低溫泵控制系統設計與實現

李樂斌 齊恩伍 呂衛星 胡石林

(中國原子能科學研究院 北京 102413)

1 引言

在化工裝置中氣體循環泵是常用設備。在本實驗所建立的串級低溫精餾裝置中,需要將原料氣體從一級精餾塔再沸器出口通過氣體循環泵排到二級精餾塔進料處。考慮到設備上下游進出口壓差較大,控制預算成本等具體問題,提出用低溫泵代替氣體循環泵實現物料的正常運轉。低溫泵是一種特殊泵,多用于石油、空分和化工裝置來輸送低溫液體[1]。按照介質的供應方式區分,低溫泵可分為貯槽式低溫泵、流程低溫泵、小型制冷機低溫泵[2]。鑒于本實驗裝置采用液氮作為精餾塔的冷源,從節約成本與一體化設計等方面綜合考慮選擇貯槽式低溫泵。低溫介質液氮直接注入泵內貯槽,使原料氣體冷凝到儲罐。氣體管路形成壓差,原料氣自行流動到儲罐達到抽氣目的。這種低溫泵的特點是無振動、無噪聲、無污染,工作壓強范圍寬,結構簡單、費用低。

2 低溫泵結構與工作流程

針對工藝要求,設計出低溫泵結構與實物圖如1所示。低溫泵采用3 層罐式結構,原料罐浸泡在液氮罐中,最外層為真空罐。該設備共有原料氣進出口、液氮進出口、原料氣加熱棒和液氮加熱棒等接口。正常運行時低溫泵有進料、預熱和出料3 種模式。進料模式下液氮直接注入液氮罐,通過液氮加熱棒溫度、出口氮氣溫度和低溫電磁閥通斷時間的相互作用調節罐內的液位高度。此模式下原料氣通過壓力差被吸入到低溫泵的原料罐,通過質量流量計記錄進入的氣體質量,原料氣以液態形式存儲在罐內。當進料質量達到設定值停止進料,此時可手動選擇轉入預熱模式。通過原料氣加熱棒的溫度控制使原料氣發生液相到氣相的相變增壓,壓力達到設定值后可進入出料模式。正常出料時管路的質量流量計計算出料的質量。低溫泵的庫存量(即進料量與出料量的差值)達到設定值停止出料再次切換至進料模式,如此循環執行。通過低溫泵的工藝流程分析出低溫泵控制系統包括溫度控制、壓力控制、流量控制,保證低溫泵的液氮液位、氮氣壓力與原料氣壓力在正常范圍,流量計計量準確。

圖1 低溫泵結構與實物圖Fig.1 Structure and physical drawing of cryopump

3 控制系統硬件組成與控制原理

根據工藝的具體要求,采用PLC 作為主控制器,其它硬件包括IO 模塊、通訊模塊、安全柵、繼電器等。實驗裝置與PLC 柜如圖2 所示。液氮液位通過液氮加熱棒溫度、氮氣排出口溫度和延時時間共同作用進行判斷。兩者溫度其一小于設定值后關液氮進口電磁閥停止進液氮并開啟延時等待程序。延時時間到且兩者溫度其一高于設定值時打開電磁閥再次進液氮,以后重復此過程。溫度PID 控制輸出脈沖寬度調制(PWM)信號到固態繼電器用于調節加熱器工作。壓力PID 控制輸出模擬量4—20 mA 信號到電氣轉換器從而調節輸出不同氣壓信號到背壓調節閥。質量流量計利用串口通訊方式獲得瞬時與累計流量,同時還可以采集閥門其他信息。PLC 利用IO 模塊、安全柵采集裝置中的壓力、溫度信號。液氮加熱器采用一體棒式結構,將加熱絲與熱電偶安裝在加熱棒內部,可以減少設備接口與泄漏點。執行器采用低溫電磁閥、氣動球閥、氣動背壓調節閥,提高系統的響應時間。利用半導體高真空干泵為裝置提供高真空環境,通過人機接口可遠程啟停此設備。從設備安全運行方面考慮,液氮出口處的背壓調節閥采用氣關式,電加熱回路安裝接地保護器、過流保護器,低溫泵采用一用一備方式運行。

圖2 實驗裝置與PLC 柜Fig.2 Experimental device and PLC cabinet

4 軟件設計

依據工藝運行流程逐步形成了具體軟件設計方案,將程序按照功能進行模塊化處理,每個功能塊實現不同的目的。編程時根據需要進行調用,增加了程序的易讀性,便于維護。軟件編程包括下位機程序和上位機程序兩部分。下位機程序是整個程序的核心,控制PLC 及各種硬件完成邏輯控制、數據采集、數據處理,數據交換等,接受上位機發出的命令完成相應的動作并反饋設備狀態。上位機程序是指人機界面,通過OPC 服務器以Modbus TCP 通訊協議實現數據交互,完成輸入操作指令、數據顯示與存儲等。

