基于WinCC组态软件和S7-300PLC的五效降膜蒸发器自动控制系统的设计.pdf

6 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 5年第 2期 基 于 Wi n C C组态软件和 S 7 3 0 0 P L C 的五效降膜 蒸发器 自动控制 系统 的设计 何瑛 西安航空职业技术学院 人事处， 西安 7 1 0 0 8 9 摘要 针对果汁行业 中物料蒸发浓缩时传热效率高， 受热时间短等特 点， 为了进 一步提 高节能 降耗指标和生产效率， 该文以某果汁厂的五效降膜蒸发器控制 系统工程项 目为背景 ， 阐述 了五效降 膜蒸发器的．Y - 艺流程， 进行 了控制回路的设计 ， 给 出了控制 系统的硬件集成方案 ， 重点运 用西 门子 组态软件 Wi n C C和 S t e p 7 V 5 ． 5软件开发 了蒸发器系统的工艺界 面和下位机程序。该 系统具有 实 时动态显示和操作功能 ， 能够实现果汁厂蒸发浓缩的工艺流程再现 ， 并能 实现对现场设备的远程操 作控制， 减轻 了劳动强度 ， 提 高了生产效率。 关键词 五效降膜蒸发 器； 冗余 ； 组态软件 ； P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 00 6 8 2 2 0 1 5 0 2 0 0 6 4 0 5 De s i g n o f fiv e- - e ffe c t f a l l i n g fil m e v a p o r a t o r a u t o ma t i c c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n W i nCC ＆ S 73 0 0 PLC HE Yi n g P e m o n n e l De p a r t m e n t ， X i ’ a nA e r o n a u t i c a l P o l y t e c h n icI n s t i t u t e ， X i ’ a n 7 1 0 0 8 9， C h i n a Ab s t r a c t Wh e n t h e ma t e r l a l o f t h e i u i c e i n d u s t r y i s c o n c e n t r a t e d b y e v a p o r a t i o n，t h e s y s t e m h a s s o me c h a r a c t e r s o f a h J g h h e a t t r a n s f e r e f fi c i e n c y，a s h o r t h e a t i n g t i me ．T o i mp r o v e p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y a n d e n e r g y s a v i n g t a r g e t s ， t h e p a p e r b a s e d o n fi v ee f f e c t f a l l i n g fi l m e v a p o r a t o r p r o j e c t b a c k g r o u n d i n a j u i c e f a c t o r y c o n t r o l s y s t e m， h a s e l a b o r a t e d fi v e e f f e c t f a l l i n g fi l m e v a p o r a t o r p r o c e s s ， d e s i g n e d i t s c o n - t r o l l o o p，a n d h a s g i v e n t he c o nt r o l s y s t e m h a r d wa r e i n t e g r a t i o n s o l ut i o n s，e s p e c i a l l y，f o c u s i n g o n t h e u s e o f S i e me n s W i n CC c o n f i g u r a t i o n s o ftwa r e a n d t he s o ft wa r e d e v e l o p me n t p r o c e s s S t e p 7 V5． 