羅克韋爾自動化產品在VOCs處理系統中的應用

摘要：主要介紹了羅克韋爾RSLogix5000 PLC編程軟件、FactoryTalk View人機畫面編程軟件、EtherNet/IP通信模塊等產品在揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）處理設備——五腔式蓄熱式熱氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）設計中的應用，分析了系統配置和網絡結構，并從軟件設計和硬件設計兩個方面分別敘述了如何成功實現系統關鍵功能。

關鍵詞：VOCs;蓄熱式熱氧化爐（RTO）;人機界面;自動控制

中圖分類號：X701 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.005

0 ? ?引言

空氣中的氣態有害物質，有一部分是揮發性有機化合物（VOCs），它指的是揮發性的碳氫化合物及其衍生物，包括烴類、芳烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、胺類、有機酸等，主要來自于溶劑生產過程或使用溶劑的加工過程中，例如化工和醫藥生產過程，噴漆、涂裝、粘結、金屬清洗過程，氣相膠、半導體和電子工業的生產和加工過程等，對人體及環境危害很大，目前常用的處理方法有吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、燃燒法、等離子體法等。

某項目的VOCs處理采用目前最常用的燃燒法，燃燒法是基于廢氣中有機化合物可以燃燒氧化的特性，其目的是通過燃燒將廢氣中可氧化的組分轉化為無害物質，在廢氣中含純碳氫化合物的情況下，即轉化為二氧化碳和水蒸氣。燃燒法主要有3種類型，即直接燃燒法、蓄熱燃燒法和催化燃燒法，其中蓄熱燃燒法應用最為廣泛[1]。

1 ? ?蓄熱式熱氧化爐

首先介紹蓄熱式熱氧化爐（RTO）及其運行原理。RTO用于凈化生產線產生的VOCs，高溫（870～980 ℃）燃燒其中的碳氫化合物，使它們分解成二氧化碳和水蒸氣，與已凈化的空氣一起排放至大氣。氧化過程是再生的，即如果工藝溫度和溶劑濃度在最佳范圍內，該過程就不需要額外（燃燒器）能量，燃燒器就可以切換到最小或關閉[1]。

圖1所示為五腔RTO提升閥的切換順序，它分為10個步驟，每個陶瓷蓄熱槽（A～E）有5個入口槽、5個出口槽，每30 s，兩個提升閥一個從入口切換到凈化，另一個從凈化切換到出口，提升閥永遠不會直接從入口切換到出口，以避免任何工藝氣體離開氧化爐。在提升閥移動時，進口蓄熱槽中的少量工藝氣體由于氣流中斷而不再到達燃燒室，因此這種空氣不能完全氧化和凈化，這個問題可通過一個特殊的凈化管道來解決。蓄熱槽的入口轉移到凈化，即一個提升閥室的進出提升閥關閉，該室的凈化管路打開，工藝氣體和燃燒室中的一些清潔氣體通過凈化管道（與其他清潔氣體或工藝氣體無任何接觸）被主風機引回到氣體管道系統，并與來自生產線的排氣混合，然后返回到氧化爐進行氧化。30 s后，吹掃管道再次關閉，蓄熱槽用于入口或出口氣體流動。

如果氧化爐燃燒室的溫度過高，則新風風門打開，并向工藝氣體中添加新鮮空氣，直到燃燒室溫度再次達到范圍內;如果該措施沒有達到要求的效果，則氧化爐關閉。如果熱旁通的任何PID回路溫度超過設定值，則熱旁通風門打開，熱旁通系統允許熱空氣直接從燃燒室排放到煙囪;如果該措施沒有達到要求的效果，氧化爐會因溫度過高故障而關閉。

2 ? ?項目說明

某項目風量較大且VOCs濃度較高，最終采用我公司自主研發、有獨立專利的五腔式蓄熱式熱氧化爐（RTO）進行凈化處理，此設備控制系統全部采用羅克韋爾產品，下文進行應用說明。

2.1 ? ?控制系統構成和產品應用特點

2.1.1 ? ?羅克韋爾產品的配置

為保證整個控制系統的穩定性，在設計選型上我公司沿用了一直信賴的羅克韋爾產品。整個系統硬件部分采用羅克韋爾公司生產的安全PLC系列（GuardILogix 1756-L7xS）控制，普通I/O使用1756 I/O，安全I/O使用1734 I/O，遠程通信采用5個1756-EN2T EtherNet/IP通信模塊，人機畫面采用Allen Bradley PanelView Plus 7屏幕，PLC編程軟件采用RSLogix5000，人機畫面編程軟件采用FactoryTalk View。由于該項目設計有11條生產線排入，需要RTO與每一條生產線進行通信，為了保證讀取數據的穩定性，項目采用光纖通信。

2.1.2 ? ?人機界面系統及操作系統

人機界面如圖2所示，它包含了整個系統的運行工藝畫面，最上層是故障顯示畫面，通過點擊指定圖形可以進入詳細控制畫面，例如點擊風門XCV34508，畫面跳轉至該風門的詳細控制畫面。

