食品級二氧化碳生產工藝自控系統的設計

李 楊 武奇鶴

中捷機床有限公司（沈陽 110000）中石油遼河油田分公司沈陽采油廠（沈陽 110164）

變壓吸附就是利用吸附劑對氣體中各組份的吸附容量隨壓力變化而呈現差異的特性，在吸附劑選擇吸附條件下，加壓時吸附原料氣中的二氧化碳組份，難吸附組份氫、氮、一氧化碳、甲烷等作為脫附氣由吸附塔出口排出。其工序采用變壓吸附技術是以制氫尾氣為原料，采用成熟的回收二氧化碳技術，首先采用真空變壓吸附裝置，將二氧化碳的濃度由 27.0%提高到 98%以上，然后進入壓縮機增壓到 3.0MPa，冷卻分水后進入干燥器干燥，干燥后的物料經吸附脫除雜質、預冷后液化、精餾，最后進入食品級產品儲罐，作為食品級二氧化碳產品使用，生產出符合國家標準GB/T-6052-93的11000t/a的食品級二氧化碳。

1 控制方案

該裝置分兩段變壓吸附，一段六個吸附塔由49個程控閥、1個單向閥和3個調節閥通過管線相連接，二段四個吸附塔由22個程控閥、1個單向閥和3個調節閥通過管線相連接。當一段中二個吸附塔同時進行吸附操作時, 其余四個吸附塔處于再生過程的不同階段。六個吸附塔循環操作, 達到連續處理原料氣、輸出產品氣，并輸出粗脫氣供二段處理的目的。當二段中二個吸附塔同時進行吸附操作時，其余二個吸附塔處于再生過程的不同階段。四個吸附塔循環操作，達到連續處理粗脫氣和輸出脫附氣供一段升壓吸附處理的目的。

以二段四塔變壓吸附為例，每個吸附塔在一次循環中都要經歷吸附(A)、壓力均衡降(ED)、順向放壓(PP)、逆向放壓(D)、沖洗(P)、壓力均衡升(ER)、最終升壓(FR)等七個步驟。二段四塔工藝步序及閥門開關圖如圖1所示。

1.1 控制方案的硬件設計

控制站采用SIEMENS S7-300系列PLC，CPU使用了315-2DP型號，操作站與控制站通過 PROFIBUS網進行數據通訊。控制系統的操作站采用臺灣研華工業控制計算機，實現過程參數監控、手/自動控制、報警及報表打印功能。其硬件組態結構框圖如圖2所示。

1.2 控制方案的軟件設計

為了實現操作站的監控功能，采用了SIEMENS WinCC組態軟件，該軟件具有良好的人機操作界面，便于操作人員監控和操作，實現了工藝流程圖顯示、數據監控、報警記錄、實時趨勢曲線記錄、設備起停控制、參數修改等功能。

對PLC控制站的硬件組態、網絡組態以及控制程序的編寫，采用了SIEMENS STEP 7軟件。實現了一段六塔和二段四塔的程控程序、信號的工程量化、設備的連鎖控制以及系統重要參數報警監控等功能。

圖1 二段四塔工藝步序及閥門開關圖

圖2 系統硬件組態結構框圖

2 控制方案的實施

在控制系統操作鍵盤上有一系列功能開關，按動這些功能開關運行程序操作相應的變化。在控制系統編程工具Step7中建立功能塊FC，在其中以梯形圖的形式編輯相應的控制程序。以二段四塔程控過程為例，整個過程分為16步進行控制，每一步都要設定一定的時間，用一個計數器(Counter)來對16步進行計數，用16個S_PEXT類型定時器(Timer)來管理每一步的相應條件。其系統控制流程如圖3。控制要求有以下幾方面。

置零：程序回到以A塔吸附（A）步驟的初始狀態。以“4COMMAND.RESET4”為狀態位觸發置零操作

要求：實際就是把程序中相應條件復位。

暫停：各塔工藝步驟均保持在當前狀態，與之相應的各程控閥也保持當前的開關狀態，程序控制系統暫停計時，解除暫停，恢復計時，繼續執行暫停前的相應程序，時間從暫停時的累計值開始連續累計。用一個置位復位觸發器SR來判斷暫停的兩個狀態-暫停開始“4COM MAND.AUTO_PAUSE_START4”和暫停結束“4COM MAND.AUTO_PAUSE_STOP4”，在暫停開始時通過該步的定時器 T25記錄下暫停時間并輸出到DB12.DBW56中，在暫停結束時通過DB12.DBW48把該時間值重新賦給定時器T25。

圖3 二段四塔工藝控制流程圖

步進：給一次步進信號，程序自動切換到下一步驟。利用“4COMMAND.AUTO_SKIP4”狀態位來觸發步進控制，就是令該步定時器計時結束從而轉入下一步。

自檢：程序控制系統繼續運行，但程控信號不輸出，程控閥全部處于關閉狀態。利用狀態位“4COMMAND.PROGRAM_CHECK4”來判斷輸出信號是否進入實際的輸出通道“KC-102g”，否則信號輸出到其它中間狀態位“4wincc.KA102G_Wincc”。

自動：程控閥門的開關動作按微機程序自動進行。

手動：程控閥門的開關狀態在微機操作鍵盤上手動給定。

3 結論

自遼河油田的該二氧化碳生產裝置成功投入使用以來，系統運行穩定、可靠，達到了工藝要求，二氧化碳的生產率較高，同時對尾氣進行了合理處理，從而有效的保護了環境。此套生產裝置于2007年投入運行以來，運行結果表明，該套系統的控制方案合理，控制效果良好，極大的提高了生產效率，降低了生產成本，而且操作直觀、簡便，受到了用戶的好評。

[1]西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子 S7-300 PLC(第 2版).北京：北京航空航天大學出版社,2006.

[2]西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子Wincc V6(第2版).北京：北京航空航天大學出版社,2006.