基于PLC的硬脂酸钙反应釜监控系统设计.pdf

、业 自 动 化 基于 P L C的硬脂酸钙反应釜监控系统设计 中圈 分类 号T P 2 7 7 孙祥 国，杨 大志 ，廖 映华 四 川理工 学院机械 工程 学院， 四川 自贡 6 4 3 0 0 0 于 P L C的硬脂酸钙反应 釜监控系统 的功能 要求 ，介绍 了监控 系统的硬件系统 的选 型和设计 ，同时介绍 了软件 实际跟踪运行结果表 明，该监控 系统运行 平稳 可靠 ．节约了能耗 ．明显地提高了经济效益。 应釜 监控系统 ；P L C 文献标识码 B 文章编 号1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 o ．1 2 0 0 8 0 - 0 2 1引 言 智能监控 系统 已广泛应用 于各行各 业 ．比如煤矿 矿井 瓦斯监控系统 ，蔬菜 大棚智能监控 系统 ，化 工过程监控 系 统等 。近 年来 ， “ 低碳 ” 已逐 渐深 入我 们 的工 作 和生 活 中 ，但 是 在 工 业 生 产 中 ，在 一 些 老 的 、 旧 的 生 产 企 业 或 车 间 ，还存在部分能耗 高 、污染较重 、工艺落 后的设备 ，如 果弃之不用 ，则损失较 大 。如果继 续用 ．则会产生较高 的 运行成本 、较重 的污染和能耗 。如何解决 这些问题 ，已成 为这些企业 当前 面临 的重要课题 。笔者走访 了部分这些 老 企业 ，针对这些问题进行 了详细 的调 查 ，重点对 上世纪八 九十年代 的化工企业 的反应 釜 、反应塔 、干燥设 备等一些 化 工设备进 行 了详 细调查 ，普遍 存在 能耗 高 、工 艺落 后 、 操 作复杂 、自动化程度低 的现象 ．其中还有部 分是手动操 作 ，工人劳动强度大 ，工 作环境恶 劣 ．劳动 效率低下 ，企 业 面 临 被 淘 汰 。工 人 面 临 下 岗 的局 面 。 基 于 某 化 工 企 业 的 要求 ，作者对 该企 业的硬脂酸钙 反应釜增加 了智 能监 控系 统 ，增加 了安 全性 ，降 低 了工 人 的劳 动强 度 ，节 约 了能 耗 ，明显地提高 了经济效益 。 2系统 分 析 该反应釜主要是应用于生产硬脂酸钙 ，其化学 反应 2 Cl 7 H3 5 COOH C a OH 2 Cl 7 H COO 2 Ca 2 H2 0。 在一 定温 度 、浓 度时 ，在催 化 剂作 用下 ，进行 化学 反应 ．生 成硬脂 酸 钙 ．在这 个 反应 中 主要 控制 的是 反 应 温度 、进 料量 、反 应釜 的液位 高度 、反应 时 间 、电阻 丝 加 热 器 、放 料 口 阀 等 。 在 这 个 反 应 过 程 中 ， 反 应 温 度 、 进料 量 、反 应釜 的液 位 高度 是关 键 。在 改造 前 ，是 人 工 手动 操作 ，如 果温 度超 过 8 O ℃ ，就 会迅速 沸腾 溢 出 ，操 四J I I 省人工智能重点实验室开放基金项 目 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 1 4 编 号 2 0 0 9 R Y 0 0 2 作 工 人 稍 不 留 心 或 慢 一 点 就 会 发 生 反 应 液 溢 出 ， 而 且 这 是经 常发生 的事 ，同时 ，温度 必须 达到 7 8 q C 才 能使 反应 达到 良好 的效 果 ，因此 ，温 度控 制 十分 困难 。再 有 就是 液 位高 度 ，要 求液 位 高度误 差 为l 5 m m。