2.1.3 ? ?工藝PID調節及控制

該項目設備自動化程度高，設備啟動后無須任何人員操作，全部實現自動化控制，此時羅克韋爾PLC的程序控制以及人機界面的人性化操作就顯示出了極大的優勢。PLC根據生產線排放廢氣的壓力控制RTO的主風機速度，同時為了維持系統運行所需要的溫度，通過溫度傳感器控制爐頭開度的大小。不同的過程控制系統中的傳感器、變送器以及執行機構是不一樣的，比如壓力控制系統采用壓力傳感器，溫度控制系統采用溫度傳感器。

過程控制的實現需要借助PID算法，那什么是PID控制呢？比例、積分、微分控制，簡稱“PID控制”，又稱“PID調節”[2]。控制系統原理如圖3所示。

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r（t）與實際輸出值y（t）構成偏差：e（t）=r（t）-y（t），將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。輸入e（t）與輸出u（t）的關系為：

式中：Kp為比例系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;Ki=Kp/Ti，為積分系數;Kd=Kp×Td，為微分系數。

PID算法控制看起來很復雜，但好在羅克韋爾公司提供了集成的PID軟件控制產品，在編程軟件庫里可以找到PID模塊，此模塊的適用范圍非常廣泛，它對于所控制的過程類型是沒有限制的，無論是溫度控制、壓力控制還是流量控制等都適用。

2.1.4 ? ?編程軟件

下面以壓力控制主風機速度為例，簡單介紹使用編程軟件RSLogix5000中的PID模塊的編程過程。

第一步，向內部變量裝載外部變量，將人機畫面輸入的設定值移動到PID模塊里的SP地址內[3]，如圖4所示。

第二步，確認人機界面上的操作模式——自動和手動切換，自動模式為正常工作模式，手動模式為維修時使用模式，如圖5所示。

第三步，調用PID調節模塊（圖6）并輸入相關變量，變量在人機畫面中有詳細的描述，如圖7所示，SP是設定值，PV是過程值，CV則是PID控制器百分比輸出值（0%～100%）;中間為PID操作模式選擇，操作方式可在手動和自動之間切換，手動模式下，CV為固定值輸出，自動模式下，通過控制CV的輸出大小從而控制PV值達到SP值;下面一欄則是調整PID控制器的時間常數和比例值，Gain（P）是比例因子，Reset（I）是積分時間常數，Rate（D）是微分時間常數。

2.2 ? ?設備運行的問題及解決方案

（1）在設備調試開始階段下載PLC程序，遠程模塊都工作正常，只有變頻器無法通信成功，且檢查硬件配置及IP地址設定都正常，然后檢查變頻器通信模塊也未發現異常，內部參數也已正確設定。使用ping命令來檢查網絡，無法通信，更換新的連接網線后通信正常，但運行時還是會出現通信丟失狀況。后檢查判定該問題為通信線要經過變頻器，因而受到電磁干擾所致。重新布線后運行了一段時間，此問題未再出現。

（2）在設備調試中主風機變頻器有偷停現象，檢查了所有外圍硬件都未找到問題所在，于是在PLC程序中增加了上升沿脈沖捕捉程序段，對所有聯鎖點進行監控，即使有毫秒級脈沖也可以捕捉到累加器里。運行一天后在累加器里出現了“1”，最后發現是PLC的數字量輸入模塊有一個通道存在問題，在更換新的通道后問題解決。針對這個問題的處理，RSLogix5000編程軟件指令系統的強大、編程的靈活性等體現得淋漓盡致，給了編程人員很大的幫助。

（3）在設備調試過程中，客戶提出一個安全問題：現在整個系統中風機都是依靠PLC來控制的，如果PLC出現故障，那么風機全部要停機，此時生產線側廢氣無法排出，就會有爆炸危險。經過思考，筆者決定重新設計整個控制系統，風機變頻器既能夠受PLC控制，也可以獨立運行。經過反復研究，筆者設計了新的電氣圖紙并編寫了新的控制程序，硬件上增加了啟動和停止按鈕，連接線路到變頻器的外部啟動回路，完成后測試運行符合客戶要求。

（4）在設備正常運行中發現，當生產線排入風量較低時，會造成整個系統溫度偏高，最終導致排氣溫度過高設備停機，而出口溫度高，操作人員故障復位后設備無法立即啟動，從而影響正常生產。為了解決這個問題，筆者在程序中增加了新的控制，通過壓差傳感器判定風量，在風量較低時打開新風補充風量，降低整個系統的溫度，同時在人機界面上增加PID控制畫面，找到一個最佳的壓力控制點去打開新風風門。針對該問題的處理，羅克韋爾的編程軟件及人機畫面系統給筆者提供了很大的幫助，使筆者能夠用較少的時間去解決問題，讓客戶可以盡快投入生產。

3 ? ?結語

在該項目實際調試的過程中，羅克韋爾產品的靈活性、開放性，編程的可操作性，完善的技術文檔，良好的技術支持，有力縮短了現場調試時間，大大縮減了項目成本。同時，本系統可完全自主監控，并可通過網絡通信技術送達監控室從而實現快速檢修的便捷操作性，這就為日后大批量使用和推廣羅克韋爾產品奠定了良好的基礎。

[參考文獻]

[1] 陸震維.有機廢氣的凈化技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2] 孟華.自動控制原理[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 程周.電氣控制與PLC原理及應用（歐姆龍機型）[M].北京：電子工業出版社，2003.

收稿日期：2021-10-26

作者簡介：付永國（1979—），男，吉林遼源人，工程師，研究方向：蓄熱式熱氧化爐（RTO）自動控制。