引言

空氣中的氣態(tài)有害物質(zhì),有一部分是揮發(fā)性有機(jī)化合物（V0Cs）,它指的是揮發(fā)性的碳?xì)浠衔锛捌溲苌?包括烴類、芳烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、胺類、有機(jī)酸等,主要來(lái)自于溶劑生產(chǎn)過程或使用溶劑的加工過程中,例如化工和醫(yī)藥生產(chǎn)過程,噴漆、涂裝、粘結(jié)、金屬清洗過程,氣相膠、半導(dǎo)體和電子工業(yè)的生產(chǎn)和加工過程等,對(duì)人體及環(huán)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(xiàng)目的V0Cs處理采用目前最常用的燃燒法,燃燒法是基于廢氣中有機(jī)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(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì),在廢氣中含純碳?xì)浠衔锏那闆r下,即轉(zhuǎn)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(yīng)用最為廣泛。

1蓄熱式熱氧化爐

首先介紹蓄熱式熱氧化爐（RTo）及其運(yùn)行原理。RTo用于凈化生產(chǎn)線產(chǎn)生的V0Cs,高溫（870～980C）燃燒其中的碳?xì)浠衔?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(nèi),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(guān)閉[1]。

圖1所示為五腔RTo提升閥的切換順序,它分為10個(gè)步驟,每個(gè)陶瓷蓄熱槽（A～E）有5個(gè)入口槽、5個(gè)出口槽,每30s,兩個(gè)提升閥一個(gè)從入口切換到凈化,另一個(gè)從凈化切換到出口,提升閥永遠(yuǎn)不會(huì)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(dòng)時(shí),進(jìn)口蓄熱槽中的少量工藝氣體由于氣流中斷而不再到達(dá)燃燒室,因此這種空氣不能完全氧化和凈化,這個(gè)問題可通過一個(gè)特殊的凈化管道來(lái)解決。蓄熱槽的入口轉(zhuǎn)移到凈化,即一個(gè)提升閥室的進(jìn)出提升閥關(guān)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(wú)任何接觸）被主風(fēng)機(jī)引回到氣體管道系統(tǒng),并與來(lái)自生產(chǎn)線的排氣混合,然后返回到氧化爐進(jìn)行氧化。30s后,吹掃管道再次關(guān)閉,蓄熱槽用于入口或出口氣體流動(dòng)。

如果氧化爐燃燒室的溫度過高,則新風(fēng)風(fēng)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(dá)到范圍內(nèi);如果該措施沒有達(dá)到要求的效果,則氧化爐關(guān)閉。如果熱旁通的任何0ID回路溫度超過設(shè)定值,則熱旁通風(fēng)門打開,熱旁通系統(tǒng)允許熱空氣直接從燃燒室排放到煙囪;如果該措施沒有達(dá)到要求的效果,氧化爐會(huì)因溫度過高故障而關(guān)閉。

2項(xiàng)目說明

某項(xiàng)目風(fēng)量較大且V0Cs濃度較高,最終采用我公司自主研發(fā)、有獨(dú)立專利的五腔式蓄熱式熱氧化爐（RTo）進(jìn)行凈化處理,此設(shè)備控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾產(chǎn)品,下文進(jìn)行應(yīng)用說明。

2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成和產(chǎn)品應(yīng)用特點(diǎn)

2.1.1羅克韋爾產(chǎn)品的配置

為保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)選型上我公司沿用了一直信賴的羅克韋爾產(chǎn)品。整個(gè)系統(tǒng)硬件部分采用羅克韋爾公司生產(chǎn)的安全pLC系列(GuardILogix1756-L7xs）控制,普通I/0使用1756I/0,安全I(xiàn)/0使用1734I/0,遠(yuǎn)程通信采用5個(gè)1756-EN2TEtherNet/Ip通信模塊,人機(jī)畫面采用AllenBradleypanelViewplus7屏幕,pLC編程軟件采用RsLogix5000,人機(jī)畫面編程軟件采用FactoryTalkView。由于該項(xiàng)目設(shè)計(jì)有11條生產(chǎn)線排入,需要RT0與每一條生產(chǎn)線進(jìn)行通信,為了保證讀取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,項(xiàng)目采用光纖通信。

2.1.2人機(jī)界面系統(tǒng)及操作系統(tǒng)

人機(jī)界面如圖2所示,它包含了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工藝畫面,最上層是故障顯示畫面,通過點(diǎn)擊指定圖形可以進(jìn)入詳細(xì)控制畫面,例如點(diǎn)擊風(fēng)門xCV34508,畫面跳轉(zhuǎn)至該風(fēng)門的詳細(xì)控制畫面。

2.1.3工藝pID調(diào)節(jié)及控制

該項(xiàng)目設(shè)備自動(dòng)化程度高,設(shè)備啟動(dòng)后無(wú)須任何人員操作,全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,此時(shí)羅克韋爾pLC的程序控制以及人機(jī)界面的人性化操作就顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。pLC根據(jù)生產(chǎn)線排放廢氣的壓力控制RT0的主風(fēng)機(jī)速度,同時(shí)為了維持系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)中的傳感器、變送器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的,比如壓力控制系統(tǒng)采用壓力傳感器,溫度控制系統(tǒng)采用溫度傳感器。

過程控制的實(shí)現(xiàn)需要借助PID算法,那什么是PID控制呢?比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱"PID控制",又稱"PID調(diào)節(jié)"[2]。控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值r(1）與實(shí)際輸出值y(1）構(gòu)成偏差:e(1）=r(1）-y(1）,將偏差的比例(P）、積分(I）和微分(D）通過線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。輸入e(1）與輸出u(1）的關(guān)系為:

其傳遞函數(shù)為:

式中:Kp為比例系數(shù);7i為積分時(shí)間常數(shù);7d為微分時(shí)間常數(shù);Ki=Kp/7i,為積分系數(shù);Kd=Kp×7d,為微分系數(shù)。

PID算法控制看起來(lái)很復(fù)雜,但好在羅克韋爾公司提供了集成的PID軟件控制產(chǎn)品,在編程軟件庫(kù)里可以找到PID模塊,此模塊的適用范圍非常廣泛,它對(duì)于所控制的過程類型是沒有限制的,無(wú)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(fēng)機(jī)速度為例,簡(jiǎn)單介紹使用編程軟件4RsLoix5000中的PID模塊的編程過程。

第一步,向內(nèi)部變量裝載外部變量,將人機(jī)畫面輸入的設(shè)定值移動(dòng)到PID模塊里的RP地址內(nèi),如圖4所示。

第二步,確認(rèn)人機(jī)界面上的操作模式一自動(dòng)和手動(dòng)切換,自動(dòng)模式為正常工作模式,手動(dòng)模式為維修時(shí)使用模式,如圖5所示。

第三步,調(diào)用PID調(diào)節(jié)模塊(圖6）并輸入相關(guān)變量,變量在人機(jī)畫面中有詳細(xì)的描述,如圖7所示,RP是設(shè)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(dòng)和自動(dòng)之間切換,手動(dòng)模式下,CV為固定值輸出,自動(dòng)模式下,通過控制CV的輸出大小從而控制PV值達(dá)到sP值:下面一欄則是調(diào)整PID控制器的時(shí)間常數(shù)和比例值,Gain（P）是比例因子,Reset(I）是積分時(shí)間常數(shù),Rate(D）是微分時(shí)間常數(shù)。

圖7PID參數(shù)設(shè)置畫面

2.2設(shè)備運(yùn)行的問題及解決方案

(1）在設(shè)備調(diào)試開始階段下載PLC程序,遠(yuǎn)程模塊都工作正常,只有變頻器無(wú)法通信成功,且檢查硬件配置及IP地址設(shè)定都正常,然后檢查變頻器通信模塊也未發(fā)現(xiàn)異常,內(nèi)部參數(shù)也已正確設(shè)定。使用ping命令來(lái)檢查網(wǎng)絡(luò),無(wú)法通信,更換新的連接網(wǎng)線后通信正常,但運(yùn)行時(shí)還是會(huì)出現(xiàn)通信丟失狀況。后檢查判定該問題為通信線要經(jīng)過變頻器,因而受到電磁干擾所致。重新布線后運(yùn)行了一段時(shí)間,此問題未再出現(xiàn)。

(2）在設(shè)備調(diào)試中主風(fēng)機(jī)變頻器有偷?，F(xiàn)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(duì)所有聯(lián)鎖點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,即使有毫秒級(jí)脈沖也可以捕捉到累加器里。運(yùn)行一天后在累加器里出現(xiàn)了“1",最后發(fā)現(xiàn)是PLC的數(shù)字量輸入模塊有一個(gè)通道存在問題,在更換新的通道后問題解決。針對(duì)這個(gè)問題的處理,RsLogix5000編程軟件指令系統(tǒng)的強(qiáng)大、編程的靈活性等體現(xiàn)得淋漓盡致,給了編程人員很大的幫助。

（3）在設(shè)備調(diào)試過程中,客戶提出一個(gè)安全問題:現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)都是依靠PLC來(lái)控制的,如果PLC出現(xiàn)故障,那么風(fēng)機(jī)全部要停機(jī),此時(shí)生產(chǎn)線側(cè)廢氣無(wú)法排出,就會(huì)有爆炸危險(xiǎn)。經(jīng)過思考,筆者決定重新設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng),風(fēng)機(jī)變頻器既能夠受PLC控制,也可以獨(dú)立運(yùn)行。經(jīng)過反復(fù)研究,筆者設(shè)計(jì)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(dòng)和停止按鈕,連接線路到變頻器的外部啟動(dòng)回路,完成后測(cè)試運(yùn)行符合客戶要求。

(4）在設(shè)備正常運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),當(dāng)生產(chǎn)線排入風(fēng)量較低時(shí),會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)溫度偏高,最終導(dǎo)致排氣溫度過高設(shè)備停機(jī),而出口溫度高,操作人員故障復(fù)位后設(shè)備無(wú)法立即啟動(dòng),從而影響正常生產(chǎn)。為了解決這個(gè)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(fēng)量,在風(fēng)量較低時(shí)打開新風(fēng)補(bǔ)充風(fēng)量,降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度,同時(shí)在人機(jī)界面上增加PID控制畫面,找到一個(gè)最佳的壓力控制點(diǎn)去打開新風(fēng)風(fēng)門。針對(duì)該問題的處理,羅克韋爾的編程軟件及人機(jī)畫面系統(tǒng)給筆者提供了很大的幫助,使筆者能夠用較少的時(shí)間去解決問題,讓客戶可以盡快投入生產(chǎn)。

3結(jié)語(yǔ)

在該項(xiàng)目實(shí)際調(diào)試的過程中,羅克韋爾產(chǎn)品的靈活性、開放性,編程的可操作性,完善的技術(shù)文檔,良好的技術(shù)支持,有力縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間,大大縮減了項(xiàng)目成本。同時(shí),本系統(tǒng)可完全自主監(jiān)控,并可通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)送達(dá)監(jiān)控室從而實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)。

20220315_6230b10846ae0__羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品在V0Cs處理系統(tǒng)中的應(yīng)用