吸脫附廢氣處理過(guò)程中的自動(dòng)控制分析

荀本舟

（上海盛劍環(huán)境系統(tǒng)科技股份有限公司，上海 201821）

為解決日益嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)廢氣行業(yè)近年來(lái)飛速發(fā)展，同時(shí)由于廢氣處理行業(yè)剛剛興起，廢氣處理過(guò)程中的自動(dòng)控制還處于摸索階段，因此部分廢氣設(shè)備未正常運(yùn)行或未對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，造成廢氣未達(dá)標(biāo)排放以及廢氣裝置溫度失控起火燃燒、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)給社會(huì)帶來(lái)惡劣影響。吸附脫附過(guò)程中的吸附時(shí)間控制保證了廢氣處理系統(tǒng)排放的廢氣達(dá)標(biāo)。吸附閥門切換、脫附含氧量控制、脫附廢氣安全控制、脫附溫度控制、脫附程序升溫及循環(huán)脫附控制以及后續(xù)的降溫冷卻過(guò)程的自動(dòng)控制保證了系統(tǒng)安全的運(yùn)行，整套吸脫附廢氣處理過(guò)程控制要求比較高。為了保證吸脫附廢氣處理過(guò)程能夠安全有效運(yùn)行，文章重點(diǎn)分析了吸脫附廢氣處理過(guò)程中自動(dòng)控制方法和實(shí)施過(guò)程，并在吸脫附廢氣處理系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)踐。

1 S7-1200系統(tǒng)與吸脫附廢氣處理介紹

1.1 吸脫附廢氣處理過(guò)程

吸脫附廢氣處理過(guò)程是將可吸附的工業(yè)有機(jī)廢氣先采用活性炭或沸石等分子篩通過(guò)吸附法吸附，然后再通過(guò)高溫空氣、氮?dú)饣蛘羝摳匠鰜?lái)進(jìn)入催化氧化一體機(jī)、直燃爐或冷凝器進(jìn)行處理。吸附和脫附的過(guò)程相互獨(dú)立且相互影響，因此控制好廢氣的吸脫附過(guò)程對(duì)于吸脫附裝置的穩(wěn)定、安全、有效的使用至關(guān)重要。

1.2 PLC系統(tǒng)

可編程邏輯控制器是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程[1]。

1.3 S7-1200PLC

新的模塊化SIMATIC S7-1200控制器是西門子新推出產(chǎn)品的核心，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高度精確的自動(dòng)化任務(wù)。SIMATIC S7-1200控制器實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、投資安全并且完全適合各種應(yīng)用[2]。

因吸脫附廢氣處理過(guò)程要求復(fù)雜，采用S7-1200系統(tǒng)能完全滿足廢氣處理過(guò)程控制要求，且S7-1200PLC優(yōu)越的在線編程能力能夠優(yōu)化編程邏輯要求。同時(shí)S7-1200PLC在國(guó)內(nèi)環(huán)保行業(yè)RTO等裝置上已有成功的應(yīng)用案例。

1.4 吸脫附廢氣系統(tǒng)控制介紹

吸脫附過(guò)程控制設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的IO設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以及電氣及自控回路設(shè)計(jì)以及后續(xù)的自控程序設(shè)計(jì)過(guò)程。吸脫附系統(tǒng)重點(diǎn)自控設(shè)計(jì)包括吸附閥門控制、吸附時(shí)間控制、脫附閥門控制、脫附程序升溫、脫附含氧量控制、脫附降溫控制、脫附反升溫檢測(cè)、脫附溫度PID控制、脫附安全聯(lián)鎖、變頻器、溫控器RS485通信等。

2 吸脫附自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制閥門儀表電機(jī)IO設(shè)計(jì)

參考吸脫附自動(dòng)化控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵、氣動(dòng)閥門、儀表、聲光報(bào)警燈以及工藝流程圖及自動(dòng)化控制方案編寫系統(tǒng)IO清單。儀表一般考慮儀表的供電方式回路供電或獨(dú)立供電，信號(hào)輸出4～20mA或者0～10V，另外需要對(duì)熱電阻RTD或熱電偶TC需考慮使用對(duì)應(yīng)的RTD或TC模塊還是用信號(hào)隔離器轉(zhuǎn)為4～20mA信號(hào)列入IO清單。閥門的設(shè)計(jì)分為開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥，開關(guān)閥需設(shè)計(jì)閥門的開閉及閥位反饋，調(diào)節(jié)閥需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥的規(guī)定信號(hào)和調(diào)節(jié)閥的輸出反饋。另外，一些開關(guān)接點(diǎn)信號(hào)或者開關(guān)量輸出，需分別整理列入IO清單并備注用途。

2.2 自動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)包括：閥門的互鎖設(shè)計(jì)；根據(jù)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率；控制脫附置換氣體中的含氧量，邊置換邊監(jiān)測(cè)；延時(shí)監(jiān)測(cè)置換氣體是否反升，用于監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備是否有漏氣點(diǎn)；控制脫附程序升溫的溫度，用于控制脫附溫度曲線，使需要脫附的物質(zhì)更好地從活性炭床中脫附出來(lái)；控制脫附降溫過(guò)程中的溫度，進(jìn)行降溫延時(shí)監(jiān)測(cè)；控制脫附過(guò)程中的時(shí)間等。

