食品級二氧化碳生產(chǎn)工藝自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 楊 武奇鶴

中捷機(jī)床有限公司（沈陽 110000）中石油遼河油田分公司沈陽采油廠（沈陽 110164）

變壓吸附就是利用吸附劑對氣體中各組份的吸附容量隨壓力變化而呈現(xiàn)差異的特性，在吸附劑選擇吸附條件下，加壓時吸附原料氣中的二氧化碳組份，難吸附組份氫、氮、一氧化碳、甲烷等作為脫附氣由吸附塔出口排出。其工序采用變壓吸附技術(shù)是以制氫尾氣為原料，采用成熟的回收二氧化碳技術(shù)，首先采用真空變壓吸附裝置，將二氧化碳的濃度由 27.0%提高到 98%以上，然后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓到 3.0MPa，冷卻分水后進(jìn)入干燥器干燥，干燥后的物料經(jīng)吸附脫除雜質(zhì)、預(yù)冷后液化、精餾，最后進(jìn)入食品級產(chǎn)品儲罐，作為食品級二氧化碳產(chǎn)品使用，生產(chǎn)出符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-6052-93的11000t/a的食品級二氧化碳。

1 控制方案

該裝置分兩段變壓吸附，一段六個吸附塔由49個程控閥、1個單向閥和3個調(diào)節(jié)閥通過管線相連接，二段四個吸附塔由22個程控閥、1個單向閥和3個調(diào)節(jié)閥通過管線相連接。當(dāng)一段中二個吸附塔同時進(jìn)行吸附操作時, 其余四個吸附塔處于再生過程的不同階段。六個吸附塔循環(huán)操作, 達(dá)到連續(xù)處理原料氣、輸出產(chǎn)品氣，并輸出粗脫氣供二段處理的目的。當(dāng)二段中二個吸附塔同時進(jìn)行吸附操作時，其余二個吸附塔處于再生過程的不同階段。四個吸附塔循環(huán)操作，達(dá)到連續(xù)處理粗脫氣和輸出脫附氣供一段升壓吸附處理的目的。

以二段四塔變壓吸附為例，每個吸附塔在一次循環(huán)中都要經(jīng)歷吸附(A)、壓力均衡降(ED)、順向放壓(PP)、逆向放壓(D)、沖洗(P)、壓力均衡升(ER)、最終升壓(FR)等七個步驟。二段四塔工藝步序及閥門開關(guān)圖如圖1所示。

1.1 控制方案的硬件設(shè)計(jì)

控制站采用SIEMENS S7-300系列PLC，CPU使用了315-2DP型號，操作站與控制站通過 PROFIBUS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。控制系統(tǒng)的操作站采用臺灣研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)監(jiān)控、手/自動控制、報(bào)警及報(bào)表打印功能。其硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2 控制方案的軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)操作站的監(jiān)控功能，采用了SIEMENS WinCC組態(tài)軟件，該軟件具有良好的人機(jī)操作界面，便于操作人員監(jiān)控和操作，實(shí)現(xiàn)了工藝流程圖顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警記錄、實(shí)時趨勢曲線記錄、設(shè)備起停控制、參數(shù)修改等功能。

對PLC控制站的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及控制程序的編寫，采用了SIEMENS STEP 7軟件。實(shí)現(xiàn)了一段六塔和二段四塔的程控程序、信號的工程量化、設(shè)備的連鎖控制以及系統(tǒng)重要參數(shù)報(bào)警監(jiān)控等功能。

圖1 二段四塔工藝步序及閥門開關(guān)圖

圖2 系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制方案的實(shí)施

在控制系統(tǒng)操作鍵盤上有一系列功能開關(guān)，按動這些功能開關(guān)運(yùn)行程序操作相應(yīng)的變化。在控制系統(tǒng)編程工具Step7中建立功能塊FC，在其中以梯形圖的形式編輯相應(yīng)的控制程序。以二段四塔程控過程為例，整個過程分為16步進(jìn)行控制，每一步都要設(shè)定一定的時間，用一個計(jì)數(shù)器(Counter)來對16步進(jìn)行計(jì)數(shù)，用16個S_PEXT類型定時器(Timer)來管理每一步的相應(yīng)條件。其系統(tǒng)控制流程如圖3。控制要求有以下幾方面。

置零：程序回到以A塔吸附（A）步驟的初始狀態(tài)。以“4COMMAND.RESET4”為狀態(tài)位觸發(fā)置零操作

要求：實(shí)際就是把程序中相應(yīng)條件復(fù)位。

暫停：各塔工藝步驟均保持在當(dāng)前狀態(tài)，與之相應(yīng)的各程控閥也保持當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)，程序控制系統(tǒng)暫停計(jì)時，解除暫停，恢復(fù)計(jì)時，繼續(xù)執(zhí)行暫停前的相應(yīng)程序，時間從暫停時的累計(jì)值開始連續(xù)累計(jì)。用一個置位復(fù)位觸發(fā)器SR來判斷暫停的兩個狀態(tài)-暫停開始“4COM MAND.AUTO_PAUSE_START4”和暫停結(jié)束“4COM MAND.AUTO_PAUSE_STOP4”，在暫停開始時通過該步的定時器 T25記錄下暫停時間并輸出到DB12.DBW56中，在暫停結(jié)束時通過DB12.DBW48把該時間值重新賦給定時器T25。

圖3 二段四塔工藝控制流程圖

步進(jìn)：給一次步進(jìn)信號，程序自動切換到下一步驟。利用“4COMMAND.AUTO_SKIP4”狀態(tài)位來觸發(fā)步進(jìn)控制，就是令該步定時器計(jì)時結(jié)束從而轉(zhuǎn)入下一步。

自檢：程序控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，但程控信號不輸出，程控閥全部處于關(guān)閉狀態(tài)。利用狀態(tài)位“4COMMAND.PROGRAM_CHECK4”來判斷輸出信號是否進(jìn)入實(shí)際的輸出通道“KC-102g”，否則信號輸出到其它中間狀態(tài)位“4wincc.KA102G_Wincc”。

自動：程控閥門的開關(guān)動作按微機(jī)程序自動進(jìn)行。

手動：程控閥門的開關(guān)狀態(tài)在微機(jī)操作鍵盤上手動給定。

3 結(jié)論

自遼河油田的該二氧化碳生產(chǎn)裝置成功投入使用以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了工藝要求，二氧化碳的生產(chǎn)率較高，同時對尾氣進(jìn)行了合理處理，從而有效的保護(hù)了環(huán)境。此套生產(chǎn)裝置于2007年投入運(yùn)行以來，運(yùn)行結(jié)果表明，該套系統(tǒng)的控制方案合理，控制效果良好，極大的提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且操作直觀、簡便，受到了用戶的好評。

[1]西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子 S7-300 PLC(第 2版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子Wincc V6(第2版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.