基于PLC的超臨界CO2萃取控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

徐凱+孫永超

摘要：采用SIEMENS PLC控制技術(shù)，設(shè)計出一套超臨界二氧化碳萃取杜仲籽油的工業(yè)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備壓力和溫度的精確控制，并且采用WinCC組態(tài)軟件對現(xiàn)場的壓力、溫度等重要參數(shù)進行實時監(jiān)控、記錄和報警。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和運行，該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場實際需要，完全實現(xiàn)了設(shè)計要求，進一步提高了杜仲籽油的萃取率和萃取質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：超臨界；萃取；壓力；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0013-02

1 引言

近些年來，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)作為一種新型的萃取技術(shù)取得了較快的發(fā)展。新的設(shè)備和工藝對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。在超臨界萃取過程中，實現(xiàn)對設(shè)備壓力及溫度的精確控制確實存在一定困難。本文提供了以杜仲籽為原料，采用控制站、操作站構(gòu)成超臨界二氧化碳萃取杜仲籽油的自控系統(tǒng)，其中程序控壓、程序控溫部分設(shè)計方法獨特，處于同行業(yè)領(lǐng)先水平。

2 工藝介紹

本套超臨界二氧化碳萃取裝置配備供氣、超臨界CO2流體發(fā)生、夾帶劑、萃取分離和CO2循環(huán)回收等系統(tǒng)。裝置設(shè)計壓力0～40Mpa，設(shè)計溫度100℃。杜仲籽油經(jīng)除雜和粉碎等一系列預先處理過程，然后裝入萃取器，給系統(tǒng)萃取充入超臨界二氧化碳并加壓，原料在超臨界二氧化碳作用下，可溶成分和超臨界二氧化碳相溶，流出萃取器的混合物經(jīng)過減壓和調(diào)溫，可將萃取物的各種成分選擇性的分離出，之后，二氧化碳再經(jīng)調(diào)溫和壓縮回到萃取以達到器循環(huán)使用的目的，整個過程是連續(xù)的，本次超臨界二氧化碳萃取杜仲籽油的生產(chǎn)裝置見圖1。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

整套裝置自控系統(tǒng)完全按照工業(yè)化現(xiàn)場需求設(shè)計，通過PLC連接計算機，操作人員可通過計算機設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)，控制設(shè)備的操作和運行，實現(xiàn)程序控壓和控溫。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)由控制站：SIEMENS S7-200系列PLC和操作站：研華工業(yè)控制計算機兩部分組成。

根據(jù)現(xiàn)場控制要求，控制站采用了一個CPU226 DC/DC/DC模塊、兩個EM231 8*IN模塊、三個EM222 8*24VDV模塊、一個EM231 4*OUT模塊，對現(xiàn)場8個模擬量輸入信號，3個模擬量輸出信號，20個數(shù)字量輸出信號進行控制。操作站與控制站通過以太網(wǎng)進行通訊，實現(xiàn)信息資源共享。

3.2 軟件使用

為實現(xiàn)操作站的監(jiān)控功能，現(xiàn)場使用WinCC組態(tài)軟件，該軟件人機操作界面功能強大，便于操作人員監(jiān)控和操作。另根據(jù)實際需要安裝Microsoft SQL Server 2000、Message Queuing等。

對PLC控制站的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及控制程序的編寫，采用STEP-7軟件，實現(xiàn)現(xiàn)場變送器輸出信號的工程量化、現(xiàn)場電氣設(shè)備的控制以及根據(jù)報警上＼下限對系統(tǒng)重要參數(shù)進行監(jiān)控報警等功能。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)主要介紹工藝控制中的兩個最重要參數(shù)的控制方法—壓力控制和溫度控制。

4.1 壓力控制

壓力控制是本次設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)，能否對其進行精確控制直接影響杜仲籽油的萃取率和萃取質(zhì)量。本套設(shè)備有兩臺增壓泵用來給設(shè)備加壓，當壓力超過設(shè)定壓力的時候，通過PLC控制步進電機正轉(zhuǎn)實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥打開，當壓力小于設(shè)定壓力時，步進電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥門關(guān)閉。經(jīng)大量數(shù)據(jù)分析得出壓力在28Mpa左右最為合適，否則會影響杜仲籽油的萃取率。在正常工況下需要使其穩(wěn)定在28±0.5Mpa范圍內(nèi)，這對自控系統(tǒng)提出了一個很高的要求，需要壓力不足時關(guān)緊閥門，超壓的時候立馬泄壓。