5，i t h a s d e v e l o p e d t he e v a p o r a t o r s y s t e m i n t e r f a c e a n d l o we r c o mp u t e r pr o gra m．Th e s y s t e m h a s s o me f u n c t i o n s o f r e a l t i me d y n a mi c d i s p l a y，o p e r a t i n g r e d u c i n g l a b o r i n t e n s i t y a n d i mp r o v i n g p r o d u c t i o n e ffic i e n c y，h a s a - c h i e v e d a c o n c e n t r a t e d f r u i t j u i c e e v a p o r a t i o n p r o c e s s ， a n d h a s a c h i e v e d r e m o t e o p e r a t i o n c o n t r o 1 ． K e y wo r d s fiv ee f f e c t f a l l i ng fi l m e v a po r a t o r s ；r e d un d a nc y；c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e；P LC 0 引言 蒸发的过程是在向系统输入一定热量条件下的 溶液浓缩 对于某些应用是溶 剂 回收 的过程 。在 食品饮料行业 ， 蒸发是一个非常重要的工艺过程 ， 对 于诸如化学工业、 制药等行业中很多产品的生产， 都 是一个必不可少的工艺环节。蒸发就是用加热的方 法， 将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况， 使 收稿 日期 2 0 1 40 51 2 作者简介 何瑛 1 9 8 2 ， 女， 江苏常州人， 讲师， 硕士研究生， 主 要从事电子 、 通信、 智能控 制等方面 的教学与研究。 部分溶剂汽化并被移除 ， 从而提高溶剂 中溶质浓度 的单元操作。能完成该操作 的单元为蒸发器 ， 针对 行业 中往往进行低温连续式蒸发浓缩 ， 具有传热效 率高， 物料受热时间短等主要特点， 考虑到节能降耗， 故蒸发设备在结构设计上经常采用多效降膜结构， 同 时需要设备自动化程度要高。该文就是运用组态软件 和 P L C技术完成五效降膜蒸发器的智能控制。 1 五效降膜蒸发器工艺流程 在大规模工业生产中， 往往需蒸发大量水分 ， 这 就需要消耗大量加热蒸汽。为了减少加热蒸汽的消 耗 ， 可采用多效蒸发 。将加热蒸汽通入一蒸发器， 则 2 0 1 5年第 2期 工业仪表与 自动化装置 6 5 溶液受热而沸腾， 而产生的二次蒸汽其压力与温度 较原加热蒸汽 即生蒸汽 为低 ， 但此二次蒸汽仍可 设法加以利用 。在多效蒸 发中 ， 则可将 二次蒸 汽当 作加热蒸汽 ， 引入另一个蒸发器 ， 只要后者蒸发室压 力和溶液沸点均较原来蒸 发器中的为低 ， 则引入 的 二次蒸汽即能起加热热源的作用。同理， 第 2 个蒸 发器产生的新的二次蒸汽又可作为第 3 蒸发器的加 热蒸汽。这样 ， 每一个蒸发器 即称为一效 ， 将多个蒸 发器连接起来一 同操作 ， 即组成一个多效蒸发系统 。 加入生蒸汽的蒸发器称为第一效 ， 利用第一效二次 蒸汽加热的称为第二效， 依此类推。于是多次重复 利用了热能， 显著地降低了热能耗用量 ， 这样大大降 低了成本， 也增加了效率。文中的五效降膜蒸发器 采用降膜式蒸发原理将稀溶液加热沸腾使其中部份 水分汽化而达到浓缩溶液的 目的。该设备按照以上 原理将料液 自降膜蒸发器加热室上管箱加入， 经液 体分布及成膜装置 ， 均匀分配到各换热管 内， 并沿换 热管 内壁呈均匀膜状 流下 。