實時溫度測控系統在材料濃縮提取技術上的應用

吳和保，柯超，竺東杰，胡漢華，余經炭

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.武漢紐威制藥機械有限公司，湖北武漢430065）

實時溫度測控系統在材料濃縮提取技術上的應用

吳和保1，柯超1，竺東杰1，胡漢華2，余經炭2

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.武漢紐威制藥機械有限公司，湖北武漢430065）

機械式蒸汽再壓縮濃縮技術（MVR）利用濃縮過程中二次蒸汽的機械式加熱加壓，實現了熱能的充分利用，具有蒸汽用量少、能耗低的優勢而被廣泛應用于制藥、食品和污水處理領域，其關鍵技術之一是對二次蒸汽壓縮過程中的溫度的實時控制.在對MVR系統進行系統研究的基礎上，采用西門子S7-200PLC控制器對二次蒸汽壓縮前后的溫度實施在線監測和數據的優化處理，在設計的計算機軟件驅動下，運用比例積分微分控制法對采集到的二次蒸汽實時溫度值進行判斷，實時溫度低于設定溫度值時，控制器發出指令提高壓縮機轉速增加壓縮機對二次蒸汽的升溫值，并通過上位機監視與控制通用系統軟件與可編程邏輯控制器進行連接通訊，從而實現系統參數的設置和二次蒸汽溫度的實時監控.研究結果表明，該系統能實現二次蒸汽溫度的實時在線監測和快速調節，并繪制實時溫度曲線和溫度數值的顯示，降低了人工勞動力，確保MVR系統的自動化運行.

可編程邏輯控制器；監視與控制通用系統；比例積分微分控制；監視與控制通用系統組態

0 引言

機械蒸汽再壓縮蒸發（mechanical vapor re?compression技術，簡稱MVR），是一種可以重新利用自身產生的二次蒸汽能量并能節省人工勞動力的蒸發工藝，如今已經在各個行業得到廣泛運用.其工作原理是將蒸發器蒸發產生的原本需要冷卻水冷凝并排放掉的二次蒸汽，經蒸汽壓縮機壓縮升溫后，再送入蒸發器換熱室作為加熱熱源，替代生蒸汽循環利用［1］.由于重新利用自身產生的二次蒸汽能量，減少了對外界能量的需求，很好的起到了節能節水的效果.但對二次蒸汽溫度的控制精度低，人機交互困難，難以實現MVR系統的自動化運行.

MVR溫度監控系統主要由采集溫度裝置和控制溫度裝置兩部分組成，其中采集裝置主要有Pt100熱電阻和EM 235模擬量處理模塊；溫度控制裝置有羅茨風機、變頻器、西門子S7-200 PLC和MCGS組態軟件等.這兩部分構建了一個基于MC?GS組態軟件的PLC溫度監控系統.本系統可以實現對二次蒸汽溫度的定值控制，并可對系統運行狀態做到實時監控及實時反饋，使操作人員快速準確地了解系統實時的運轉狀況.

1 系統方案

由于MVR系統對料液的蒸發溫度要求高，所以在此系統中采用西門子PLC S7-200作為控制器對換熱室中的二次蒸汽進行溫度控制，主要是通過羅茨風機壓縮二次蒸汽來提高蒸汽的溫度，而羅茨風機主要是由變頻器來控制轉速.首先根據溫度控制方案進行軟件編程，然后通過控制變頻器可調節羅茨風機轉速進而改變二次蒸汽溫度，并將采集到的溫度通過數據電纜傳輸實時的顯示到控制面板中.在MVR溫度監控系統中，硬件方面關鍵部分是控制元件的選擇，本系統選取西門子PLC S7-200 CPU224XP控制器作為控制元件，并還需1個EM235模塊用作模擬量輸入輸出［2］；軟件方面選取SETP7-Micro/W IN編程軟件以及MCGS組態軟件制作控制面板界面.由于在系統中采集的二次蒸汽溫度是模擬量參數，所以系統還選用EM 235擴展模塊，EM235模塊可將模擬信號轉換成數字信號，模擬量參數輸入到該模塊進行模數轉換并送入控制器，可實現對二次蒸汽溫度的采集.MVR控溫系統設計中還選用了西門子MM440變頻器，在本次控制系統中主要是控制調節變頻器來改變羅茨風機的轉速，從而調節二次蒸汽溫度的大小.控制系統結構圖如圖1所示.

