罗克韦尔自动化产品在V0Cs处理系统中的应用

引言

空气中的气态有害物质,有一部分是挥发性有机化合物（V0Cs）,它指的是挥发性的碳氢化合物及其衍生物,包括烃类、芳烃类、醇类、醛类、酮类、酯类、胺类、有机酸等,主要来自于溶剂生产过程或使用溶剂的加工过程中,例如化工和医药生产过程,喷漆、涂装、粘结、金属清洗过程,气相胶、半导体和电子工业的生产和加工过程等,对人体及环境危害很大,目前常用的处理方法有吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、燃烧法、等离子体法等。

某项目的V0Cs处理采用目前最常用的燃烧法,燃烧法是基于废气中有机化合物可以燃烧氧化的特性,其目的是通过燃烧将废气中可氧化的组分转化为无害物质,在废气中含纯碳氢化合物的情况下,即转化为二氧化碳和水蒸气。燃烧法主要有3种类型,即直接燃烧法、蓄热燃烧法和催化燃烧法,其中蓄热燃烧法应用最为广泛。

1蓄热式热氧化炉

首先介绍蓄热式热氧化炉（RTo）及其运行原理。RTo用于净化生产线产生的V0Cs,高温（870～980C）燃烧其中的碳氢化合物,使它们分解成二氧化碳和水蒸气,与已净化的空气一起排放至大气。氧化过程是再生的,即如果工艺温度和溶剂浓度在最佳范围内,该过程就不需要额外（燃烧器）能量,燃烧器就可以切换到最小或关闭[1]。

图1所示为五腔RTo提升阀的切换顺序,它分为10个步骤,每个陶瓷蓄热槽（A～E）有5个入口槽、5个出口槽,每30s,两个提升阀一个从入口切换到净化,另一个从净化切换到出口,提升阀永远不会直接从入口切换到出口,以避免任何工艺气体离开氧化炉。在提升阀移动时,进口蓄热槽中的少量工艺气体由于气流中断而不再到达燃烧室,因此这种空气不能完全氧化和净化,这个问题可通过一个特殊的净化管道来解决。蓄热槽的入口转移到净化,即一个提升阀室的进出提升阀关闭,该室的净化管路打开,工艺气体和燃烧室中的一些清洁气体通过净化管道（与其他清洁气体或工艺气体无任何接触）被主风机引回到气体管道系统,并与来自生产线的排气混合,然后返回到氧化炉进行氧化。30s后,吹扫管道再次关闭,蓄热槽用于入口或出口气体流动。

如果氧化炉燃烧室的温度过高,则新风风门打开,并向工艺气体中添加新鲜空气,直到燃烧室温度再次达到范围内;如果该措施没有达到要求的效果,则氧化炉关闭。如果热旁通的任何0ID回路温度超过设定值,则热旁通风门打开,热旁通系统允许热空气直接从燃烧室排放到烟囱;如果该措施没有达到要求的效果,氧化炉会因温度过高故障而关闭。

2项目说明

某项目风量较大且V0Cs浓度较高,最终采用我公司自主研发、有独立专利的五腔式蓄热式热氧化炉（RTo）进行净化处理,此设备控制系统全部采用罗克韦尔产品,下文进行应用说明。

2.1控制系统构成和产品应用特点

2.1.1罗克韦尔产品的配置

为保证整个控制系统的稳定性,在设计选型上我公司沿用了一直信赖的罗克韦尔产品。整个系统硬件部分采用罗克韦尔公司生产的安全pLC系列(GuardILogix1756-L7xs）控制,普通I/0使用1756I/0,安全I/0使用1734I/0,远程通信采用5个1756-EN2TEtherNet/Ip通信模块,人机画面采用AllenBradleypanelViewplus7屏幕,pLC编程软件采用RsLogix5000,人机画面编程软件采用FactoryTalkView。由于该项目设计有11条生产线排入,需要RT0与每一条生产线进行通信,为了保证读取数据的稳定性,项目采用光纤通信。

2.1.2人机界面系统及操作系统

人机界面如图2所示,它包含了整个系统的运行工艺画面,最上层是故障显示画面,通过点击指定图形可以进入详细控制画面,例如点击风门xCV34508,画面跳转至该风门的详细控制画面。

2.1.3工艺pID调节及控制

该项目设备自动化程度高,设备启动后无须任何人员操作,全部实现自动化控制,此时罗克韦尔pLC的程序控制以及人机界面的人性化操作就显示出了极大的优势。pLC根据生产线排放废气的压力控制RT0的主风机速度,同时为了维持系统运行所需要的温度,通过温度传感器控制炉头开度的大小。不同的过程控制系统中的传感器、变送器以及执行机构是不一样的,比如压力控制系统采用压力传感器,温度控制系统采用温度传感器。

