流化床反應器自控系統的設計

劉長春 吳 俊 孫宏國

(鹽城工學院電氣工程學院)

流化床反應器自控系統的設計

劉長春 吳 俊 孫宏國

(鹽城工學院電氣工程學院)

針對影響流化床反應器運行質量的3個重要指標(原料氣流速、溫度和反應器內的壓差)的測量電路、控制電路和報警電路進行設計。原料氣溫度測量采用K型熱電偶與K型熱電偶的專用模數轉換芯片MAX6675的組合，不再進行冷端溫度補償；采用卡曼渦旋式空氣流量傳感器，實現對原料氣流量的測量；反應器內壓差的測量采用由PY209構成的數字氣壓計實現。Proteus軟件仿真結果驗證了該設計的可行性。

自控系統 流化床反應器 電路設計

流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。實現流化床反應器的自動控制，由復雜繁瑣不易操作的手動控制轉變為簡單便利易操作的自動控制，彌補了生產勞動力的不足，同時也徹底解決了由于手動操作不當致使反應器發生過熱或氣體泄漏，對工人造成傷害的問題；可提高生產效率，實現資源的充分利用；同時，加快了企業生產鏈的改革，淘汰落后低效高能耗的手動控制流化床，采用高效節能的自動化流化床反應器，間接地減少了廢渣的產生和廢氣的排放，有利于保護生態環境[1，2]。本課題對流化床反應器的原料氣流速、原料入口溫度和反應器壓差進行測量和控制，以期根據不同生產對象進行自動調整，實現生產過程的自動化。

1 硬件電路設計

流化床反應器自控系統的硬件電路(圖1)由MCU主控電路、溫度測量電路、流量測量電路、壓差測量電路、鍵盤和顯示電路、溫度調節電路和流量調節電路組成。MCU主控電路以單片機為核心，利用溫度傳感器和流量傳感器測量原料氣的溫度和流量，數字氣壓計測量流化床反應器中的壓差。根據不同的反應，3個參數需合理地控制在一定范圍內，一旦出現超出范圍，即利用溫度調節和速度調節對原料氣進行控制，將流化床反應器中的壓差調整到合適范圍。簡易鍵盤和LCD顯示電路對不同反應類型的參數進行設置并進行實時顯示。

圖1 系統硬件電路結構框圖

1.1 溫度測量電路

溫度測量電路(圖2)采用K型熱電偶與K型熱電偶的專用模數轉換芯片MAX6675的組合，不再進行冷端溫度補償[3]。該模塊采用單總線接口，占用單片機I/O口資源少，能方便地與單片機通信，測量范圍0～1 600℃，測溫精度12位。

圖2 溫度測量電路

溫度調節電路主要由光電耦合器和繼電器兩個元件組成。光電耦合器的作用是隔離輸入輸出信號，并且只能單向傳遞信號，具有很高的抗干擾性[4]。繼電器用來控制加熱爐的開斷，當反應器溫度過高時，P1.3端口變為低電平，電路導通，繼電器的觸點閉合，加熱爐停止工作。

1.2 流速測量電路

流速測量電路(圖3)利用卡曼渦旋式空氣流量傳感器，實現對流量的測量且以電子信號(頻率)的形式輸出，在給系統的控制電路傳輸信號時，可以省去AD轉換器。液晶屏上可以顯示流速的大小，并且可以根據不同的應用場合，實現原料氣流速的自動調節。氣流速度調節電路由一個簡單的電機閉環控制系統構成，即當測量得到的氣流速度過高時，單片機通過控制電機的轉速來降低氣流速度，反之提高氣流的速度[5]。

圖3 流速測量電路

1.3 壓差測量電路

壓差測量電路(圖4)由信息采集、數據轉換、信息處理和數據顯示模塊4部分構成。信息采集由PY209構成的數字氣壓計實現，完成壓差向電信號的轉換，最終在液晶顯示器上顯示出正確的氣壓讀數。設計系統具體電路時，需要考慮整體的穩定性、復雜程度、性價比及調試時要考慮的難易程度等因素。

圖4 壓差測量電路

PY209氣體壓差傳感器的測壓范圍-100～100kPa；相應的輸出電壓0～5V(DC)；精度為±0.1%；工作溫度范圍-20～300℃。

1.4 報警電路

如圖5所示，上下限設定電路由5個按鍵組成——確認鍵、-鍵、+鍵、設置溫度鍵、設置壓差鍵和設置流速鍵。設定報警上下限時，先按“設置溫度”、“設置壓差”或“設置流速”鍵，進入溫度、壓差或流速報警設定界面，通過+、-鍵設定報警上下限值[6]。當溫度、壓差低于下限(或高于上限)時蜂鳴器發聲報警。

