DCS控制系統(tǒng)在分子蒸餾生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

2012-07-09 01:44:28唐重和劉克平孫天放吳忠偉

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2012年2期

唐重和，劉克平，金晶，孫天放，吳忠偉

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引言

分子蒸餾技術(shù)（Molecular Distillation）［1］是伴隨著真空技術(shù)和真空蒸餾技術(shù)發(fā)展起來的一種液－液分離技術(shù)，從其原理上看，它又根本區(qū)別于常規(guī)的蒸餾技術(shù)，具備許多常規(guī)蒸餾無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1）分子蒸餾的操作溫度較低、操作真空度高。因?yàn)榉肿诱麴s是依據(jù)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別將物質(zhì)分開，因而可在低于混合物的沸點(diǎn)下將物質(zhì)分離。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其操作壓強(qiáng)很低，一般為0．13～1．33Pa，這又進(jìn)一步使物質(zhì)的沸點(diǎn)得到大大地降低。一般來說，分子蒸餾的分離溫度比傳統(tǒng)蒸餾的操作溫度低50～100℃。因此，分子蒸餾可在遠(yuǎn)低于混合物沸點(diǎn)的溫度下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。

2）受熱時(shí)間短。在分子蒸餾器中的受熱液體被強(qiáng)制分布成薄膜狀，其厚度一般為0．5mm左右，加之設(shè)備的持液量很小，因此，物料在分子蒸餾器內(nèi)的停留時(shí)間很短，一般幾秒至十幾秒，使物料所受到的熱損傷極小。很好地保護(hù)了被處理物料的顏色和特性品質(zhì)，使得用分子蒸餾精制的產(chǎn)品在品質(zhì)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)真空蒸餾法生產(chǎn)出的產(chǎn)品。

3）分離程度高。分子蒸餾與常規(guī)蒸餾相比，有更高的相對(duì)揮發(fā)度，分離效率高。這些優(yōu)點(diǎn)使得聚合物可與單體及雜質(zhì)進(jìn)行更有效地分離。

4）工藝清潔環(huán)保。分子蒸餾技術(shù)不使用任何有機(jī)溶劑，不會(huì)產(chǎn)生任何污染，被認(rèn)定為一種溫和的綠色操作工藝。

為了提高生產(chǎn)過程的產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性，對(duì)原分子蒸餾設(shè)備進(jìn)行改造，這對(duì)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化連續(xù)作業(yè)控制提出了更高的要求，也為提高分子蒸餾設(shè)備生產(chǎn)五味子及其它產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

1 生產(chǎn)過程的工藝流程

針對(duì)DCH－300分子蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行建立三級(jí)的DCS過程控制系統(tǒng)，由于DCH－300屬于三級(jí)真空分離系統(tǒng)，對(duì)一般物料可以一次性處理完畢，依靠連接在管道上的輸送泵可以完成連續(xù)蒸餾。

液料放入原料罐被計(jì)量泵抽取。泵用穩(wěn)定流量輸送物料，經(jīng)過管道被送入降膜器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)分配器，在離心力的作用下，被甩向夾套加熱室內(nèi)壁，這時(shí)物料液體受重力的作用，沿著內(nèi)壁向下流動(dòng)。與此同時(shí)，裝在轉(zhuǎn)軸上的刮板把料液刮成薄膜，這樣料液受加熱而蒸發(fā)，由于在重力及離心力的作用下不斷地更新液膜。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論可知，液體混合物的分子受熱后運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，當(dāng)接受到足夠的能量時(shí)，輕組分首先就會(huì)從液面溢出而成為氣體分子，當(dāng)氣體分子逸出碰到內(nèi)冷凝列管時(shí)，瞬即從氣體變?yōu)橐后w并被柱下氣相罐收集，重組分因達(dá)不到逸出溫度，而仍然以液體狀態(tài)流出蒸餾柱，由液相罐收集。