在流下过程 中 ， 被壳程 加热介质加热汽化， 产生的蒸汽与液相共同进入蒸 发器 的分离室 ， 汽液经充分分离 ， 蒸汽进入冷凝器冷 凝 单效操作 或进入下一效蒸发器作为加热介质 ， 共涵盖 了 5个加热器 ， 5个蒸发分离器、 预热器 、 混 合式冷凝器和热压泵、 真空泵、 物料泵、 循环泵、 冷凝 泵、 平衡槽、 电控箱、 工作台及所有管路、 阀门等， 最 后液相 由分离室排出。 五效具体流程遵循真空泵_ 一效进料泵 要求 一 效进料 阀开启 一 二效进料泵一二效出料泵一三 效进料泵 要求三效进料 阀开启 一三效 出料泵 四效循环泵 四效 出料泵 五效循环泵 c I P液泵 一浓缩杀菌一效蒸汽 阀打开 当真空度达到一定数 值 一效蒸汽冷凝水泵一二三效冷凝水泵一 四五 效冷凝水泵打开。 2 五效 降膜蒸发 器 系统控 制回路和控制 方案 2 ． 1 控 制 回路 该设备根据浓缩产品的程度， 设计了 1 8 个独立 的控制回路和监测功能。控制回路情况如下 1 进料罐 B 0 1 、 B 0 2中的液位控制 进料罐液位控制设置了 2个独立 回路 ， 回路情 况相 同， 每个控制回路用于保证罐 中的液位稳定 ， 这 样就可 以保证联系的冷凝水 、 产 品或 C I P供应 。如 果产 品进料 中断， 操作者必须确保冷凝水通过相同 的管道进入平衡罐， 以保蒸发器不会干蒸。如果没 有冷凝水 ， 自来水将会作为安全水， 在罐中液位达到 值时 ， 通过阀进入。但是应该尽量保证在液位为 时就有冷凝水补人 ， 因为 自来水含有大量碳酸钙 ， 这 些物质将在加热管内壁结垢。控制 回路从液位传感 器接收液位的实际值 。 2 浊汁进料控制 该控制 回路 维持一个恒定 的产 品量进入蒸发 器。从一个感应式流量计接收信号， 显示测量浊汁 的流量。流量计的输出值通过一个变频器决定进料 泵 P U 0 3的转速 ， 通过实施 P I D控制 实现浊汁进料 量的控制。 3 清汁进料控制 该控制 回路维持一个稳定 的进料 ， 从流量计接 收信号， 流量计的输出值通过一个变频器决定进料 泵 P U1 4的转速 ， 通过实施 P I D控 制实现清汁进料 量 的控制。 4 清汁杀菌温度控制 该控制 回路控制杀菌器 W1 3出料 的温度， 蒸汽 阀T 0 1 ． 2 改变加热蒸汽的量。回路通过 W1 3下游 的温度传感器接收温度实际值。 5 浊汁杀菌温度控制 该控制回路控制杀菌器 W1 2出料 的温度 ， 蒸汽 阀 T 0 2 ． 2改变加热蒸 汽的量 。回路通过 W1 2下游 的温度传感器接收温度实际值。 6 真空控制 该控制回路主要保持表面冷凝器 W 0 6中的压 力。蒸发器内的压力通过 P I CP 0 1 保持稳定 。这 个控制回路从一个压力传感器接收信号， 它测量 W0 6内的压力。l ， 值 4～ 2 0 m A 决定控制阀P 0 1 ． 2 的位置。 7 蒸汽包 A 0 1内的压力控制 该控制 回路维持 A 0 1内稳定 的压力 ， l ， 值决定 控制阀 P 0 2 ． 2的位置。 8 W0 1内的压力控制 该控制回路保持进入一效降膜蒸发器 W0 1 壳 程的蒸汽量稳定。启动时预设的设定值通过 D I C D 0 2的输出值而改变。控制阀 P 0 3 ． 2保持到蒸汽喷 嘴 D O 1 前 的压 力。y值 42 0 m A 决定 控制 阀 P o 3 ． 2的位置。 9 去酶解的浓度控制 该控制 回路保持预浓缩 出料的浓度稳定。进料 浓度和温度 、 蒸汽压力 和真空度 的波动都将对 出料 浓度带来负面的影响。浓度控制与流量控制 F I C F 0 1 是一个串级控制， 此流量控制本身控制浊汁的 6 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 5年第 2期 进料速度。浓度控制 回路 D I CD 0 1从一个质量流 量计接收信号。 1 0 五效出料控制 D I C D 0 2 ， P I CP 0 3 该控制 回路维持产品浓度的稳定。进料浓度和 温度、 蒸汽压力和真空度 的波动都将对 出料浓度带 来负面的影响。密度控制 回路与 P I CP 0 3形成串 级控制。相对 D I C D 0 2的设定点， 实际值较低时， 压力控制器 P I C P 0 3的设定值将相应的调高。