进 料也 是 关键 ， 主要是 硬脂 酸 、氢氧 化钙 、水 、催 化 剂的量 和它 们 的 比 例 ，如 果 比例精 度不 高 ，就达 不到 质 量要求 。进 料 量及 其 比例 都是 由工 人手 工完 成 ，_丁人 在 人工称 重 时 ，劳动 强度 大 ，而 且 往往 很 难达 到 比例要 求 ，质量 很 难控 制 。 基于综 合考 虑 ，设计 的智 能控 制 系统 要控 制 的物理 量如 表 l 。 表 l 智能控制 系统被控 参数 3硬 件设计 由前 面 的系统 分 析可 知 ，系统需 要 监测 温 度 、液位 工业 自 等 ，同时需要控制加热器 、放料 阀等 ，因此本系统设计成 一 个 由数据监测 、输 出控制 和微控制器等 组成的数字化智 能监 控系统 通 过温度传感 器 、液 位传感 器等采集 温度 、 液位等信号 ，再 经处理 、放大等 ，输送 到微控制器 分析 、 处 理 、判 断 ，再 发 m相 应 的控 制 信 号 ，控 制 加 热 器 、放 料 阀 等 ． 同 时 通 过 液 晶 显 示 器 实 时 显 示 当 前 的 温 度 、液 位 等 。智 能 监控 系统 结 构 如 图 1所 示 。 善 微 控 制 器 传 感 器 信 号 牛 分 析 、 处 理 、 采集 l 判断1 图 1 智 能监 控 系统 结 构 3 ． 1数 据 采集 根据前面对硬脂酸 钙反应釜的分析可 知 ，系统需要对 温度 、液位等物 理量进行 数据采集 ．数据采 集是 否准确 、 可靠 ，最基本 、最关键 的是传感器 ，考虑 到系统 对传感器 的精 度 、响应 特性 、稳定 性 、灵敏 度 、可靠 性 、测量 方 式 、线性范围等因素，同时考虑到价格 等因素 ⋯。选择 了 如下一些传感器。 1 温度传感器 选用 P r r i 0 0 5 0 2 0 0 ℃利用温度变送 器 ，配数字显示器 ，数据直观 ，精度 可达 0 ．0 l ，成本 低 廉 ，可现场显示测量温度值 ，二线制 4 ～ 2 0 m A远传输 出。 2 液 位传 感 器 利 用 流 体 静 力学 原 理 测 量 液 位 ， 是 压力传感器的一项重要应用 。本设计选用 的传感器采用特 种 的 中间 带 有 通 气 导 管 的 电缆 及 专 门 的 密 封 技 术 ， 既保 证 了 传 感 器 的水 密 性 ， 又 使 得 参 考 压 力 腔 与 环 境 压 力 相 通 ， 从 而保证了测量的高精度和高稳定性 。同时针对化工 1 业 中强腐 蚀性 的酸性液体而特制 ．壳体采用 聚四氟乙烯材料 制 成 ，采 用特 种氟 胶电缆 及专 门的密封 技 术进 行 电气 连 接 ，既 保 证 了传 感 器 的水 密性 、耐 腐 蚀 性 ，又 使 得 参 考 压 力腔 与环境 压力相通 ．从 而保证 了测量的高精度 和高稳定 性 。稳定性 好 ，满 度 、零 位长期 稳定性 可达 0 ． 1 ％F S ／ 年 。 在 补 偿 温度 0 c C一 7 O ℃范 围 内 ，温 度 飘 移 低 于 O ． 1 ％F S，在 整 个允许_ [ 作温度范围内低于 0 _ 3 ％F S 。具有反向保护 、限流 保护 电路 ，在安装时正负极接 反不 会损坏变送器 ，异 常时 变 送 器 会 自动 限 流在 3 5 mA 以 内 。 固 态结 构 ，无 可 动 部 件 ． 高可靠性 ，使用寿命长 。’ 。 3 ． 2输 出控 制 微控制 器对输入 的数据分析处理 ，输 出控制信号 ．控 制 该 系统 的 温 度 加热 器 、报 警 器 、进 料 阀等 。 