劉長(zhǎng)春 吳 俊 孫宏國(guó)

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院)

流化床反應(yīng)器自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)春 吳 俊 孫宏國(guó)

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院)

針對(duì)影響流化床反應(yīng)器運(yùn)行質(zhì)量的3個(gè)重要指標(biāo)(原料氣流速、溫度和反應(yīng)器內(nèi)的壓差)的測(cè)量電路、控制電路和報(bào)警電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。原料氣溫度測(cè)量采用K型熱電偶與K型熱電偶的專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX6675的組合，不再進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償；采用卡曼渦旋式空氣流量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料氣流量的測(cè)量；反應(yīng)器內(nèi)壓差的測(cè)量采用由PY209構(gòu)成的數(shù)字氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)。Proteus軟件仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

自控系統(tǒng) 流化床反應(yīng)器 電路設(shè)計(jì)

流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。實(shí)現(xiàn)流化床反應(yīng)器的自動(dòng)控制，由復(fù)雜繁瑣不易操作的手動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單便利易操作的自動(dòng)控制，彌補(bǔ)了生產(chǎn)勞動(dòng)力的不足，同時(shí)也徹底解決了由于手動(dòng)操作不當(dāng)致使反應(yīng)器發(fā)生過(guò)熱或氣體泄漏，對(duì)工人造成傷害的問(wèn)題；可提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用；同時(shí)，加快了企業(yè)生產(chǎn)鏈的改革，淘汰落后低效高能耗的手動(dòng)控制流化床，采用高效節(jié)能的自動(dòng)化流化床反應(yīng)器，間接地減少了廢渣的產(chǎn)生和廢氣的排放，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境[1，2]。本課題對(duì)流化床反應(yīng)器的原料氣流速、原料入口溫度和反應(yīng)器壓差進(jìn)行測(cè)量和控制，以期根據(jù)不同生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

流化床反應(yīng)器自控系統(tǒng)的硬件電路(圖1)由MCU主控電路、溫度測(cè)量電路、流量測(cè)量電路、壓差測(cè)量電路、鍵盤和顯示電路、溫度調(diào)節(jié)電路和流量調(diào)節(jié)電路組成。MCU主控電路以單片機(jī)為核心，利用溫度傳感器和流量傳感器測(cè)量原料氣的溫度和流量，數(shù)字氣壓計(jì)測(cè)量流化床反應(yīng)器中的壓差。根據(jù)不同的反應(yīng)，3個(gè)參數(shù)需合理地控制在一定范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)超出范圍，即利用溫度調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)對(duì)原料氣進(jìn)行控制，將流化床反應(yīng)器中的壓差調(diào)整到合適范圍。簡(jiǎn)易鍵盤和LCD顯示電路對(duì)不同反應(yīng)類型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路(圖2)采用K型熱電偶與K型熱電偶的專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX6675的組合，不再進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償[3]。該模塊采用單總線接口，占用單片機(jī)I/O口資源少，能方便地與單片機(jī)通信，測(cè)量范圍0～1 600℃，測(cè)溫精度12位。

圖2 溫度測(cè)量電路

溫度調(diào)節(jié)電路主要由光電耦合器和繼電器兩個(gè)元件組成。光電耦合器的作用是隔離輸入輸出信號(hào)，并且只能單向傳遞信號(hào)，具有很高的抗干擾性[4]。繼電器用來(lái)控制加熱爐的開斷，當(dāng)反應(yīng)器溫度過(guò)高時(shí)，P1.3端口變?yōu)榈碗娖?，電路?dǎo)通，繼電器的觸點(diǎn)閉合，加熱爐停止工作。

1.2 流速測(cè)量電路

流速測(cè)量電路(圖3)利用卡曼渦旋式空氣流量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量且以電子信號(hào)(頻率)的形式輸出，在給系統(tǒng)的控制電路傳輸信號(hào)時(shí)，可以省去AD轉(zhuǎn)換器。液晶屏上可以顯示流速的大小，并且可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)原料氣流速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。氣流速度調(diào)節(jié)電路由一個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成，即當(dāng)測(cè)量得到的氣流速度過(guò)高時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)降低氣流速度，反之提高氣流的速度[5]。

圖3 流速測(cè)量電路

1.3 壓差測(cè)量電路

壓差測(cè)量電路(圖4)由信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息處理和數(shù)據(jù)顯示模塊4部分構(gòu)成。信息采集由PY209構(gòu)成的數(shù)字氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)，完成壓差向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終在液晶顯示器上顯示出正確的氣壓讀數(shù)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)具體電路時(shí)，需要考慮整體的穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、性價(jià)比及調(diào)試時(shí)要考慮的難易程度等因素。

圖4 壓差測(cè)量電路

PY209氣體壓差傳感器的測(cè)壓范圍-100～100kPa；相應(yīng)的輸出電壓0～5V(DC)；精度為±0.1%；工作溫度范圍-20～300℃。

1.4 報(bào)警電路

如圖5所示，上下限設(shè)定電路由5個(gè)按鍵組成——確認(rèn)鍵、-鍵、+鍵、設(shè)置溫度鍵、設(shè)置壓差鍵和設(shè)置流速鍵。設(shè)定報(bào)警上下限時(shí)，先按“設(shè)置溫度”、“設(shè)置壓差”或“設(shè)置流速”鍵，進(jìn)入溫度、壓差或流速報(bào)警設(shè)定界面，通過(guò)+、-鍵設(shè)定報(bào)警上下限值[6]。當(dāng)溫度、壓差低于下限(或高于上限)時(shí)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

