車用尿素溶液自動化生產設備的控制系統設計

劉 皓,陳海虹,袁 森

(1.貴州大學機械工程學院,貴陽 550025;2.貴州理工學院機械工程學院,貴陽 550003)

0 引言

近年來,我國多個城市空氣質量下降,出現了霧霾天氣,使我國約有1/7 的面積遭遇生態災難[1]。 我國空氣污染主要來源于機動車尾氣污染。 其中,重型柴油車尾氣污染是機動車大氣污染排放的主要來源[2-3]。為了降低重型柴油車尾氣污染,通常對汽車增加選擇性催化劑反應系統(selective catalytic reduction,SCR),將車用尿素溶液作為還原劑添加到系統中,使尾氣中的氮氧化物(NOx)還原成氮氣(N2)和水(H2O),從而達到減排的目的[4-5]。 目前,國內外車用尿素溶液的生產方式分為尿素熔融液體直接生產和尿素顆粒溶解生產兩種。 在國內,車用尿素溶液生產由中小型民營企業主導,采用尿素顆粒溶解生產方式。 其工藝是以高純尿素顆粒為原料,添加超純水,將其充分攪拌溶解并達到工藝濃度要求(31.8%～33.2%)。 其優點是投資少,生產靈活[6-7]。 目前,國內采用尿素顆粒進行生產的設備自動化程度低,在生產溶解過程中產生結晶現象。 同時,因沒有實時數據,僅憑經驗去判斷攪拌時間,會造成攪拌后濃度不達標、生產精度不高。 為此,本文設計了一種基于可編程邏輯器(programmable logic controller,PLC)的車用尿素溶液自動生產控制系統,以實現生產自動化控制,降低人力成本,提高生產效率和精度。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統整體結構

該系統主要由集成控制室、填料裝置以及攪拌裝置3 個部分組成。 系統整體結構如圖1 所示。

圖1 整體結構簡圖Fig.1 Sketches of overall structure

集成控制室主要由PLC、通信模塊和控制電箱等組成。

填料裝置包括了超純水制備系統、超純水抽取系統和高純尿素稱取系統。 超純水制備系統采用雙級反滲透(reverse+osmosis,RO)去離子(electrodeionization,EDI)的工藝,主要由預處理、RO 和EDI 等單元組成,具有操作簡單、成本低等特點[8]。 制取后的超純水抽取到超純水儲存罐內,由管道、電磁閥、流量傳感器以及水泵組成超純水抽取系統。 高純尿素稱取系統由抽料機連接輸運管配合電子秤,對尿素罐內高純尿素進行精確填料。

攪拌裝置由攪拌系統、加熱系統和反應釜組成。攪拌系統由變頻器、攪拌機和減速器組成,可對攪拌速度進行選擇性調節。 加熱系統包括固態繼電器、加熱棒以及溫度傳感器。 系統通過對超純水和尿素總重量的精確控制,保證了溶液濃度的精確性。 用戶可以通過集成控制室觀察設備的當前運行步驟和實時數據,操作簡單方便,符合工廠生產系統要求。

1.2 系統工作原理

自來水首先進入雙級RO 單元。 其中包括了預處理階段,即經過多介質過濾器和活性炭過濾器,有效去除水中有機物、濁度、色度和余氯等。 然后進入雙級RO 階段。 其原理是以壓力差為推動力,對膜一側的料液施加壓力。 當壓力超過它的滲透壓時,溶劑會逆著自然滲透的方向作反方向滲透,從而把溶液中的溶劑分離出來。 該階段可去除水中99%以上的懸浮物、膠體和98%以上的溶解鹽,以及大部分微生物和各類有機物(total organism carbon,TOC)。 經過兩次的RO過濾,可以得到更純凈的水。 隨后進入EDI 單元。 其原理是電滲析和離子交換技術的結合,可對水連續進行深度脫鹽。 最后進入精處理階段。 經由紫外殺菌器、拋光混床和精密過濾器,進一步提升水質,達到超純水的水質要求。 將超純水和高純尿素顆粒抽取到反應釜內進行攪拌溶解,其溶解速度會因溫度加熱和攪拌速度的增大而增快。

由于尿素易溶于水,當高純尿素和超純水溶解時會發生吸熱反應,使得溶液溫度下降。 溶液溫度下降到結晶點時會發生結晶,從而影響生產。 圖2 為尿素溶液濃度與結晶溫度的關系圖[9]。 當溶液濃度低于32.5%時,其結晶點溫度隨著濃度增加而降低。 在生產中,當工作環境溫度較低時,溶液溫度在攪拌過程中會下降到結晶點,進而出現結晶現象。 從防止結晶和提高溶解速度兩個方面考慮,系統采用比例積分微分(proportial integral differential,PID)溫度控制系統。

圖2 尿素溶液濃度與結晶溫度的關系圖Fig.2 Relationship between urea solution concentration and crystallization temperature