圖1 控制系統結構圖Fig.1 Control system structure

2 系統控制方案

在本次MVR二次蒸汽溫度監控系統中主要采用PID閉環反饋調節控制系統［3］，如圖2所示，PID閉環反饋調節控制系統能夠對二次蒸汽溫度進行精確調節和控制.

圖2 基于MCGS的PLC溫度閉環控制系統結構圖Fig.2 Based on MCGSPLC closed loop temperature control system structure

在MVR系統中，主要是在負壓下加熱二次蒸汽，而二次蒸汽的溫度低于100℃，所以采集蒸汽溫度選取Pt100熱電阻就可滿足.首先將Ptl00鉑熱電阻傳感器檢測到的二次蒸汽溫度信號進行標度轉換并轉換成標準電壓信號送至EM235模擬量處理模塊［4］，然后由EM 235模塊處理后轉換成標準數字信號存放到PLC的寄存器中.為了讀取寄存器里的溫度值［5］，在PLC程序中編寫了子程序讀取采集到的溫度值，并將其按編寫好的標度轉換程序轉換成0～1之間的實數，之后在中斷服務程序中將轉換之后的實數送至PID控制模塊進行偏差運算，然后將運算結果轉換成PLC能夠識別的標準數字輸出信號［6］，并送入EM235模塊轉換成0～10V的標準電壓輸出信號，通過控制變頻器調節羅茨風機的轉速進而改變二次蒸汽溫度，直至與設定值接近或相同.并通過MCGS組態平臺來實時地監控MVR系統中二次蒸汽溫度的變化，可以更加直接、方便的觀察二次蒸汽溫度的變化情況.

3 系統軟件設計

MVR溫度監控系統中的PLC控制程序主要由主程序、子程序和中斷服務程序三個部分組成. PLC首先運行主程序并完成繼電器觸點的初始化設置、手自動檔切換控制以及PID參數的初始化；中間跳入子程序并完成二次蒸汽溫度的數據采集、標度變換，最后跳入中斷服務程序完成PID加熱室控制以及跟蹤及輸出等功能.內部采用PID運算也就是比例、積分、微分等運算控制對二次蒸汽溫度值進行運算比較.系統偏差由目標值r(t)與反饋值c(t)通過數值計算得出［7］：

系統偏差通過PID反饋調節進行調控，其控制規律為：

而在本文中主要是溫度設定值（目標值）與溫度采集值（反饋值）構成的偏差.

首先建立溫度控制主程序，對輸出點進行初始化設置并啟動子程序，如圖3所示.當二次蒸汽溫度低于60℃時，自動開啟壓縮機加熱，不經過PID調節；當二次蒸汽溫度高于60℃時，啟動壓縮機加熱，并運行PID控制進行溫度自動調節，直到與設定溫度吻合，如圖4所示.子程序主要是對二次蒸汽溫度的采集和標度轉換，如圖5所示.由AIW 0輸入的是6400-32000的數字量，運算時要轉換為實際的溫度，轉換公式為：

其中，T為實際溫度，D為AIW 0輸入的數字量［8］.

圖3 初始化程序Fig.3 Initializing program

圖4 溫度調節程序Fig.4 Thermoregulation program

圖5 溫度采集程序Fig.5 Temperature collection program

4 溫度監控系統的組態

監控軟件可以采用北京昆侖通態的MCGS嵌入版組態軟件進行人機交換軟件設計.打開MC?GS組態，軟件界面上有五個窗口，主要在用戶窗口中構建MVR溫度控制系統所需的人機交換界面，并可對所需的各個構件進行組態［9］.

第一步啟動組態軟件新建一個工程，新建工程里面可以選擇觸摸屏的型號以及背景的顏色和大小；進入工作臺出現5個窗口，其中主控窗口可以放置多個用戶窗口，并可根據用戶策略對這些用戶窗口進行管理和調度；然后在設備窗口中對西門子PLC與組態軟件進行連接和設置，首先點擊打開設備窗口，選擇通用串口父設備，然后選擇西門子S7200PPI，完成與外部設備的連接［10］；用戶窗口主要是在工程中設置監控系統需要的人機交換界面，點擊用戶窗口，選擇新建窗口，彈出動畫組態窗口，在窗口里可以建立動畫顯示界面、顯示燈開關、溫度輸入輸出框以及實時溫度曲線等.組態完人機界面之后還需對各個構件進行屬性定義，還可根據操作要求對構件進行腳本程序編寫.