密度 控制回路 D I C D 0 1 2 从一个质量流量计接收信号。 1 1 一效降膜蒸发器 W0 1 液位控制 该控制 回路保持 W0 1中的液位稳定。1 ， 值决 定泵 P U 0 6的频率 。 1 2 五效降膜蒸发器 W0 5液位控制 该控制 回路保持 W0 5中的液位稳定 。实际的 液位值通过泵 P U1 2前压力和 W0 6中的压力差来计 算。l ， 值决定泵 P U 1 2 的频率。 1 3 预浓缩产品出料温度控制 该回路通过调整板式热交换器 W1 4的冷却水 或开启旁通来控制预浓缩产 品的温度 ， 通过 电阻式 温度计测量 。进入 W1 4的冷却水 的流量 由控制阀 T 0 6 ． 2来控制。如果此阀关闭 ， 去酶解的产品温度 依然很低 ， 可以开启控制阀 T 0 6 ． 3来调节温度。 1 4 浓缩产品温度控制 该控制 回路通过调节冰水的流量来控制浓缩产 品出料 的温度 。冰水 的量通过调 节 阀 T 0 7 ． 2来控 制 。控制回路从一个 电阻式温度计接收信号 ， 此温 度计测量板式热交换器 w1 7后 的产品温度。 1 5 香精的流量测量 该 回路利用一个感应式流量计测量从流出洗涤 塔 K 0 2的香精到香精罐的流量。I ， 值 4 2 0 m A 决定了阀 F 0 5 ． 2的位置。 1 6 板式热交换器 W1 8中的冷凝压力控制 该控制回路保持 W1 8中稳定的压力用于香精 冷凝 。控制回路测量板式换热器 W1 8的出 口压力 ， 进行相应的调节。压力传感器的输出信号决定阀 P 0 6 ． 2的位置。 1 7 K 0 2的液位控制 这个控制 回路保 持 K 0 2中的液位稳定。液位 传感器的输出值决定蝶阀 L 0 5 ． 2的位置 。 2 ． 2 控制方案 系统主要采用 P I D控制规律 ， 对以上 l 8个 回路 按照控制对象进行分类 ， 共有液位控制 、 温度控制、 流量控制 、 压力控制和浓度控制 5种控 制。控制方 式有单级 回路和 串级 回路 ， 控制器均选择 P I 控制。 其中， 单路 以清汁、 浊汁流量控制为例 ， 控制回路如 图 1所示 。 I 垦 堕 笪 兰 图 1 流量 P I D控制系统图示 图 1中控制算法采用 s 7 3 0 0软件中提供 的 F B 4 1 P I D模块实现 。由于该模块只要设置好 MA N ON， P S EL、 IS EL、 DS EL、 S PI NT、 PVI N 和 MA N 等几个参数 即可。 其他液位 、 压力控制同上。 串级回路以去酶解浓度 回路为例 ， 即把溶液浓 度调节回路与进效稀液流量调节回路组成 串级调节 系统 ， 如图 2所示。 懂幡耋 衙 I 丝 画丽 _ _ J I 图2 去酶解浓度控制回路 在现有过热蒸汽流量条件下 ， 当溶液浓度偏离 其设定值时 ， 浓度调节按照 P I D算法进行运算 ， 其输 出作为进效流量调节 回路的设定值 ， 接着流量调节 器进行 P I D调节， 改变进效流量， 从而使溶液浓度发 生变化， 直至达到浓度设定值为止。P I D依然应用 F B 4 1功能块实现。 3 五效降膜蒸发器控制 系统硬件集成 根据多次论证 ， 该五效降膜蒸发器控制系统采 用分布式控制和冗余思想构建， 采用以太网和 P r o fi b u s D P现场总线网络 ， 系统 由西门子 S 7系列 P L C 构成 ， 下 位 机 采 用 C P U 3 1 52 D P 主 站 加 2个 E T 2 0 0 M从站 ， 其 中主站、 1 A k 站在主控制柜内， 主 要完成所有模拟量的采集和控制以及现场开关阀的 控制 ， 2 从站在远程 I ／ O柜内， 主要完成电机的控制 以及电机电流信号的采集等工作。为了提高控制系 统的可靠性， 该控制系统采用电源冗余、 通信模块冗 余双 C P U冗余技术。图 3 为 P L C控制系统的组成 结构图。 系统主要是通过检测现场温度、 压力、 糖 的浓度 和蒸发器液位 ， 通过控制调节回流阀、 进料泵和出料 泵以及 C I P清洗泵等装置， 从而达到控制糖的浓度 和含量 的目的 ； 西 门子 s 73 0 0系列 P L C通过采集 和控制模块对设备和现场仪表进行采集和控制， 并 把信号通过底板总线与 C P U处理器传输， 由 C P U