制氧機PLC控制系統的設計和組態仿真

胡峻碩 董海兵 曾德寶 王秋燕

摘 要：變壓吸附制氧是指采用沸石分子作為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理來獲取氧氣。在一定壓力下，空氣的氧、氮在分子篩空隙中具有不同的擴散速率，人們可以利用這一現象達到分離空氣的目的。本文研究了采用變壓吸附方法制備高純氧的制氧機工藝，并對其自動控制系統進行設計。通過分析自動控制系統的控制邏輯可知，制氧機可以通過西門子公司的可編程邏輯控制器S7300來控制多個閥門，以實現循環制氧。本文對控制系統進行硬件和軟件設計，并通過編程軟件STEP7的PLCSIM仿真模塊與組態軟件WINCC6.0進行離線模擬仿真和組態監控。實踐證明，該控制方案良好，能達到實際要求。

關鍵詞：制氧機;可編程邏輯控制器;PLCSIM;WINCC6.0;仿真;監控

中圖分類號：TF345.05 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0018-03

Abstract： Pressure swing adsorption oxygen production refers to the use of zeolite molecules as adsorbents， using the principle of pressure adsorption and decompression desorption to obtain oxygen. Under a certain pressure， the oxygen and nitrogen of the air have different diffusion rates in the molecular sieve voids， people can use this phenomenon to achieve the purpose of separating air. In this paper， the technology of oxygen generator for preparing high-purity oxygen by pressure swing adsorption method was studied， and its automatic control system was designed. By analyzing the control logic of the automatic control system， it can be known that the oxygen generator can control multiple valves through the programmable logic controller S7300 of SIEMENS to realize circulating oxygen. This paper carried on the hardware and software design to the control system， and carried on off-line simulation simulation and configuration monitoring through the PLCSIM simulation module of the programming software STEP7 and the configuration software WINCC6.0. Practice has proved that the control scheme is good and can meet actual requirements.

Keywords： oxygen machine;PLC;PLCSIM;WINCC6.0;simulation;monitoring

自發明以來，變壓吸附分離技術被廣泛地應用于氣體混合物的分離精制，比如，其在制氧機控制系統中就有大量應用。變壓吸附制氧系統是以沸石分子篩為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氧氣的自動化設備[1]。沸石分子篩是一種經過特殊的孔型處理工藝加工而成且表面和內部布滿微孔的球形顆粒狀吸附劑，呈白色。其孔型特性使其能夠實現氧、氮的動力學分離。沸石分子篩對氧、氮的分離作用是基于這兩種氣體的動力學直徑的微小差別，氮分子在沸石分子篩的微孔中有較快的擴散速率，氧分子擴散速率較慢。壓縮空氣中的水和二氧化碳的擴散同氮相差不大，最終從吸附塔富集出來的是氧分子。變壓吸附制氧正是利用沸石分子篩的選擇吸附特性，根據加壓吸附、減壓解吸的循環周期，使壓縮空氣交替進入吸附塔來實現空氣分離，從而連續產出高純度的產品——氧氣[2]。

1 制氧機的控制過程

變壓吸附制氧機正是根據變壓吸附原理，采用高品質的沸石分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取氧氣[3-4]。一般在制氧機系統中設置兩個吸附塔，一個塔吸附產氧，另一個塔脫附再生，通過PLC程序控制器控制氣動閥的啟閉，使兩塔交替循環，以實現連續生產高品質氧氣的目的[5]。整套系統由以下部件組成：壓縮空氣凈化組件、空氣儲罐、氧氮分離裝置和氧氣緩沖罐。

制氧機的工作過程為：啟動空壓機，使空氣通過一級過濾器后進入冷干機，去除氣體水分，降低氣體溫度;當冷干機出氣溫度小于設定值時，使氣體進入二級過濾器，經過兩次過濾后進入氣柜;當氣柜壓力達到設定值時，氣體進入A塔、B塔中進行變壓吸附，使空氣中的氮氣等雜質被塔中的分子篩吸附，分離出純凈的氧氣[6]。

在制氧機工作過程中，冷干機的進氣壓力、出氣溫度以及氣柜壓力是重要的控制參數。為防止冷干機空載燒毀線圈，只有在進氣壓力達到設定值時才能啟動冷干機。在工作過程中，若冷干機出氣溫度過高，則需要進行停機處理。為使A塔、B塔內的分子篩吸附效果好，必須使氣柜壓力達到設定值。