2.3 電氣自控設(shè)計(jì)

吸脫附廢氣處理過(guò)程中涉及的電氣設(shè)備主要為風(fēng)機(jī)和水泵，水泵和直啟風(fēng)機(jī)回路的設(shè)計(jì)需考慮是否需要現(xiàn)場(chǎng)異地啟動(dòng)，并將電機(jī)的運(yùn)行、故障信號(hào)列入IO清單。變頻回路的設(shè)計(jì)主要涉及控制單元相關(guān)的啟停、合閘、運(yùn)行、故障、頻率給定、頻率反饋、電流信號(hào)等參數(shù)采用硬接點(diǎn)或者通訊的方式列入IO清單，若采用通訊方式，則相關(guān)信號(hào)列入IO內(nèi)部清單不計(jì)入卡件，但需要另外增加RS485通訊模塊。

3 S7-1200系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)吸脫附廢氣處理系統(tǒng)IO清單統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)點(diǎn)，如表1所示。

表1 IO統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)S7-1200系統(tǒng)模塊配置，設(shè)計(jì)配置中的CPU1214DC滿足點(diǎn)數(shù)控制要求：SM1223 配置3塊；SM1221配置1塊；SM1231TC模塊配置1塊；SM1231AI模塊配置2塊；SM1232AO模塊配置1塊；CM1241配置1塊，用于變頻器通訊；另配置NDR-240-24明緯10A開關(guān)電源2套，控制界面觸摸屏或上位機(jī)和PLC采用以太網(wǎng)接口走TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。其硬件組態(tài)如圖1所示。

圖1 硬件組態(tài)

3.2 軟件及畫面設(shè)計(jì)

這部分內(nèi)容主要是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)下位程序及上位機(jī)畫面的編寫流程，主要依據(jù)已有的帶控制接點(diǎn)的工藝流程圖、IO清單、自動(dòng)控制流程文件、自控回路設(shè)計(jì)、安全聯(lián)鎖手冊(cè)以及S7-1200已有的硬件設(shè)計(jì)開始編程。按照S7-1200PLC編程軟件的一般步驟，先編輯硬件組態(tài)，再編寫IO變量表，最后編寫DB數(shù)據(jù)塊、FC功能調(diào)用塊、FC功能塊、OB系統(tǒng)塊。

編程的硬件組態(tài)，包含了通訊模塊、CPU模塊、IO模塊。在IO變量表中設(shè)置對(duì)應(yīng)IO位置點(diǎn)的位號(hào)，以便將系統(tǒng)的輸入輸出和PLC的IO模塊連接起來(lái)；對(duì)于內(nèi)部通訊用的一些系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)，則需另外在DB塊中定義對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊用于存放對(duì)應(yīng)的變量點(diǎn)或數(shù)據(jù)。

編程的DB數(shù)據(jù)塊，包含了通訊模塊背景數(shù)據(jù)塊和自定義的通訊數(shù)據(jù)塊。其中，脫附參數(shù)、系統(tǒng)輸入輸出、閥門動(dòng)作、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等程序功能數(shù)據(jù)塊用于程序執(zhí)行動(dòng)作的參數(shù)及數(shù)據(jù)交換，通訊數(shù)據(jù)塊用于存放和變頻器或溫控器通訊時(shí)的狀態(tài)值和參數(shù)。

編程的FB、FC功能塊，其中FB中功能塊為系統(tǒng)自帶通訊功能塊。FC功能塊分為兩種，一種為自建功能塊用于執(zhí)行閥門、電機(jī)動(dòng)作、儀表參數(shù)讀取等單一功能類似于FB功能塊，可以重復(fù)被FC調(diào)用；另外一種用于執(zhí)行一般操作程序等，不能重復(fù)調(diào)用。編程的FC閥門塊如圖2所示。

編程的OB組織塊，包含了整個(gè)PLC系統(tǒng)所有功能的調(diào)用，為前期設(shè)計(jì)的程序能夠正常執(zhí)行提供了保障。

程序畫面如圖3所示。其表示本次編程的控制畫面，包含了工藝流程和儀表示值及閥門控制按鈕。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 RS485通訊

圖2 FC功能塊調(diào)用

圖3 程序畫面

圖4 MB_COMM_LOAD通訊指令

圖5 MB_MASTER通訊指令

使用MB_COMM_LOAD指令和MB_MASTER指令可以實(shí)現(xiàn)S7-1200PLC和變頻器的通信，如圖4、圖5所示。首先選擇CM1241的通訊口，然手設(shè)定波特率和奇偶校驗(yàn)，在第一個(gè)掃描周期激活指令，實(shí)現(xiàn)變頻器和PLC通信成功。同時(shí)在一個(gè)掃描周期把輪詢步驟置位為1，讀取變頻器的地址碼，設(shè)定讀或者寫指令，并設(shè)定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和需要讀取的數(shù)據(jù)的MODBUS地址。在變頻器上比如啟動(dòng)變頻器命令2000H地址則轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制為8192，則設(shè)定地址為40001加上8192即為48193，在置步為1時(shí)，同時(shí)激活改指令，讀取成功后置位為2，并復(fù)位激活指令。然后在步驟為2時(shí)重復(fù)上述命令，僅需設(shè)定數(shù)據(jù)地址、變頻器地址、讀寫命令就可以實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的輪詢讀寫變頻指令。