圖5 報(bào)警電路

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。輸入報(bào)警數(shù)據(jù)的范圍，系統(tǒng)讀取后設(shè)置上下限。反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置(即溫度、流速、壓差傳感器)開始讀取數(shù)據(jù)并顯示在LCD屏上。此時(shí)系統(tǒng)判斷采集數(shù)據(jù)是否在設(shè)置范圍內(nèi)，若超出范圍則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)行流速、溫度和壓差相關(guān)量的控制。調(diào)節(jié)后再重復(fù)上述過(guò)程，直至反應(yīng)過(guò)程結(jié)束。

圖6 系統(tǒng)軟件總體流程

3 仿真

3.1 顯示部分

系統(tǒng)的仿真用電位器和可調(diào)電源來(lái)模擬溫度和壓差的變化。按下“溫度設(shè)置”鍵后進(jìn)入溫度報(bào)警設(shè)置界面，“up”的后面可設(shè)置最高溫度報(bào)警值，“down”的后面可設(shè)置最低溫度報(bào)警值。速度和壓差報(bào)警設(shè)置方法相同。顯示屏中的“T”值表示溫度，“P”值表示壓差，“S”值表示流速。

針對(duì)不同情況進(jìn)行仿真得出不同結(jié)果，溫度、流速和壓差的仿真顯示結(jié)果如圖7所示。溫度“T”顯示由88℃變?yōu)?2℃，流速“S”顯示由133m3/h變?yōu)?46m3/h，壓差“P”顯示由151Pa變?yōu)?59Pa。該仿真模擬出不同情況下的各參數(shù)測(cè)量情況，初步驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)在參數(shù)測(cè)量方面的可靠性。

圖7 LCD屏數(shù)值顯示的仿真結(jié)果

3.2 報(bào)警部分

按下相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)值設(shè)置按鈕，根據(jù)規(guī)定的報(bào)警數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。下面以溫度報(bào)警為例具體說(shuō)明：按下“設(shè)置溫度”按鈕進(jìn)入溫度報(bào)警設(shè)置界面“up”后設(shè)定溫度上限值，“down”后設(shè)置溫度下限值。按下“溫度報(bào)警參數(shù)設(shè)置鍵”后光標(biāo)默認(rèn)在上限值“up”位置處，操作“+”、“-”鍵可進(jìn)行上限值設(shè)置；再按一次“溫度報(bào)警參數(shù)設(shè)置”鍵后光標(biāo)移至下限值“down”位置處，操作“+”、“-”鍵可進(jìn)行下限值設(shè)置。再按一次“上報(bào)警參數(shù)設(shè)置鍵”即可繼續(xù)對(duì)上限值修改，下限值可重復(fù)此操作進(jìn)行多次修改。上限值修改好后按“確認(rèn)鍵”即可保存報(bào)警參數(shù)值。仿真過(guò)程的溫度報(bào)警值上限設(shè)定為60℃，下限設(shè)置為20℃。

設(shè)定好報(bào)警參數(shù)后進(jìn)行報(bào)警仿真，如果所測(cè)參數(shù)超出報(bào)警值上下限，蜂鳴器高電平得電發(fā)聲報(bào)警，同時(shí)LCD顯示屏閃爍提醒相關(guān)操作人員，實(shí)現(xiàn)了聲光同時(shí)報(bào)警，這樣能夠及時(shí)提醒操作人員進(jìn)行相關(guān)處理，減少事故發(fā)生的可能性，從而保證流化床反應(yīng)器生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠，并保障車間人員的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

流化床反應(yīng)器自控系統(tǒng)利用單片機(jī)作為控制核心，對(duì)流化床反應(yīng)器的溫度、流速和壓差3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié)，當(dāng)3個(gè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警電路會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程控制更加智能化，可有效提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也能起到監(jiān)控預(yù)防的作用，以免發(fā)生事故造成不必要的損失。

[1] 李明生.一種氣固流化床自動(dòng)控制加料裝置[J].氯堿工業(yè),2012,48(10):40～42.

[2] 謝騰騰.淺談循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的儀表選型設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(2): 71～72.

[3] 于希寧,王慧,王東風(fēng),等.模糊控制在循環(huán)流化床鍋爐床溫控制中的應(yīng)用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,32(3):43～46.

[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 趙聰聰.氣體流速的測(cè)定方法[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(4):471～473.

[6] 趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開發(fā)寶典[M].北京:電子工業(yè)出版,2007.

DesignofAuto-controlSystemforFluidizedBedReactor

LIU Chang-chun, WU Jun, SUN Hong-guo
(CollegeofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology)

Considering three important indicators such as the flow velocity, feed gas temperature and the differential pressure that affecting the operating quality of the fluidized bed reactor, their measuring circuit, control circuit and alarm circuit were designed. As for measuring the feed gas temperature, the combination of K-

TH862

A

1000-3932(2017)09-0864-05

2017-02-26，

2017-06-27)

(Continued on Page 872)

劉長(zhǎng)春(1995-)，本科生，從事電氣工程及其自動(dòng)化的研究。

聯(lián)系人孫宏國(guó)(1967-)，教授，從事電力電子技術(shù)及微機(jī)應(yīng)用的研究,s_hguo@163.com。