2 制氧機控制系統模型

本文根據制氧機的控制過程，建立數學模型。控制對象是AB吸附塔的8個氣動閥。控制方式是采用5組電磁閥。電磁閥分別與儀表空氣和氣動管道閥執行氣缸連接，電磁閥換向，儀表空氣進入汽缸，使氣動閥動作。

控制方案如下：吸附器分A、B兩個，切換操作，AB塔簡圖如圖1所示。F1～F8為8個氣動閥，由圖2可以看出氣動閥與控制其工作的電磁閥的對應關系。電磁閥1導通工作，氣動閥F1、F2動作，B塔開始吸附制氧，制氧時間為[T1];同時要求電磁閥4導通，氣動閥F6動作，A塔排出廢氣，排氣時間為[T2]（[T2]<[T1]）;[T2]時間到時，電磁閥5導通，氣動閥F7、F8動作，A塔與B塔進入調節平衡狀態，平衡時間為[T3]。制氧時間、排氣時間、平衡時間的關系為[T1]=[T2]+[T3]。

注：T1為制氧時間，T2為排氣時間，T3為平衡時間。

由此可知，由于[T1]與[T2]同時定時，因此[T1]與[T3]同時停止定時。此時，A塔、B塔進行交換。電磁閥2導通工作，氣動閥F3、F4動作，A塔開始吸附制氧，制氧時間為[T1];同時要求電磁閥3導通，氣動閥F5動作，B塔排出廢氣，排氣時間為[T2];[T2]時間到時，電磁閥5導通，氣動閥F7、F8動作，A塔與B塔進入調節平衡狀態，平衡時間為[T3]。如此連續交替運行，電磁閥控制時序如圖2所示。

3 制氧機控制系統的實現

制氧機控制系統硬件主要由220 V電源、S7-300 PLC、系統上位機和電磁閥等模塊組成，系統的主控制器是S7-300 PLC，可通過串口與上位機通信，可直接用于驅動電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機啟動器等。因此，系統不需要額外添加電磁閥驅動電路。

設定制氧時間[T1]為20 s，排氣時間[T2]為10 s，平衡時間[T3]為10 s。為編寫系統控制程序，人們要根據系統控制需要，分配I/O點及元器件，并在西門子S7-300系統上進行實物連接，在STEP 7V5.3里進行程序設計。PLC線路連接如圖3所示，用燈泡模擬電磁閥的通斷。

根據系統控制需要，分配I/O點及元器件，如表1所示。

4 制氧機監控系統仿真分析

S7-PLCSIM是西門子公司開發的可編程控制器模擬軟件，它在STEP7集成狀態下實現無硬件模擬，也可以與WinCC flexible一同集成于STEP7環境，實現上位機監控模擬。因此，在沒有實物裝置的條件下，可用PLCSIM進行離線仿真調試，首先進入下位機STEP 7軟件中，點擊圖標，進入仿真界面，如圖4所示。

將硬件組態和程序設計完成以后，設置好通信接口，通過STEP7管理器[7]界面將程序下載到CPU中，進行實物調試運行或者PLCSIM離線仿真。在上位機組態監控軟件WINCC[8]環境里，經過工程建立、驅動連接、變量定義、畫面組態和變量關聯等過程后，可得到制氧機控制系統的上位機組態監控圖，如圖4所示。

系統調試時，把控制程序下載到S7-300 PLC CPU中，使監控程序處于運行狀態，然后在組態好的畫面上點擊擇“激活”，使得組態畫面也進入運行狀態，監控系統開始運行。系統運行過程中，結果記錄顯示、實物與組態畫面是一一對應的，控制效果良好，如圖5所示。

5 結論

本文以制氧機的5組電磁閥為研究對象，在原理分析的基礎上，建立了制氧機控制系統的數學模型，結合制氧機的特點，研究了制氧機在PLC及組態軟件控制下的運行特點，即采用基于PLC的主控制系統對變壓吸附過程進行控制。該控制系統具有操作靈活、可靠性高、通用性好和環境適應能力強等優點。制氧機控制系統利用組態軟件開發，能夠實時地監控時間和電磁閥通斷的變化，系統界面友好，操作方便。對系統進行的離線仿真和實物模擬調試滿足了現場監測的需要，達到了預期目的。

參考文獻：

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