結晶溫度控制系統改造研究

華北制藥集團愛諾有限公司 任永勝

1 引言

自動化技術在人們生產生活中的廣泛應用，給人們生活帶來了極大的便利，同時電氣自動化技術也隨著人們生產生活需求的不斷提高而快速發展，PLC技術的發展及應用正是自動化技術發展的體現。在結晶溫度控制中，相比手動控制，自動化控制帶來的不僅僅是穩定的控制，在節能降耗、降低人力成本上有更好的體現。

2 傳統的降溫控制

實驗室已經通過無數次試驗總結了現階段比較滿意的降溫曲線，見圖1。傳統降溫控制采用夏季冷媒水、冬季循環水降溫。操作人員在降溫階段需要打開降溫冷水閥門，控制閥門大小來手動控制降溫曲線。操作人員需要根據結晶罐溫度實時調整閥門的開度大小，這就要求操作人員實時觀察結晶罐的溫度，不僅浪費了巨大的人力，更容易出問題。一般情況下的操作為打開閥門后就不再調整，使得降溫過程曲線與理想曲線相差很多，見圖2，從而影響了晶粉的收率，雜質含量也很多，需要重復很多次的結晶操作，浪費了大量的資源。

圖1 現階段降溫曲線

圖2 理想降溫曲線

3 采用PLC進行自動降溫控制

根據現場工藝的控制流程圖，如圖3所示，我們現場取兩個測溫點，換熱器出口溫度和結晶罐溫度。溫度探頭采用SK-SBWZPY-2468K型一體化溫度變送器，量程都為0～150℃。氣動球閥采用QGT641F單氣缸球閥，調節閥采用HLS-16K單座調節閥。在控制室，我們采用盤古無紙記錄儀對換熱器出口和結晶罐溫度進行顯示與歷史趨勢記錄。在這個溫度控制系統中，我們用到了CPU222模塊和EM235四模擬量輸入一模擬量輸出擴展模塊。其中，輸入開關量為降溫程序啟動、停止、急停開關量輸入和氣動球閥電磁閥控制、結晶過程結束指示燈開關量輸出。對EM235擴展模塊，輸入信號為換熱器出口溫度和結晶罐溫度，輸入為4～20mA模擬量信號，輸出為4～20mA信號來控制氣動調節閥的開度。在這里，因為溫度信號需要引入到PLC和無紙記錄儀兩個儀表中，現場為防爆區，所以我們用到了一個儀表TM5043變送器電流輸入隔離安全柵，其接線圖如圖3，將兩個輸出信號分別接到PLC和無紙記錄儀上。

由于S7-200系列PLC有緊湊的設計、豐富的擴展能力、極高的可靠性、便捷的操作性、強大的指令系統和低廉的價格，所以采用此類型PLC能滿足結晶降溫程序的控制，S7-200能夠進行PID控制。S7-200 CPU最多可以支持8個PID控制回路（8個PID指令功能塊）。PID是閉環控制系統的比例－積分－微分控制算法。PID控制器根據設定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照PID算法計算出控制器的輸出量，控制執行機構去影響被控對象的變化。PID控制是負反饋閉環控制，能夠抑制閉環系統內的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。PID溫度控制系統是一個閉環系統，由PLC的輸出控制調節閥的開度大小，同時通過溫度傳感器將當前的實際溫度轉變成電信號，再通過PLC的模擬量輸入端將溫度傳感器傳回來的電信號轉變成數字量傳送給CPU以用于計算。對PLC進行編程，可以設定目標溫度，然后通過PID調節控制PLC的輸出，使控制的實際溫度逐漸趨近于目標溫度。

在整個降溫過程中，我們根據實驗室得出的降溫曲線（圖1），采用換熱器出口溫度與結晶罐溫差控制方案，流程圖如圖4，我們采用換熱器對結晶罐進行間接降溫。當我們從溶解罐將料液通過氮氣壓入結晶罐后，溶液為澄清溶液，通過養晶、加晶種一系列操作后，我們開始進行降溫操作。按下啟動按鈕，球閥打開，氣動閥進行調節。在結晶降溫初期階段，我們對降溫要求不是太高，所以，根據曲線1設定溫差為5℃，即換熱器與結晶罐存在5℃的的溫差。在此階段，通過PLC內部PID運算，將5℃溫差設定為PID運算的設定值，通過PID運算后，調節閥進行相應調節，通過數批料液實驗后，降溫速率約為6℃/h。當降溫進行到關鍵的中間階段后，這個階段需要慢的降溫速率，否則容易引起爆發式結晶，這種情況對晶體內部雜質的去除極為不利。通過實驗室的試驗數據，此階段降溫速率不能超過3℃/h，我們進行不斷的嘗試，最終設定此階段溫差控制為2℃。在結晶后期，對降溫速率要求不是太高，所以我們設定為4℃的溫差進行降溫。最終當結晶罐溫度降到20℃時，我們對結晶過程進行維持階段，即PLC的設定換熱器出口溫度變為20℃恒溫控制，維持一定時間后結晶降溫過程結束。

圖4 降溫控制流程圖

經過2～4月份11個批次生產、統計，結晶平均收率為87.7%，達歷史最高，經濟效益增加約13.3萬元。結晶次數減少了1次，質量穩定，減少了乙醇和甲酰胺用量，節約成本約2.5萬元，2～4月份總效益測算約15.8萬元。在降低了工人的工作量的同時，節約了成本，增加了效益。

[1]韓戰濤編著.西門子S7-200PLC編程與工程實例詳解[M].北京：電子工業出版社,2013.2.