實時數據庫如圖6所示.

圖6 實時數據庫Fig.6 Real time database

5 系統調試

在控溫程序以及控制面板組態完成后，可將MCGS組態軟件和西門子PLC進行連接通訊［11］.首先連接好PLC和PPI電纜，然后在MCGS組態軟件開發平臺上選擇相應設備，設備層次關系構建好后，就可進行屬性修改.在STEP7-Micro/W IN編程軟件中點擊“設置PG/PC接口”圖標按鈕，在該窗口修改各個通訊參數，然后將控溫程序下載到PLC控制器中，最后對程序變量和組態軟件構件進行通道連接［12］.

MCGS組態軟件中對構件變量設置時，可對構件屬性進行設置并與PLC中的程序變量進行相應的連接，否則會發生通訊不成功.連接完畢后，下載工程并進入運行環境，啟動MVR溫度控制系統，進行在線調試［13］.首先檢測手動開啟和停止變頻器的開關按鈕是否通訊成功，然后觀察MCGS運行界面的溫度曲線是否顯示正常；然后通過設定溫度值，啟動變頻器，觀察二次蒸汽溫度的實時曲線，如果當二次蒸汽溫度低于設定溫度時，實時曲線處于上升趨勢，當實時溫度達到設定溫度時，實時曲線繼續向上波動，但基本維持在設定溫度附近，則說明調節系統正常.本系統完全符合檢測要求，實現了對MVR系統中二次蒸汽溫度的智能化控制，并能更直接的觀察到二次蒸汽實時溫度的變化［14］.

6 結語

上述主要針對MVR系統中二次蒸汽溫度的控制問題，構建了基于MCGS組態軟件的PLC溫度監控系統.采集控制系統以西門子S7-200 CPU224XP PLC控制器為核心，首先通過測溫元件采集二次蒸汽溫度信號，經由EM235模塊進行數據轉換并實時傳入PLC控制模塊，PLC通過設定程序對參數進行轉換和邏輯判斷，然后PLC根據用戶的控制需求對模擬量參數進行調整控制，最終能夠達到系統設定的溫度值，提高了對二次蒸汽溫度的控制精度.監控系統能夠及時顯示采集數據和建立實時溫度曲線［15］，完成了對MVR系統中二次蒸汽溫度的在線監控，很好的實現了人機信息交換和MVR系統的自動化運行.

致謝

在系統開發的過程中，對于武漢紐威制藥機械有限公司提供的實驗和現場測試工作的幫助，在此表示衷心的感謝！

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Temperature control system in material concentrated extroction technologyof application

WU He-Bao1，KE Chao1，ZHU Dong-jie1，HU Han-hua2，YU Jing-tan2
（1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institution of Technology，Wuhan 430205，China；2. Wuhan Newway Pharmaceutical Machine Limited Company，Wuhan430065，China）

Mechanical vapor recompression technology（MVR）makes the best use of heat by mechanicalheating and pressurizing the secondary steam in the enrichment process，which has advantages of less use ofraw steam and low energy consuming. This technology was widely used in fields of pharmacy and food andwastewater treatment processing. The control of real- time temperature values of secondary steam incompression process is one of the key points to this technology . Based on the systematic study of MVRsystem，this paper is aimed to realize the online monitoring and data optimization by using the Siemens S7-200PLC controller to the secondary steam temperature before and after compression. Driven by designedcomputer software，the real time secondary steam temperature is collected and judged by using proportionintegration differentiation method. When real time temperature is lower than the setting value，the secondarysteam is heated up to setting value by frequency converter which can increase the compressor speed ofrotation. The communication of monitor and control generated system software and programmable logiccontrollers through the upper machine can achieve real- time monitoring of parameter settings and secondarysteam temperature. The results of this research have shown the system can realize real-time online monitoringof secondary steam temperature and rapid adjustment，as well as draw temperature curves and displaytemperature values in real time，which reduces labor workforce and ensures the automatic running of MVRsystem.

programmable logic controller；monitor and control generated system；proportion integrationdifferentiation control；configuration

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.01.013

1674－2869（2014）01－0063－06

本文編輯：陳小平

2013-11-28

吳和保（1963-），男，湖北麻城人，教授，博士.研究方向：金屬凝固理論及其數值模擬、金屬表面處理與防護、液態金屬精確成型、金屬霧化制粉、材料自動化檢測與控制.