結(jié)晶溫度控制系統(tǒng)改造研究

華北制藥集團(tuán)愛(ài)諾有限公司 任永勝

1 引言

自動(dòng)化技術(shù)在人們生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，給人們生活帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)電氣自動(dòng)化技術(shù)也隨著人們生產(chǎn)生活需求的不斷提高而快速發(fā)展，PLC技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用正是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)。在結(jié)晶溫度控制中，相比手動(dòng)控制，自動(dòng)化控制帶來(lái)的不僅僅是穩(wěn)定的控制，在節(jié)能降耗、降低人力成本上有更好的體現(xiàn)。

2 傳統(tǒng)的降溫控制

實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)總結(jié)了現(xiàn)階段比較滿意的降溫曲線，見(jiàn)圖1。傳統(tǒng)降溫控制采用夏季冷媒水、冬季循環(huán)水降溫。操作人員在降溫階段需要打開(kāi)降溫冷水閥門(mén)，控制閥門(mén)大小來(lái)手動(dòng)控制降溫曲線。操作人員需要根據(jù)結(jié)晶罐溫度實(shí)時(shí)調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)度大小，這就要求操作人員實(shí)時(shí)觀察結(jié)晶罐的溫度，不僅浪費(fèi)了巨大的人力，更容易出問(wèn)題。一般情況下的操作為打開(kāi)閥門(mén)后就不再調(diào)整，使得降溫過(guò)程曲線與理想曲線相差很多，見(jiàn)圖2，從而影響了晶粉的收率，雜質(zhì)含量也很多，需要重復(fù)很多次的結(jié)晶操作，浪費(fèi)了大量的資源。

圖1 現(xiàn)階段降溫曲線

圖2 理想降溫曲線

3 采用PLC進(jìn)行自動(dòng)降溫控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的控制流程圖，如圖3所示，我們現(xiàn)場(chǎng)取兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，換熱器出口溫度和結(jié)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(dòng)球閥采用QGT641F單氣缸球閥，調(diào)節(jié)閥采用HLS-16K單座調(diào)節(jié)閥。在控制室，我們采用盤(pán)古無(wú)紙記錄儀對(duì)換熱器出口和結(jié)晶罐溫度進(jìn)行顯示與歷史趨勢(shì)記錄。在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，我們用到了CPU222模塊和EM235四模擬量輸入一模擬量輸出擴(kuò)展模塊。其中，輸入開(kāi)關(guān)量為降溫程序啟動(dòng)、停止、急停開(kāi)關(guān)量輸入和氣動(dòng)球閥電磁閥控制、結(jié)晶過(guò)程結(jié)束指示燈開(kāi)關(guān)量輸出。對(duì)EM235擴(kuò)展模塊，輸入信號(hào)為換熱器出口溫度和結(jié)晶罐溫度，輸入為4～20mA模擬量信號(hào)，輸出為4～20mA信號(hào)來(lái)控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。在這里，因?yàn)闇囟刃盘?hào)需要引入到PLC和無(wú)紙記錄儀兩個(gè)儀表中，現(xiàn)場(chǎng)為防爆區(qū)，所以我們用到了一個(gè)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(gè)輸出信號(hào)分別接到PLC和無(wú)紙記錄儀上。

由于S7-200系列PLC有緊湊的設(shè)計(jì)、豐富的擴(kuò)展能力、極高的可靠性、便捷的操作性、強(qiáng)大的指令系統(tǒng)和低廉的價(jià)格，所以采用此類型PLC能滿足結(jié)晶降溫程序的控制，S7-200能夠進(jìn)行PID控制。S7-200 CPU最多可以支持8個(gè)PID控制回路（8個(gè)PID指令功能塊）。PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法。PID控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值，按照PID算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。PID控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定變化。PID溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，由PLC的輸出控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器將當(dāng)前的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再通過(guò)PLC的模擬量輸入端將溫度傳感器傳回來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量傳送給CPU以用于計(jì)算。對(duì)PLC進(jìn)行編程，可以設(shè)定目標(biāo)溫度，然后通過(guò)PID調(diào)節(jié)控制PLC的輸出，使控制的實(shí)際溫度逐漸趨近于目標(biāo)溫度。

在整個(gè)降溫過(guò)程中，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得出的降溫曲線（圖1），采用換熱器出口溫度與結(jié)晶罐溫差控制方案，流程圖如圖4，我們采用換熱器對(duì)結(jié)晶罐進(jìn)行間接降溫。當(dāng)我們從溶解罐將料液通過(guò)氮?dú)鈮喝虢Y(jié)晶罐后，溶液為澄清溶液，通過(guò)養(yǎng)晶、加晶種一系列操作后，我們開(kāi)始進(jìn)行降溫操作。按下啟動(dòng)按鈕，球閥打開(kāi)，氣動(dòng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在結(jié)晶降溫初期階段，我們對(duì)降溫要求不是太高，所以，根據(jù)曲線1設(shè)定溫差為5℃，即換熱器與結(jié)晶罐存在5℃的的溫差。在此階段，通過(guò)PLC內(nèi)部PID運(yùn)算，將5℃溫差設(shè)定為PID運(yùn)算的設(shè)定值，通過(guò)PID運(yùn)算后，調(diào)節(jié)閥進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，通過(guò)數(shù)批料液實(shí)驗(yàn)后，降溫速率約為6℃/h。當(dāng)降溫進(jìn)行到關(guān)鍵的中間階段后，這個(gè)階段需要慢的降溫速率，否則容易引起爆發(fā)式結(jié)晶，這種情況對(duì)晶體內(nèi)部雜質(zhì)的去除極為不利。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此階段降溫速率不能超過(guò)3℃/h，我們進(jìn)行不斷的嘗試，最終設(shè)定此階段溫差控制為2℃。在結(jié)晶后期，對(duì)降溫速率要求不是太高，所以我們?cè)O(shè)定為4℃的溫差進(jìn)行降溫。最終當(dāng)結(jié)晶罐溫度降到20℃時(shí)，我們對(duì)結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行維持階段，即PLC的設(shè)定換熱器出口溫度變?yōu)?0℃恒溫控制，維持一定時(shí)間后結(jié)晶降溫過(guò)程結(jié)束。

圖4 降溫控制流程圖

經(jīng)過(guò)2～4月份11個(gè)批次生產(chǎn)、統(tǒng)計(jì)，結(jié)晶平均收率為87.7%，達(dá)歷史最高，經(jīng)濟(jì)效益增加約13.3萬(wàn)元。結(jié)晶次數(shù)減少了1次，質(zhì)量穩(wěn)定，減少了乙醇和甲酰胺用量，節(jié)約成本約2.5萬(wàn)元，2～4月份總效益測(cè)算約15.8萬(wàn)元。在降低了工人的工作量的同時(shí)，節(jié)約了成本，增加了效益。

[1]韓戰(zhàn)濤編著.西門(mén)子S7-200PLC編程與工程實(shí)例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.2.