一般步進電機的速度特性可通過其運動方程（二階微分方程）來描述，設(shè)Td為步進電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，J為系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量；θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；β為阻尼系數(shù)；Tz為摩擦阻尼矩及其它與θ無關(guān)的阻尼矩之和，方程式表示如下：

由上式可知系統(tǒng)的慣性扭矩：

由步進電機和驅(qū)動器原理可知：

（1）步進電機的旋轉(zhuǎn)角度與來自驅(qū)動器的脈沖信號數(shù)成正比

θ：電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度；

θs：步距角

A：脈沖數(shù)

（2）步進電機的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動器的脈沖頻率成正比

N：電動機輸出軸的轉(zhuǎn)速[r/min]；

：脈沖頻率[Hz ].

通過控制脈沖的個數(shù)來控制步進電機角位移量，實現(xiàn)準確定位；通過控制脈沖頻率來控制步進電機的速度和加速度，實現(xiàn)調(diào)速。由此看出：控制步進電機最重要的就是要產(chǎn)出符合要求的控制脈沖。步進電動機的轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)向是受繞組的電脈沖的頻率、個數(shù)和通電順序決定的，西門子PLC具有脈沖輸出和控制功能，可以通過編程來設(shè)置控制字和參數(shù)，實現(xiàn)對輸出脈沖的控制。采取編制數(shù)據(jù)塊程序法，通過多段脈沖串及有效邏輯計算，實現(xiàn)步進電機運行增減速的精準控制。采用多段PTO操作的一個顯著特色就是能夠通過指定每段脈沖的數(shù)量來增加或減少周期，實現(xiàn)步進電機調(diào)速的控制。

目前，在很多領(lǐng)域步進電機的控制一般采用直接啟動，由于轉(zhuǎn)子慣性的影響，導致步進電機可能失步；同樣，步進電機在運行時，如果出現(xiàn)驅(qū)動脈沖突然停止的情況，也會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，造成點位控制發(fā)生偏差，所以控制步進電機的加/減速等特性非常重要。

與一般控制方法相比，本次設(shè)計采用S7-200系列PLC的高速脈沖輸出功能，給步進電機發(fā)送進給脈沖，用編程來控制脈沖頻率的變化，將此功能成功應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)精確控制，從而實現(xiàn)控制要求，在一定程度上大大提高了杜仲籽油的產(chǎn)量和質(zhì)量，得到現(xiàn)場人員的一致認可。

4.2 溫度控制

溫度的精確控制也是本次設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。當壓力比臨界壓力大許多時，CO2密度高，可壓縮性小，升溫時CO2密度降低較少，但提高了混合物的蒸汽壓和擴散系數(shù)，溶解能力提高；在CO2臨界點附近，CO2的可壓縮性大，升溫時CO2密度急劇下降，雖然提高了分離組分的揮發(fā)度和擴散系數(shù)，但是難以補償CO2密度降低所造的溶解能力下降，經(jīng)分析萃取杜仲籽油時，溫度在45℃萃取率較高，所以溫度維持在45±0.5℃。

5 結(jié)語

本次設(shè)計的超臨界二氧化碳萃取杜仲籽油控制系統(tǒng)應(yīng)用于河南靈寶金地杜仲產(chǎn)業(yè)有限公司的超臨界CO2萃取生產(chǎn)裝置，對其設(shè)備壓力、溫度進行了精確的控制，整套控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)工藝流程圖顯示、數(shù)據(jù)控制、報警記錄、實時曲線記錄、電氣設(shè)備起/?？刂啤?shù)修改等功能，完全實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備的自動控制，取得了非常理想的效果，極大地提高了杜仲籽油的萃取率和萃取質(zhì)量，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，可以為相關(guān)行業(yè)提供技術(shù)支持和借鑒，具有較好的推廣和應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]朱勇.基于PLC步進電機控制系統(tǒng)研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，38（08）：79-80.

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