4.2 吸脫附閥門安全自鎖

在吸脫附過(guò)程中，因吸附脫附同時(shí)進(jìn)行，為了防止脫附的高溫氣體在碳罐中與吸附中氧氣相遇，必須在吸附時(shí)鎖死脫附閥門，脫附時(shí)鎖死吸附閥門，以防止高溫活性炭遇氧起燃。同時(shí)，吸附需要控制閥門的切換，未飽和的吸附罐需要每次都檢測(cè)飽和情況，依據(jù)飽和情況控制吸附閥門的開閉。脫附時(shí)，需判斷其他碳罐的脫附閥門是否關(guān)閉，脫附過(guò)程中僅允許一套碳罐在脫附使用中，如圖6所示。系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)進(jìn)口兩個(gè)防火閥處于開啟狀態(tài)，1#吸附系統(tǒng)啟動(dòng)中，若1#系統(tǒng)未處于脫附和吸附飽和狀態(tài)，1#碳罐閥門即允許打開。1#碳罐脫附中，脫附預(yù)熱完成后，確認(rèn)2#、3#、4#閥門鎖死后，1#碳罐脫附閥門方可允許開啟[3]。

4.3 脫附含氧量過(guò)程控制及程序升溫過(guò)程控制

脫附系統(tǒng)在升溫前需要對(duì)碳罐和管路進(jìn)行氮?dú)獯祾撸却蜷_對(duì)應(yīng)的吹掃調(diào)節(jié)閥門控制管路壓力，然后開始計(jì)算吹掃時(shí)間。吹掃時(shí)間大于設(shè)定吹掃時(shí)間后檢測(cè)吹掃出口的氧含量，氧含量若未低于設(shè)定氧含量，重新計(jì)時(shí)吹掃；若氧含量低于設(shè)定氧含量，開始氧含量監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)，持續(xù)2min監(jiān)測(cè)氧含量低于設(shè)定值就默認(rèn)管道已吹掃完畢可以進(jìn)入程序升溫階段。程序升溫即設(shè)置多段升溫溫度，并設(shè)定保溫時(shí)間分段檢測(cè)脫附溫度點(diǎn)，以防止溫度突變，產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行保溫計(jì)時(shí)，將脫附過(guò)程每個(gè)溫度區(qū)能夠獨(dú)立脫附，用來(lái)適應(yīng)不同物質(zhì)的快速脫附溫度。升溫過(guò)程中同時(shí)檢查出口廢氣濃度安全限值，以防止脫附過(guò)快影響后端系統(tǒng)的安全性能。綜上，程序升溫過(guò)程控制在脫附安全和脫附性能上有著關(guān)鍵的作用[4]。

圖6 吸附允許運(yùn)行判定程序

5 結(jié)論

在吸附過(guò)程中要保證使用的吸附塔正常處于吸附狀態(tài)并吸附過(guò)程計(jì)時(shí)，吸附飽和時(shí)自動(dòng)鎖死吸附塔。在脫附過(guò)程中控制脫附含氧量低于2%，一旦管路有漏點(diǎn)含氧量快速上升，就應(yīng)自動(dòng)停止脫附流程，保證脫附過(guò)程處于低含氧量。在程序升溫過(guò)程中，保證溫度在低溫時(shí)快速上升，至中高溫時(shí)均勻緩慢上升，并保證不同階段在不同溫度段都能有效的脫附處理，脫附效率高，同時(shí)防止因脫附過(guò)快，導(dǎo)致溫度抖升造成安全風(fēng)險(xiǎn)。變頻器通訊功能得到了有效實(shí)現(xiàn)，且通訊穩(wěn)定。整個(gè)研究過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）通過(guò)S7-1200和變頻的通訊能夠快遞采集變頻器的相關(guān)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)中變頻控制的重要風(fēng)機(jī)參數(shù)得到了有效的控制。（2）通過(guò)控制策略中的閥門安全自鎖控制、含氧量控制以及程序升溫控制有效保證了系統(tǒng)的安全可靠性，對(duì)比其他吸脫附系統(tǒng)起燃事件，該系統(tǒng)在項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期安全有效的運(yùn)行，并在實(shí)際生產(chǎn)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐中得到了認(rèn)證，性能方面適應(yīng)了多種物質(zhì)不同脫附區(qū)間能夠快速有效的脫附。（3）吸脫附系統(tǒng)中的自動(dòng)化過(guò)程控制在廢氣治理環(huán)保行業(yè)的廣泛運(yùn)用，也對(duì)S7-1200系統(tǒng)在自動(dòng)化控制中有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。