圖5 報警電路

2 軟件設計

系統軟件設計流程如圖6所示。系統開始運行后，進行相關參數的設置。輸入報警數據的范圍，系統讀取后設置上下限。反應物進行反應時，數據采集裝置(即溫度、流速、壓差傳感器)開始讀取數據并顯示在LCD屏上。此時系統判斷采集數據是否在設置范圍內，若超出范圍則啟動報警系統，同時繼續采集數據。報警系統啟動后，進行流速、溫度和壓差相關量的控制。調節后再重復上述過程，直至反應過程結束。

圖6 系統軟件總體流程

3 仿真

3.1 顯示部分

系統的仿真用電位器和可調電源來模擬溫度和壓差的變化。按下“溫度設置”鍵后進入溫度報警設置界面，“up”的后面可設置最高溫度報警值，“down”的后面可設置最低溫度報警值。速度和壓差報警設置方法相同。顯示屏中的“T”值表示溫度，“P”值表示壓差，“S”值表示流速。

針對不同情況進行仿真得出不同結果，溫度、流速和壓差的仿真顯示結果如圖7所示。溫度“T”顯示由88℃變為92℃，流速“S”顯示由133m3/h變為146m3/h，壓差“P”顯示由151Pa變為159Pa。該仿真模擬出不同情況下的各參數測量情況，初步驗證了本設計在參數測量方面的可靠性。

圖7 LCD屏數值顯示的仿真結果

3.2 報警部分

按下相應的報警參數值設置按鈕，根據規定的報警數值進行設定。下面以溫度報警為例具體說明：按下“設置溫度”按鈕進入溫度報警設置界面“up”后設定溫度上限值，“down”后設置溫度下限值。按下“溫度報警參數設置鍵”后光標默認在上限值“up”位置處，操作“+”、“-”鍵可進行上限值設置；再按一次“溫度報警參數設置”鍵后光標移至下限值“down”位置處，操作“+”、“-”鍵可進行下限值設置。再按一次“上報警參數設置鍵”即可繼續對上限值修改，下限值可重復此操作進行多次修改。上限值修改好后按“確認鍵”即可保存報警參數值。仿真過程的溫度報警值上限設定為60℃，下限設置為20℃。

設定好報警參數后進行報警仿真，如果所測參數超出報警值上下限，蜂鳴器高電平得電發聲報警，同時LCD顯示屏閃爍提醒相關操作人員，實現了聲光同時報警，這樣能夠及時提醒操作人員進行相關處理，減少事故發生的可能性，從而保證流化床反應器生產過程的安全可靠，并保障車間人員的安全。

4 結束語

流化床反應器自控系統利用單片機作為控制核心，對流化床反應器的溫度、流速和壓差3個參數進行自動測量和調節，當3個參數超過設定范圍時，報警電路會發出報警提醒工作人員進行現場處理。整個反應過程控制更加智能化，可有效提高生產效率，同時也能起到監控預防的作用，以免發生事故造成不必要的損失。

[1] 李明生.一種氣固流化床自動控制加料裝置[J].氯堿工業,2012,48(10):40～42.

[2] 謝騰騰.淺談循環流化床鍋爐系統的儀表選型設計[J].石油化工自動化,2016,52(2): 71～72.

[3] 于希寧,王慧,王東風,等.模糊控制在循環流化床鍋爐床溫控制中的應用[J].華北電力大學學報(自然科學版),2005,32(3):43～46.

[4] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 趙聰聰.氣體流速的測定方法[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):471～473.

[6] 趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京:電子工業出版,2007.

DesignofAuto-controlSystemforFluidizedBedReactor

LIU Chang-chun, WU Jun, SUN Hong-guo
(CollegeofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology)

Considering three important indicators such as the flow velocity, feed gas temperature and the differential pressure that affecting the operating quality of the fluidized bed reactor, their measuring circuit, control circuit and alarm circuit were designed. As for measuring the feed gas temperature, the combination of K-

TH862

A

1000-3932(2017)09-0864-05

2017-02-26，

2017-06-27)

(Continued on Page 872)

劉長春(1995-)，本科生，從事電氣工程及其自動化的研究。

聯系人孫宏國(1967-)，教授，從事電力電子技術及微機應用的研究,s_hguo@163.com。