生的狀態(tài)，讓它發(fā)生，觀察程序運行輸出結果是否符合要求；其次是裝置運行中應該發(fā)生的狀態(tài)，不讓它發(fā)生，觀察程序運行輸出結果；最后是裝置中不應該發(fā)生的狀態(tài)，讓它發(fā)生，觀察程序運行輸出結果。通過反復測試，多次調整，不斷完善，最終完成模擬仿真測試。用對程序進行模擬仿真測試的思路，對自動控制程序進行現場實際測試，直至自動控制程序達到設計要求為止。

在進行控制程序的模擬測試和現場實際測試中，遵循先易后難的原則。先進行自控程序的單元測試，即對組成程序的各個功能塊逐一測試。完成這一步并達到要求后，再進行整體測試。通過測試，可以發(fā)現程序中存在的功能性、可靠性不足等問題，并及時調整，使各項指標達到設計要求，保證裝置安全、可靠、穩(wěn)定運行。

微流化—密實移動床吸附—再生裝置自動控制系統從2006年在山東?；ぜ瘓F投入運行以來，未發(fā)生過功能性故障，操作工人由原來每班8人減少至4人；生產成本大幅度降低，勞動效率大大提高，勞動環(huán)境得到極大改善。

4 結論

在微流化—密實移動床吸附—再生裝置中，設計以可編程序控制器(PLC)為核心的自動監(jiān)測控制系統，實現了裝置的全自動化控制。這不僅使現場操作人員的工作量和勞動強度大大降低，設備利用更加合理，而且簡化了控制系統組成結構，提高了控制系統運行的可靠性和穩(wěn)定性。生產實踐表明，整個生產運行狀況安全平穩(wěn)，生產效率高。

[1] 趙伯毅.微流化—密實移動床吸附—再生裝置的研究[R].核工業(yè)北京化工冶金研究院，2004.

[2] 周建國，趙伯毅，孫權慶，等.微流化密實移動床吸附-再生裝置中監(jiān)測控制系統設計[J].鈾礦冶，2011，30(2)：104-108.

[3] 德國西門子公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統手冊[Z].紐倫堡:德國西門子公司，2002.

[4] 李方圓.零起點學西門子S7-200PLC[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[5] 劉陽.復雜系統工業(yè)控制軟件編程原則與方法[J].自動化博覽，2013，30(3)：84-91

[6] 馮曉升，史學玲.功能安全：一種保障安全的新思路[J].中國儀器儀表，2005，28(10)：46-56.

Designing and Application of Monitoring and Controlling System in Adsorption and Regeneration Device of Microfluidisation and Packed Moving Bed

ZHOU Jianguo,HOU Jiang,WEI Longfeng,CHEN Xiang,WANG Zhipeng,DONG Xinyang

(BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy，CNNC，Beijing101149，China)

For micro-fluidisation-packing moving bed adsorption-regeneration process,the monitoring and controlling system with programmable controller (PLC) as the core and intelligent detecting instruments is designed.The system is easy to operate and is stable and reliable in operation.The micro-fluidisation-packing moving bed adsorption-regeneration device can realize automatic control and can solve the problem of resin frequent discharge and transfer and manual operation difficult.

programmable logic controller(PLC);monitor；automatic controlling；packing moving bed

2016-07-18

周建國(1957-)，男，山西五寨人，本科，研究員級高級工程師，主要研究方向為工業(yè)電氣自動化。

X703;TP273

A

1009-2617(2017)02-0151-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.02.015