PID 控制系統具有穩定性好、可靠性高、參數易調整等特點,在工業控制中應用廣泛[10-11]。 圖3 所示為PID 控制系統原理圖。 其根據給定值r(t)與實際反饋值y(t)之間的偏差值e(t),對偏差值進行比列、積分和微分計算,并通過線性組合得出控制量u(t),對被控對象進行控制。

圖3 PID 控制系統原理圖Fig.3 Principle of PID control system

PID 控制系統的計算式如下:

式中:Kp為比例增益;Ti為積分時間;Td為微分時間。

溫度傳感器將采集到的實際溫度通過4～20 mA電流輸入模擬量,經PLC 內部A/D 模塊可自動轉換成5 530～27 648 的數字量,利用PLC 內部運算模塊將數字量換成實際溫度,實現溫度在線監測。 將實際溫度輸入至PID 算法,經PID 計算后輸出脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)至固態繼電器,繼而控制加熱器的通斷,實現對溶液加熱溫度的穩定控制。

2 控制系統設計

2.1 硬件系統構建

控制系統的硬件主要由控制模塊、人機交互界面、數據采集模塊、控制對象四部分組成。 控制系統結構如圖4 所示。

圖4 控制系統結構簡圖Fig.4 Sketch of control system structure

控制模塊以PLC 為控制核心,通過采集數據模塊的模擬量信號進行程序控制,且與人機交互界面進行串口通信,完成實時監測與操控。 根據控制系統的I/O 端口數、功能性,對PLC 進行選型。 為滿足要求,選擇了西門子S7-200 SMART 系列的ST30 型PLC,并增加了AM06 模擬量模塊以及RS-485 信號板。

人機交互界面選用WEINVIEW 觸摸屏,型號為MT6102IQ,可通過RS-485 串口與PLC 進行通信。 其具有豐富的界面設計功能,且采用10.2 英寸(1 英寸=25.4 mm)的液晶顯示屏,現場操作十分方便。 數據采集模塊由液位傳感器、流量傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器以及濃度傳感器組成。

PLC 端口分配如表1 所示。

表1 PLC 端口分配Tab.1 PLC port allocation

PLC 通過RS-485 信號板與液位傳感器、稱重傳感器、濃度傳感器進行連接,采用Modbus 通信協議進行通信。 液位傳感器和溫度傳感器與PLC 模擬量模塊相連接。 繼電器、交流接觸器、開關電磁閥組成了控制對象。

控制系統電路如圖5 所示。

圖5 控制系統電路簡圖Fig.5 Sketch of control system circuit

2.2 系統控制策略

目前,尿素顆粒溶解生產工藝流程為:提前制備好超純水并存放到超純水罐內;根據生產總量要求將超純水抽取到反應釜,通過反應釜側邊液位計進行定量;隨后,向反應釜內加入稱重好的高純尿素,同時進行加熱攪拌;估測攪拌時間后手動測量溶液濃度,判斷濃度是否達標。 若不達標,則手動添加物料,直到達標后才停止加熱攪拌,并將成品抽取到溶液儲存罐。

對以上流程進行優化,設計自動控制系統。 自動控制系統運行時,影響溶液濃度的主要因素是對原料添加的精準控制。 因此,為保證原料添加精準以及生產原料配制方便,將自動控制系統分為自動制備超純水程序、自動生產條件滿足程序和自動生產程序。 在自動制備超純水程序中,制備的開關由超純水存儲罐內液位傳感器的液位數據進行控制。 當液位低于設定的停止液位時,會不斷地進行超純水的制備,直到到達停止液位,從而保證了充足的超純水儲存量,實現了超純水原料配制智能化。 自動生產條件滿足程序是進行自動生產的前提條件。 系統接收觸摸屏輸入的生產總量后計算得出生產原料所需量,然后將由采集到的超純水儲存罐內液面數據轉化計算得到的重量數據(這個數據不需要精確,只是作為超純水儲存量的參考值)以及高純尿素儲存罐內尿素重量數據。 將這些數據與生產所需量比較,判斷是否滿足條件,從而確保了在生產過程中的原料添加連續性和生產高效率。 當不滿足條件時,系統會發出原料不足報警,進入原料配置等待區。 此時,需將高純尿素儲存罐添加滿或者等待超純水制備。 當滿足生產所需量后,自動生產條件達標,進入自動生產程序。

