噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法

涂如松 許潤生

(珠海醋酸纖維有限公司,廣東 珠海 519070)

噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法

涂如松 許潤生

(珠海醋酸纖維有限公司,廣東 珠海 519070)

針對原噴絲帽清洗槽的結構原理及其存在的問題，提出一種基于PLC的噴絲帽清洗槽分段溫度控制方法。給出了儀表選型、安裝方法與系統組態。實際生產檢驗結果表明：該方法現場施工作業量較少，溫度分段控制靈敏、準確，完全滿足工藝要求。

溫度控制 清洗槽 噴絲帽 分段控制 PLC 改造

噴絲帽是醋酸纖維絲束生產工藝中噴絲的重要部件，噴絲帽孔洞的堵塞或不暢會產生絲束缺絲、飛花等質量問題，甚至導致單絲斷裂。由于噴絲帽孔洞的堵塞主要為漿液造成，漿液極易溶于丙酮，因此，噴絲帽的清洗液選用干凈純丙酮。清洗時充入氮氣，清洗過程的核心在于調整好清洗槽的溫度。目前，噴絲帽清洗過程采用的是人工調整清洗槽溫度，因此需要耗費操作人員大量的時間和精力。

我國醋酸纖維絲束生產工藝中噴絲帽的清洗仍然采用人工操作方式，清洗過程無法全部投入自動控制的主要原因有：整個清洗過程中大量使用丙酮，由于丙酮的化學和物理性質，對自動化清洗設備的防爆要求非常高，且清洗效果監測方法比較特殊，導致設備費用高；在正常生產時，對清洗設備大規模改造必然影響正常生產，且自行改造防爆區的設備，安全風險也比較高。

考慮到盡量減少現場設備的變動、儀表防爆要求和使用最少的成本把原清洗槽溫度控制改造成SIMATIC PCS7系統[1]的自動控制，筆者提出了一種噴絲帽清洗槽的分段溫度控制方法，通過準確控制清洗槽溫度來控制噴絲帽的清洗質量。

1 噴絲帽清洗槽的結構原理

噴絲帽清洗間設有一定數量的清洗槽(圖1)。清洗槽分為兩種：一種使用常溫丙酮，無加熱蒸汽回路，無槽外保溫層；另一種使用加熱丙酮，具有加熱蒸汽回路，槽外有保溫層，兩種清洗槽其他結構全部一樣。需要加熱的清洗槽使用低壓蒸汽，利用安裝在清洗槽底部的加熱盤管加熱丙酮，利用疏水閥排出冷凝水。

圖1 清洗槽結構示意圖

清洗時把噴絲帽掛架放進清洗槽內，打開干凈丙酮閥，放入丙酮，淹沒噴絲帽掛架后蓋上清洗槽蓋；打開丙酮氣排放閥，以便排出揮發的丙酮；打開低壓氮氣閥門，通過氮氣的翻泡作用使丙酮溶液溫度均勻，增加清洗效果；打開低壓蒸汽管路上的手動調節閥，調節蒸汽，根據清洗槽側部安裝的雙金屬溫度計讀數，調節手動調節閥，使清洗槽內溫度達到工藝要求的48±2℃。

2 存在的問題

噴絲帽的清洗過程中，最大的危險點和難點在于對加熱丙酮的溫度調控。在開始加溫階段，受限于雙金屬溫度計的測量原理和溫度控制特性，清洗槽溫度極易超過控制點(48±2℃)，溫度一旦超過丙酮溶液的沸點(56.53℃)，就會對操作人員和生產設備安全造成嚴重的威脅。另外，當溫度超過控制點后，由于清洗槽外部有保溫層，內部丙酮溶液為非流動的，因此整個清洗槽為一個封閉非流通槽，降溫過程非常緩慢。而在達到溫度控制點后的保溫階段，需要操作人員密切注意清洗槽溫度變化，根據經驗及時做出調整，這對操作人員的經驗和精力都是極大的考驗。

噴絲帽清洗間使用獨立的室外空調系統，保證房間內為微負壓，防止丙酮外泄。室內安裝有可燃氣體檢測儀，監測室內丙酮濃度。室內使用的設備均為防爆型。拆卸工具等輔助工具均為氣動型。如果要改變噴絲帽清洗間的溫度控制方案，必須盡量少地對原設備結構做較大的改變，同時需考慮自控設備的費用和防爆要求。

3 改進方案

原加熱清洗槽有4個，管道較多，現場可增加設備的空間有限。同時，清洗間為防爆區，不便于大規模對原有設備進行改造和加工，且長時間施工會影響正常的清洗工作。因此決定保持原有蒸汽盤管加熱方式，僅更改手動調節閥為自動調節閥；溫度檢測利用原安裝位置，通過溫變后將信號上傳至DCS，組成單回路溫度控制系統。蒸汽盤管的載熱體為蒸汽，通過蒸汽冷凝釋放熱量來加熱工業介質。大多數情況下，當工藝介質較穩定且蒸汽源壓力變化不大時，采用單回路控制就能滿足要求[2]。改進后的清洗槽結構示意圖如圖2所示。

