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(wú)水三氯化鋁是重要的無(wú)機(jī)化工原料，同時(shí)無(wú)水三氯化鋁也是十分重要的催化劑。目前我國(guó)無(wú)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(guò)化學(xué)反應(yīng)吸收處理。反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)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(guó)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(huì)有從橘紅色—橘黃色—黃色—淺黃色—白色—淺灰色的變化過(guò)程。當(dāng)反應(yīng)爐內(nèi)鋁液溫度過(guò)低時(shí)，氯氣分子活性相對(duì)下降，反應(yīng)速度將減慢，會(huì)造成余氯偏高，導(dǎo)致顏色變紅；當(dāng)爐子中鋁液的溫度過(guò)高引起反應(yīng)溫度上升時(shí)，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(shí)間縮短，易造成在產(chǎn)物逸出鋁液時(shí)氯氣已消耗殆盡，則鋁只被氧化成二價(jià)的氯化物，同時(shí)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(guò)幾個(gè)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(yàn)手動(dòng)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(lái)壓力。因此，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)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(jì)

以國(guó)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(jì)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(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好。

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

氯氣流量測(cè)量采用SC-LZ系列氯氣流量計(jì),具有壓損小、檢測(cè)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(dòng)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(hào)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(guò)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(dòng)操作。

2.1 SC-LZ系列氯氣流量計(jì)與單片機(jī)的連接

由于C-LZ系列氯氣流量計(jì)輸出的是二線制4～20mA電流，因此需要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(wú)窮大，輸入環(huán)形電流幾乎全部通過(guò)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(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換圖

2.2 單片機(jī)與調(diào)節(jié)閥的信號(hào)傳遞

執(zhí)行器有兩種輸入信號(hào)：4～20mA電流信號(hào)和0～10VDC電壓信號(hào)。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(hào)傳遞，具體電路見(jiàn)圖4。

圖4 控制信號(hào)輸出電路

3 控制策略和軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)調(diào)節(jié)氯氣流量來(lái)控制反應(yīng)溫度，形成閉環(huán)數(shù)字自動(dòng)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的快速頻繁動(dòng)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(jiǎn)單，故采用專家控制方法。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

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

IF（830＞=爐溫＞=800）電動(dòng)閥靜止

IF（爐溫＞830）電動(dòng)閥開(kāi)口減小1度

IF（爐溫＜800）電動(dòng)閥開(kāi)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(guò)觸摸屏逐漸整定，在初次調(diào)試過(guò)程中電動(dòng)閥一直處于振蕩狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是檢測(cè)反饋值與給定值之間的差值與輸出控制電流信號(hào)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(cè)比較值電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)的頻率=PCA時(shí)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(hào)，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(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)1度，因此在編程時(shí)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(duì)從站進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(qǐng)求幀，比如讀取通過(guò)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(qǐng)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(shí)必須符合Modbus RTU請(qǐng)求幀格式。

觸摸屏根據(jù)接收到的功能碼和數(shù)據(jù)識(shí)別單片機(jī)的操作和需要的數(shù)據(jù)，然后及時(shí)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(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制和對(duì)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(dòng)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(jí)；通過(guò)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。