以 控 制 加 热 器为例 ．采用 可控硅代替传 统的电磁继 电器 。具体的实现 原理 微控制器 对输 入的传感 信号分析处理 ，如果检测到 温度 低 于设 定 温度 ， 在相 应 的 输 出 接 口发 出 高 电 平 ，使 可 控 硅控 制极 处 于 正 向 电压 ．阳 极 与 阴极 导 通 ， 则 加 热 器 加 热 反 之 ，就 使 加 热 器 关 断 停 止 加 热 ．从 而 实 现 对 温 度 的 控制。其他控制亦然 。 3 ． 3微 控制 器 微 控 制 器 是 整 个 控 制 系 统 的 “ 大 脑 ” ， 接 收 检 测 系 统 输 入 的 数据 ，对 数据 分 析 、处 理 、判 断 ，通 过相 关 的 输 出 接 口输 出控制信号控制 相关的设备 。根据前 面对 整个 系统 的分析 ，同时 对微控 制器 目前 在工 业 自动化 上 的应 用情 况 ，系 统 选 用 了西 门子 S 7 2 0 0型 P L C，该 P L C性 能 良好 ． 性价 比高，同时具有很 强 的适 应性 ，在 丁业 自动 化控制 中有很 好的成 功应用案 例 。带 有 系 统 足 够 用 的 DI和 DO，还 有 串 口等 。 4系统软件设计及调试 要 实 现 对 系 统 的 智 能 监 控 ，除 了硬 件部 分 ，还必 须软件 支撑 ，才能实 现系 统 复杂的监 控功能 ，根据前面对系统被监控 参数分析 ，本 系统采 用了主程序和子程序的编程思想 ，各 子程序把系统 分 割成独立 的功 能部分进行 编程 ，在主程序 中．根据 工艺 流程对各个 子程序进行 调用 ，构 成整个 系统的控制 程序 。 这 样 对 整个 系统 的监 控 功 能 的 维 护 和 修 改 很 容 易 实 现 ，可 以方便 和高效地对 系统升级 。同时软件系统也很容易移植 到类似的系统中去。 本系统监控功能总的流程图如图 2所示。 图 2 智能监控系统结构 系统 上电以后 ，系统初始化 。调用获 得系统参数的子 程 序 ，然 后 再 调 用 对 液 晶 显 示 器 初 始 化 的 程序 ，然 后 再 自 检 系统 是 否 正 常 ，如 果 不 正 常 ，则 返 回开 始 ，如 果 系 统 正 常，则进人选择工作方式 ，本系统主要有三种工作方式 。 1 巡 回检测 ，对硬 脂酸钙反应釜 的各项参数 逐项采 集 、处理 ，同时根据采集 的数据对 加热器 、各种 电磁 阀 、 报警器等 发出控制 信号 ，完 成对硬脂酸钙反应釜 系统智 能 监 控 这 个 核 心 任 务 。 下 转 第 1 0 0页 塞 与开发 体 人工 进 行 清 吹处 理 ，其 周 期 为 每 天 一次 ，大 大 增 加 了 维 修人员 的劳动强度。采取的改进措施 在连接体偏离上下 加油 孔 4 5 。 的位 置 分别 开 一 个 中1 O mm 的通 孔 连接 到 外 导 向 套 油槽 处 ．分 别在 上 下 孔 的 出 口处 加 装 电 磁 阀 ，上 方 的 电 磁 阀 前是 空 压 气 进 气 管 ，下 方 的 电磁 阀 出 来 后 连 接 浦 箱 ， 见 图 1 0 。 采 用 定 时 吹 扫 在 每 次 压 棒 机 停 止 ] 一 作 5分 钟 后 ，进 出电磁 阀同时打开进行清 吹处 理 ，时间为 3分钟 。 改进后，采用 自动吹扫保证了时间和频次．效果很好 。 5 2 厂 ／＼ ／ I f I 一- t- 、 I t I ＼ 1 ． 连接体2 ． 外导向套3 ． 活塞杆4 ． 油槽5 ． 