圖2 改進后的清洗槽結構示意圖

過程工業中閉環調節控制的基礎是PID控制，它可以輕松集成到過程控制系統中[3]，但是應用在復雜動態過程工藝中時卻有一定局限性[4]。

根據清洗槽的溫控特點(加熱階段升溫快速，不允許超過設定溫度，保溫階段溫度控制平穩)，考慮采用分段控制方法。即加溫階段開始時為大溫差段，將調節閥開到最大開度，加大蒸汽量，使清洗槽快速升溫；當達到小溫差階段時，使調節閥保持小開度繼續升溫；達到最小溫差后，再使用PID或其他算法進行最終調控；當達到溫控點的清洗階段時，槽內溫度會逐漸降低，基本在最小溫差范圍內波動，此時可通過PID或其他算法及時調整。

3.1儀表設備選型

考慮防爆要求和使用調試的方便，選用4～20mA的氣動調節閥，閥門定位器選用本安型。調節閥氣開、氣關的選擇對于生產過程和自動控制系統都具有重大意義。首先應從生產安全方面考慮，當儀表氣源供氣中斷、調節閥無控制信號輸出或調節閥薄膜破損漏氣時，將導致調節閥失去動力，此時氣開閥恢復到全閉，氣閉閥恢復到全開。而調節閥在故障狀況下應確保生產裝置和生產工況的安全[5,6]，因此本方案中的氣動執行器采用氣開型。

測溫部分選用帶現場數顯功能的一體化溫度變送器，其安裝方式和插入深度需要根據原雙金屬溫度計的尺寸來確定。為滿足防爆區域儀表選型的要求，溫度變送器選為本安型。

3.2設備的安裝

根據測得的安裝距離，在維修間把4套氣動調節閥按標準形式組裝好，即氣動調節閥前后各裝一個手動切斷閥，再加一個旁路閥。組裝完成后，由機修人員拆下原手動調節閥，換上新的氣動調節閥標準組件。安裝完成后雖然有旁路手動閥，但不影響清洗槽的正常使用。

閥門控制電纜和溫度變送器信號電纜使用鍍鋅鋼管穿管布線，末端使用防爆撓性穿線管。溫度測量點不能位于介質不流動的死角處，應設在能靈敏并準確反映介質溫度的位置[7]。經過對原清洗槽雙金屬溫度計安裝位置的分析，確定可以使用原雙金屬溫度計的安裝底座，直接更換成帶現場數顯功能的溫度變送器。

3.3控制程序組態

清洗槽溫度分段控制算法屬于先進控制，即在原常規控制方案的基礎上，加上先進控制策略。該方案易實現，且操作維護方便，能夠保證先進控制系統安全可靠地運行[8]。清洗槽溫度分段控制算法模型如圖3所示。

圖3 清洗槽溫度分段控制算法模型

在大溫差段，可以直接設定閥門開度，也可以采用純比例調節控制閥門開度。相對來說，直接設定閥門開度更簡單，程序編寫也更易實現。在小溫差段，需要考慮溫度控制的滯后性，應合理設置一個小溫差，杜絕超溫。最小溫差段的設定要綜合考慮整個溫度控制的平穩性和調節閥對控制信號的最小分辨率，過小的溫差會因為調節閥本身的響應特性而不動作，如果強制要求過小的溫差，就會增加調節閥的購置成本。在工程師站上對整個程序進行組態，組態完成后即可下載測試。

3.4監控畫面組態

采用WinCC組態軟件設計的系統組態監控畫面(圖4)包含圖形顯示、消息報警、過程值歸檔及報表打印等功能模塊[9]。考慮到參數設置的方便性，將參數的修改直接組態到監控畫面中。設置好參數后在畫面中點擊投用按鈕，即可實現清洗槽的自動溫控；點擊不投用，清洗槽退出自動溫控，調節閥全關。根據溫度控制的響應曲線，可直接在畫面上修改參數，使清洗槽溫度達到最佳狀態。

圖4 系統組態監控畫面

4 結束語

此次對噴絲帽清洗槽的改造，沒有改變清洗槽原蒸汽盤管的加熱結構，因此現場施工作業量較少，避免了現場施工影響正常生產。儀表設備均選用本安型儀表，從根本上杜絕了生產安全危害。經過實際生產檢驗，改造后的噴絲帽清洗槽溫度分段控制靈敏、準確，完全滿足工藝要求，且整個改造工程費用投入較少。

[1] 崔堅,李佳.西門子工業網絡通信指南[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 戴連奎,于玲,田學民,等.過程控制工程[M].北京:化學工業出版社,2012.

[3] 姜丹,任有志,丁輝,等.PVC膠槽溫度模糊PID控制系統[J].化工自動化及儀表,2012,39(6):707～710.

[4] 史運濤,何安.基于SIMATIC PCS7的預測控制在2×2耦合四容水箱系統的控制實現[J].化工自動化及儀表,2014,41 (8):887～890.

[5] 陳洪全,岳智.儀表工程施工手冊[M].北京:化學工業出版社,2009.

[6] 鄭建章.探討調節閥的選型及應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(7):841～843.

[7] 徐茹.一次儀表在化工工藝管道和設備上的布置設計[J].化工自動化及儀表,2014,41(8):874～876.

[8] 王樹青,樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京:化學工業出版社,2010.

[9] 孔令君,張慧慧.WinCC組態軟件在生產物流實驗系統中的應用[J].制造業自動化,2008,30(1):62～64.

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1000-3932(2016)05-0554-04

2015-10-12(修改稿)