过程控制的实现需要借助PID算法,那什么是PID控制呢?比例、积分、微分控制,简称"PID控制",又称"PID调节"[2]。控制系统原理如图3所示。

PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(1）与实际输出值y(1）构成偏差:e(1）=r(1）-y(1）,将偏差的比例(P）、积分(I）和微分(D）通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。输入e(1）与输出u(1）的关系为:

其传递函数为:

式中:Kp为比例系数;7i为积分时间常数;7d为微分时间常数;Ki=Kp/7i,为积分系数;Kd=Kp×7d,为微分系数。

PID算法控制看起来很复杂,但好在罗克韦尔公司提供了集成的PID软件控制产品,在编程软件库里可以找到PID模块,此模块的适用范围非常广泛,它对于所控制的过程类型是没有限制的,无论是温度控制、压力控制还是流量控制等都适用。

2.1.4编程软件

下面以压力控制主风机速度为例,简单介绍使用编程软件4RsLoix5000中的PID模块的编程过程。

第一步,向内部变量装载外部变量,将人机画面输入的设定值移动到PID模块里的RP地址内,如图4所示。

第二步,确认人机界面上的操作模式一自动和手动切换,自动模式为正常工作模式,手动模式为维修时使用模式,如图5所示。

第三步,调用PID调节模块(图6）并输入相关变量,变量在人机画面中有详细的描述,如图7所示,RP是设定值,PV是过程值,CV则是PID控制器百分比输出值(0%～100%）:中间为PID操作模式选择,操作方式可在手动和自动之间切换,手动模式下,CV为固定值输出,自动模式下,通过控制CV的输出大小从而控制PV值达到sP值:下面一栏则是调整PID控制器的时间常数和比例值,Gain（P）是比例因子,Reset(I）是积分时间常数,Rate(D）是微分时间常数。

图7PID参数设置画面

2.2设备运行的问题及解决方案

(1）在设备调试开始阶段下载PLC程序,远程模块都工作正常,只有变频器无法通信成功,且检查硬件配置及IP地址设定都正常,然后检查变频器通信模块也未发现异常,内部参数也已正确设定。使用ping命令来检查网络,无法通信,更换新的连接网线后通信正常,但运行时还是会出现通信丢失状况。后检查判定该问题为通信线要经过变频器,因而受到电磁干扰所致。重新布线后运行了一段时间,此问题未再出现。

(2）在设备调试中主风机变频器有偷停现象,检查了所有外围硬件都未找到问题所在,于是在PLC程序中增加了上升沿脉冲捕捉程序段,对所有联锁点进行监控,即使有毫秒级脉冲也可以捕捉到累加器里。运行一天后在累加器里出现了“1",最后发现是PLC的数字量输入模块有一个通道存在问题,在更换新的通道后问题解决。针对这个问题的处理,RsLogix5000编程软件指令系统的强大、编程的灵活性等体现得淋漓尽致,给了编程人员很大的帮助。

（3）在设备调试过程中,客户提出一个安全问题:现在整个系统中风机都是依靠PLC来控制的,如果PLC出现故障,那么风机全部要停机,此时生产线侧废气无法排出,就会有爆炸危险。经过思考,笔者决定重新设计整个控制系统,风机变频器既能够受PLC控制,也可以独立运行。经过反复研究,笔者设计了新的电气图纸并编写了新的控制程序,硬件上增加了启动和停止按钮,连接线路到变频器的外部启动回路,完成后测试运行符合客户要求。

(4）在设备正常运行中发现,当生产线排入风量较低时,会造成整个系统温度偏高,最终导致排气温度过高设备停机,而出口温度高,操作人员故障复位后设备无法立即启动,从而影响正常生产。为了解决这个问题,笔者在程序中增加了新的控制,通过压差传感器判定风量,在风量较低时打开新风补充风量,降低整个系统的温度,同时在人机界面上增加PID控制画面,找到一个最佳的压力控制点去打开新风风门。针对该问题的处理,罗克韦尔的编程软件及人机画面系统给笔者提供了很大的帮助,使笔者能够用较少的时间去解决问题,让客户可以尽快投入生产。

3结语

在该项目实际调试的过程中,罗克韦尔产品的灵活性、开放性,编程的可操作性,完善的技术文档,良好的技术支持,有力缩短了现场调试时间,大大缩减了项目成本。同时,本系统可完全自主监控,并可通过网络通信技术送达监控室从而实现快速检修的便捷操作性,这就为日后大批量使用和推广罗克韦尔产品奠定了良好的基础。

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