局部控制系統流程如圖6 所示。

圖6 局部控制系統流程圖Fig.6 Flowchart of part control system

自動生產程序流程如圖7 所示。

圖7 自動生產程序流程圖Fig.7 Flowchart of automatic production procedure

進入自動生產程序后,會先將超純水所需量的10%抽取到反應釜內,隨后抽取超純水和高純尿素,并將加熱系統和攪拌系統同步打開。 控制系統將采集的已抽取超純水的累計流量與生產所需量進行比較。 開始抽取時,將尿素重量數據和當前尿素重量數據的差值與生產所需量進行比較,當達到生產所需量時停止抽取原料。 之后系統進入濃度判斷程序。 濃度傳感器測量精度為±0.1%,則當溶液濃度在5 min 內波動不超過±0.1%時,將此時濃度數據與生產工藝數據進行比較。 若不達標,系統進入自動增料步驟,計算出需補添的超純水或尿素重量數據。 重復以上操作后再次進行比較,直到溶液濃度達標,系統停止反應釜加熱攪拌,將成品抽取到溶液儲存罐內。

車用尿素溶液存儲溫度為-5～ +35 ℃。 超過35 ℃時,使用前需要進行檢測。 因此,從生產效率和存儲要求兩方面考慮,系統在自動生產中分為正常和高效兩種生產模式。 在正常模式下,以25 ℃加熱溫度和23.7 r/min 攪拌轉速進行生產控制;在高效模式下,以30 ℃加熱溫度和33.2 r/min 攪拌轉速進行生產控制。 系統默認以正常模式運行,用戶可根據生產要求,對生產模式進行選擇。

2.3 人機交互界面設計

使用EBPRO 軟件對WEINVIEW 觸摸屏進行人機界面設計。 整體操作界面設計主要包含7 個部分,分別是登錄界面、機器運行界面、數據監控全局界面、報警事件界面、生產數據記錄界面、自動模式界面和手模式界面。 首先,需要經過登錄界面才能進入操作界面。 登錄界面根據操作人員的屬性分為普通用戶和操作用戶兩個類型,需分別設置不同的登錄密碼。 普通用戶只能查看機器運行情況以及數據監控信息。 操作用戶具有所有功能的權限,可以按需配置生產總量,設置溶液加熱溫度和攪拌速度2 個運行參數,查看報警事件記錄(包括電機超負荷運行報警和生產原料不足報警2 種報警事件),查看生產數據記錄(會顯示最近7 天的生產記錄,需要每個星期進行數據導出)。 數據監控全局界面可在除登錄界面外的所有界面上顯示,并實時地觀察當前采集的數據情況。 操作用戶根據需求,可以進入自動模式界面和手動模式界面,對生產工藝進行操作。

2.4 溫度控制系統設計

部分程序如圖8 所示。

圖8 部分程序圖Fig.8 Part of the program

在溫度控制程序編輯中,首先設置PID 回路向導,將輸出選擇為數字量,循環時間設置為10 s,完成向導設置后編輯程序。 使用PID 控制面板,選擇自動調整模式,Kp、Td、Ti三個參數會進行自整定。 當輸出值達到理想值時,Kp為21.4,Td為0.1 min,Ti為0.2 min。將其更新到程序中,便完成了參數調整。

3 試驗設計的系統

系統于2020 年7 月在貴州云山環保再生循環科技有限公司搭建成功并進行試驗。 為了驗證自動控制系統的可靠性和生產效率,首先利用設備進行自動化生產,將成品后的溶液濃度與工藝要求(31. 8% ～33.2%)進行比較,判斷是否達標。 溶液合格率如表2所示。

表2 溶液合格率Tab.2 Solution acceptance rate

由表2 可知,所生產的溶液濃度達到了工藝要求,合格率為100%。 用原有生產方式和優化后自動生產方式分別進行了10 次生產試驗。 在相同的攪拌速度和加熱溫度下分別生產1.0 t 和1.5 t 車用尿素溶液,并比較兩種生產方式下的平均生產時間。

優化前后平均生產時間對比如表3 所示。 由表3可知,生產1.0 t 溶液時,優化后的自動方式平均生產時間較原有方式平均生產時間減少了24.4 min,提高了大約25%的生產效率。 當生產1.5 t 溶液時,優化后的自動方式平均生產時間較原有方式的減少了38.2 min,提高了大約25%的生產效率。

表3 優化前后平均生產時間對比Tab.3 Comparison of average production time before and after optimization

為了驗證高效模式比正常模式的生產效率更高,自動控制系統分別以高效模式和正常模式總共進行10 次試驗。 高效模式和正常模式下的平均生產時間對比如表4 所示。

表4 高效模式和正常模式下的平均生產時間對比Tab.4 Comparison of average production time between high efficiency mode and normal mode

由表4 可知,生產1.5 t 溶液時,在高效模式下,平均生產時間較正常模式下的減少了10.6 min,提高了大約9%的生產效率。

4 結論

本文設計了一種基于PLC 的車用尿素溶液自動生產控制系統,實現了系統的精準控制和可靠運行。

系統采用觸摸屏作為人機交互界面,實現了生產進程可視化、數據顯示過程化,且能夠按需配置查看生產記錄,具有人性化特點。

自動控制系統控制精度高,較原有生產方式提高了25%的生產效率,并且增加了高效和正常兩種生產模式供用戶選擇,滿足了不同的生產需求。