4.1 下位機軟件設計

PLC 程序采用3 種語言進行編程,分別是梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)和結構化文本(ST)。LD 語言與電氣操作原理圖相對應,具有直觀性和對應性。文中用其編寫設備啟停和手自動切換等邏輯。FBD語言以功能模塊為單位,分析理解控制方案簡單容易,用圖形的形式表達功能直觀性強[3]。程序中用FBD 語言完成PID 邏輯控制。壓力控制輸出標準模擬信號,溫度控制輸出脈沖調制(PWM)信號。ST 語言是類似于高級語言的一種編程語言,采用高度簡化的表達式,使程序緊湊,結構清晰,帶有多種控制語句,便于實現復雜的控制邏輯[4]。用ST 語言編寫低溫泵在3 種模式下的順序控制程序。圖3 表示溫度PID 控制的FBD 程序,控制信號輸出到固態繼電器,最終控制加熱棒周期內接通與斷開。

圖3 溫度PID 控制FBD 程序Fig.3 Temperature PID control FBD program

圖3 中的PID 模塊包括手自動模式選擇、設定限值、控制器結構選擇、限值輸出、模擬量輸出、PWM 輸出等多個管腳。根據執行器的具體要求選擇不同的管腳完成相應的動作。程序中控制器在手動模式下沒有設定初值,因此手動模式即停止加熱。為了延長加熱絲使用壽命及限制過高的超調量對自動輸出進行了限值50%。程序中壓力PID 控制中還增加了無擾切換功能。自動模式下,輸出的百分比值賦值給手動輸入值。這樣從自動向手動切換時,手動輸出值等于當前的調節值。同理,手動切換自動時,需要在PID 程序前增加這樣一段程序。取手自動模式切換的上升沿信號,此時把反饋值賦值給設定值,這里不再贅述。

程序中還應用了ST 語言,輔助LD 和FBD 程序編寫順序控制,提高程序執行效率。圖4 表示部分進料的順序控制程序,主要用到選擇語句和迭代語句。根據不同運行條件進行判斷,完成相應的動作。

圖4 進料順序控制程序Fig.4 Feeding sequence control procedure

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件將PLC 采集的工藝參數顯示到人機界面,完成操作參數輸入、實時顯示、數據處理與存儲等功能。上位機操作界面如圖5 所示。圖中包括運行模式選擇按鈕、手自動選擇開關、PID 參數設置等。上位機通過Modbus TCP 與下位機通訊。Modbus TCP 是簡單的用于管理和控制自動化設備的Modbus系列通訊協議的派生產品。因使用Ethernet 網絡的架構,速度及信息傳送量更快更大,近年來被大量使用[5]。通過上位機軟件,實時監視設備的運行狀態,調整工藝運行參數,保障裝置的順利運行。同時利用上位機軟件還編寫了質量流量計的通訊程序如圖6所示。根據質量流量計的通訊協議說明書,文中主要用到以下幾個功能:控制閥工作模式、累計控制模式、讀寫設定值、讀瞬時和累計等。編寫程序用到的串口操作指令包括VISA Configure Serial Port、VISA Write、屬性節點(Bytes at Port)、VISA Read、VISA Close[6]。首先配置串口參數,接著寫入特定的命令符,延時處理并根據接收的字節數讀取數據,最后關閉串口。程序中還包括字節異或(XOR)校驗,數據傳輸格式基于IEEE754 單精度浮點標準。

圖5 上位機操作界面Fig.5 Upper computer operation interface

圖6 質量流量計通訊程序Fig.6 Communication procedure of mass flow meter

5 結論

低溫泵作為一種特殊的泵類,它的用途是將低溫液體從壓力低的場所輸送到壓力高的場所。利用貯槽收集原料液體,達到一定質量后將其汽化,利用壓差將氣體輸送到下一級設備。用此功能代替氣體循環泵。根據工藝的特點,設計了一套低溫泵控制系統并應用于現場。該系統以PLC 為核心,功能上包括常規信號采集,溫度與壓力的PID 控制、流量的RS485 串口通訊及上位機的Modbus TCP通訊,實現了數據顯示、參數設定、數據存儲等功能。控制系統具有友好的人機界面、操作簡單,具有較強的可移植性。經過長期運行結果表明,低溫泵控制系統運行穩定、可靠,滿足工藝要求,在低溫工程領域提供了參考價值。