分子蒸餾生產(chǎn)過程工藝如圖1所示。

圖1 分子蒸餾生產(chǎn)過程工藝圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

DCH－300設(shè)備由3大部分組成：

1）前級(jí)脫氣。由原料罐和蒸發(fā)器冷凝器及管道組成。

2）分子蒸餾。由短程蒸發(fā)器和冷凝器及管道組成。

3）分子蒸餾。由短程蒸發(fā)器和冷凝器及管道組成。

原手動(dòng)控制系統(tǒng)由3個(gè)分離器、儀表回路、制冷機(jī)、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和互相連接的泵與物料管道組合成一套的裝置，控制各級(jí)油溫由PID儀表完成。對(duì)其進(jìn)行改造，利用其三級(jí)過程結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)一臺(tái)PLC進(jìn)行控制，并集中傳遞給上一級(jí)PLC，再由最上一級(jí)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)分子蒸餾過程的三級(jí)DCS控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分子蒸餾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DCS分子蒸餾過程控制系統(tǒng)［2］硬件包括PLC、觸摸屏、計(jì)算機(jī)、傳感器及執(zhí)行器等，分成控制站、操作站、網(wǎng)絡(luò)硬件等。采用3臺(tái)西門子S7－300PLC［3］分別控制第一級(jí)薄膜蒸發(fā)器、第二級(jí)分子蒸餾、第三級(jí)分子蒸餾，加上現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及HART變送器組成底層控制站的硬件設(shè)備；通過觸摸屏以人機(jī)界面的方式顯示被控對(duì)象的過程，動(dòng)態(tài)顯示分子蒸餾生產(chǎn)過程，與第二層S7－300 PLC組成操作站；在最上層由計(jì)算機(jī)構(gòu)成信息管理網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高級(jí)管理算法，并遠(yuǎn)距離控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。DCS控制系統(tǒng)主要監(jiān)控的對(duì)象有蒸發(fā)器內(nèi)壓力、蒸發(fā)器內(nèi)溫度、料位傳感器、進(jìn)料的質(zhì)量流量、夾套溫度等。監(jiān)控系統(tǒng)硬件由PLC的電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模塊、操作站和網(wǎng)絡(luò)路由及其它部件構(gòu)成。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)DCH－300分子蒸餾過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)系的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)分子蒸餾設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為給操作人員以全新良好的人機(jī)界面的操作方式，利用西門子WinCC flexible［4－5］對(duì)整個(gè)工藝過程進(jìn)行圖形化、動(dòng)態(tài)化，這樣不僅操作簡(jiǎn)單、界面友好，并且軟件的功能齊全，提供了設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)。

在生產(chǎn)過程及設(shè)備檢修中，有可能出現(xiàn)3種情況：

1）DCH－300設(shè)備中的蒸發(fā)器都是負(fù)壓設(shè)備，如果出現(xiàn)真空度不能達(dá)到生產(chǎn)需要，當(dāng)需要檢修時(shí)，充氣體使蒸發(fā)器內(nèi)部出現(xiàn)正壓找尋出氣口時(shí)，可能會(huì)發(fā)生事故；

2）蒸發(fā)器內(nèi)溫度過高很可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過熱，出現(xiàn)漏點(diǎn)，使產(chǎn)品產(chǎn)生膠狀物；

3）蒸發(fā)器內(nèi)溫度過低或真空度達(dá)不到需求時(shí)，會(huì)使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。

為保證分子蒸餾DCH－300設(shè)備的安全生產(chǎn)，要求蒸發(fā)器內(nèi)壓力（真空度）、蒸發(fā)器內(nèi)溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)溫度及壓力進(jìn)行在線實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控，并進(jìn)行歸檔記錄［6－7］。有效監(jiān)視該生產(chǎn)過程的溫度及壓力情況，并以直觀的形式表示出來，同時(shí)給出報(bào)警提示，方便了操作員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。分子蒸餾過程組態(tài)如圖3～圖5所示。

圖3 DCH－300第一級(jí)薄膜蒸發(fā)器組態(tài)圖

圖4 DCH－300第二級(jí)分子蒸餾器組態(tài)圖

圖5 DCH－300第三級(jí)分子蒸餾器組態(tài)圖

實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線也運(yùn)行于HMI設(shè)備，HMI設(shè)備采用的是Windows CE操作系統(tǒng)［8］。傳感器將被控變量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC中的模擬量輸入模塊，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后給底層S7－300PLC，再經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊傳遞給過程控制層中，S7－300 PLC與HMI可以直接通信，保證了集散控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)器實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控如圖6所示。

4 結(jié) 語

由PLC組建的DCS控制系統(tǒng)在很多工業(yè)控制上得到了成功應(yīng)用。DCS分子蒸餾控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行以來，可靠、穩(wěn)定、各種功能齊全，如信號(hào)處理及采集、模擬量數(shù)字量的處理、數(shù)據(jù)通信、硬件電氣、軟件程序連鎖以及人機(jī)操作界面等。通過對(duì)系統(tǒng)的改造，使得操作員能對(duì)控制量進(jìn)行方便地控制，確保了分子蒸餾生產(chǎn)工藝流程的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了操作員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)備的可靠性，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究提供了良好的平臺(tái)。

圖6 蒸發(fā)器實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控圖

［1］連錦花，孫果宋、雷福厚．分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用［J］．化工技術(shù)與開發(fā)，2010，39（7）：32－39．

［2］ DCS控制系統(tǒng)在甲醛生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2011，38（8）：982－984．

［3］劉楷，周海．深入淺出西門子S7－300PLC［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

［4］西門子（中國(guó)）有限公司．深入淺出西門子人機(jī)界面［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［5］廖常初．西門子人機(jī)界面［M］．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［6］張德江，和紅梅，孫曉暉．先進(jìn)控制技術(shù)在DCS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（4）：361－365．

［7］史文樹，尤文，于明．熱泵蒸餾的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用［J］．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（5）：523－527．