加油孔6 放油孔 图 9 连 接 体 及外 导 向套 结 构 图 8结语 广西中烟工业有 限责任公 司柳州分 厂烟尘 回收系统采 用 格雷柏 T G 8 0系列 液压式压棒机 ．在使用 过程 中针对经 常出现 的故 障进行 改进 ．大大提 高 了压 棒机运 行的稳 定 性 ，设备故障率 降低 7 0 ％。该设备 自投入使用以来 ，性能 可靠 ，将除尘器排 出的碎沫和烟尘压制成棒料 ，极大地改 善 了除尘房环 境 ，消除 了由于倾倒 烟尘所 造成 的环境 污 染 ，具有一定的参考价值。 6 1 ． 连接体2 ． 外导 向套3 ． 加油孔4 ． 放油 孔5 ． 电磁 阀 6 ． 空压气进气7 ．排放至油箱 图 l 0 改造后的连接体示意图 参考文献 [ 1 ]张利平．液 压控 制 系统及设计[ M]．北京 化学工业 出版 社 ． 2 O 0 f ； ． [ 2 ]王积伟 ，章宏 甲，黄谊．液压与气压传动 [ M]．北京机械 工 业 出 版 社 ．2 0 0 5 ． [ 3 ]杨培元 ，朱福元．液压 系统设计简明手册 [ M]．北京 机械 工业 出版 社 ．2 o 0 3 ． [ 4 ]廖常初．大 中型 P L C应 用教程 [ M]．北京 机械 工业 出版 社 ．2 Oo 5 ． 第一作者简介房华伟 ，男 ，1 9 8 0年生 ，河南驻马店人 ，大学本 科 ，工程师。研究领域 自动控制程序设计 与应用 。已发表论文 3 篇。 编辑 王智圣 上接 第 8 1页 2 参数设置 ，硬脂 酸钙反应釜的各项参数 和系统外 界条件有改变 ，通过参数重新设置 ，适应监控条件的改变 。 3 历史数据 回查 ，可 以查询 以前的历史数据 ，为提 高产 品质量 ，减少故 障，增加 系统稳定性提供科学的有效 数 据 。 5运行情况跟踪及效果 本监控 系统是 对硬脂 酸 钙反应釜 的智 能监控 改造设 计 ，对 该监 控 系统 进 行 了长 达 六 个 月 的运 行情 况跟 踪 。该 系统 具 备如 下 的功 能 。 1 实现了 自动温控 、智能称重 、智能报警等功能 ， 六 个 月 以来 。没有 再 出 现反 应 液 溢 出 的现 象 2 提高了效率及 产品质量 ，降低 了成本 ，例如 由于 采用了智能称重 ．使得进料 比例精度更高 ，提高 了产品质 量 ，使产品在 市场竞争 中处于优势。 3 增 加 了安 全 性 ，改 善 了工 作 环 境 ， 比如 增 加 了 声 光 报警 ，能及 时 发 现 问题 及 时 处理 。 4 数据历史同查 ，保 留生产 中的原始数据 ．定期 回 查 和记 录，通过分析数据 ，得 出质量控制 的规律 ，为提高 产 品质 量 、改 变 艺 条件 提 供 了有 力 的 数 据 支撑 。 实践证 明该 智能监 控系统 可靠性 高 ，稳定性 好 ，且 通用性 较强 ．在化工 设备监控 技术 改造有 很强 的推广应 用价值 。 参考文献 [ 1 ]王之 芳 传 感器应用技术 [ M]．西安西北 工业大学 出版 社 ． 1 9 9 9 ． [ 2 J 星，杨庆江，程 海兵．基于 P L C的数 字化 交流提升机 电控 系统设计 [ J ]．矿 山机械 ，2 0 1 0 ，5 3 8 5 8 6 1 ． [ 3 ] 粱沛然．P L C在 电厂原煤分仓计量 系统改造 中的应用 【 J ]． 煤 矿 机 械 ，2 0 1 0 ，7 3 1 1 6 3 1 6 5 ． 第一作者简介孙祥 国，男 ，1 9 7 3年生 ，四川绵 阳人 ，硕士 ，讲 师。研究领域 机电系统的智能控制。 编 辑 向 飞