胡峻碩 董海兵 曾德寶 王秋燕

摘 要：變壓吸附制氧是指采用沸石分子作為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理來獲取氧氣。在一定壓力下，空氣的氧、氮在分子篩空隙中具有不同的擴(kuò)散速率，人們可以利用這一現(xiàn)象達(dá)到分離空氣的目的。本文研究了采用變壓吸附方法制備高純氧的制氧機(jī)工藝，并對其自動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過分析自動控制系統(tǒng)的控制邏輯可知，制氧機(jī)可以通過西門子公司的可編程邏輯控制器S7300來控制多個(gè)閥門，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)制氧。本文對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，并通過編程軟件STEP7的PLCSIM仿真模塊與組態(tài)軟件WINCC6.0進(jìn)行離線模擬仿真和組態(tài)監(jiān)控。實(shí)踐證明，該控制方案良好，能達(dá)到實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：制氧機(jī);可編程邏輯控制器;PLCSIM;WINCC6.0;仿真;監(jiān)控

中圖分類號：TF345.05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0018-03

Abstract： Pressure swing adsorption oxygen production refers to the use of zeolite molecules as adsorbents， using the principle of pressure adsorption and decompression desorption to obtain oxygen. Under a certain pressure， the oxygen and nitrogen of the air have different diffusion rates in the molecular sieve voids， people can use this phenomenon to achieve the purpose of separating air. In this paper， the technology of oxygen generator for preparing high-purity oxygen by pressure swing adsorption method was studied， and its automatic control system was designed. By analyzing the control logic of the automatic control system， it can be known that the oxygen generator can control multiple valves through the programmable logic controller S7300 of SIEMENS to realize circulating oxygen. This paper carried on the hardware and software design to the control system， and carried on off-line simulation simulation and configuration monitoring through the PLCSIM simulation module of the programming software STEP7 and the configuration software WINCC6.0. Practice has proved that the control scheme is good and can meet actual requirements.

Keywords： oxygen machine;PLC;PLCSIM;WINCC6.0;simulation;monitoring

自發(fā)明以來，變壓吸附分離技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于氣體混合物的分離精制，比如，其在制氧機(jī)控制系統(tǒng)中就有大量應(yīng)用。變壓吸附制氧系統(tǒng)是以沸石分子篩為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氧氣的自動化設(shè)備[1]。沸石分子篩是一種經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成且表面和內(nèi)部布滿微孔的球形顆粒狀吸附劑，呈白色。其孔型特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)氧、氮的動力學(xué)分離。沸石分子篩對氧、氮的分離作用是基于這兩種氣體的動力學(xué)直徑的微小差別，氮分子在沸石分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率，氧分子擴(kuò)散速率較慢。壓縮空氣中的水和二氧化碳的擴(kuò)散同氮相差不大，最終從吸附塔富集出來的是氧分子。變壓吸附制氧正是利用沸石分子篩的選擇吸附特性，根據(jù)加壓吸附、減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔來實(shí)現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品——氧氣[2]。

1 制氧機(jī)的控制過程

變壓吸附制氧機(jī)正是根據(jù)變壓吸附原理，采用高品質(zhì)的沸石分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取氧氣[3-4]。一般在制氧機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)吸附塔，一個(gè)塔吸附產(chǎn)氧，另一個(gè)塔脫附再生，通過PLC程序控制器控制氣動閥的啟閉，使兩塔交替循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氧氣的目的[5]。整套系統(tǒng)由以下部件組成：壓縮空氣凈化組件、空氣儲罐、氧氮分離裝置和氧氣緩沖罐。

制氧機(jī)的工作過程為：啟動空壓機(jī)，使空氣通過一級過濾器后進(jìn)入冷干機(jī)，去除氣體水分，降低氣體溫度;當(dāng)冷干機(jī)出氣溫度小于設(shè)定值時(shí)，使氣體進(jìn)入二級過濾器，經(jīng)過兩次過濾后進(jìn)入氣柜;當(dāng)氣柜壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，氣體進(jìn)入A塔、B塔中進(jìn)行變壓吸附，使空氣中的氮?dú)獾入s質(zhì)被塔中的分子篩吸附，分離出純凈的氧氣[6]。

在制氧機(jī)工作過程中，冷干機(jī)的進(jìn)氣壓力、出氣溫度以及氣柜壓力是重要的控制參數(shù)。為防止冷干機(jī)空載燒毀線圈，只有在進(jìn)氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)才能啟動冷干機(jī)。在工作過程中，若冷干機(jī)出氣溫度過高，則需要進(jìn)行停機(jī)處理。為使A塔、B塔內(nèi)的分子篩吸附效果好，必須使氣柜壓力達(dá)到設(shè)定值。

2 制氧機(jī)控制系統(tǒng)模型

本文根據(jù)制氧機(jī)的控制過程，建立數(shù)學(xué)模型?？刂茖ο笫茿B吸附塔的8個(gè)氣動閥?？刂品绞绞遣捎?組電磁閥。電磁閥分別與儀表空氣和氣動管道閥執(zhí)行氣缸連接，電磁閥換向，儀表空氣進(jìn)入汽缸，使氣動閥動作。

控制方案如下：吸附器分A、B兩個(gè)，切換操作，AB塔簡圖如圖1所示。F1～F8為8個(gè)氣動閥，由圖2可以看出氣動閥與控制其工作的電磁閥的對應(yīng)關(guān)系。電磁閥1導(dǎo)通工作，氣動閥F1、F2動作，B塔開始吸附制氧，制氧時(shí)間為[T1];同時(shí)要求電磁閥4導(dǎo)通，氣動閥F6動作，A塔排出廢氣，排氣時(shí)間為[T2]（[T2]<[T1]）;[T2]時(shí)間到時(shí)，電磁閥5導(dǎo)通，氣動閥F7、F8動作，A塔與B塔進(jìn)入調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)，平衡時(shí)間為[T3]。制氧時(shí)間、排氣時(shí)間、平衡時(shí)間的關(guān)系為[T1]=[T2]+[T3]。

注：T1為制氧時(shí)間，T2為排氣時(shí)間，T3為平衡時(shí)間。

由此可知，由于[T1]與[T2]同時(shí)定時(shí)，因此[T1]與[T3]同時(shí)停止定時(shí)。此時(shí)，A塔、B塔進(jìn)行交換。電磁閥2導(dǎo)通工作，氣動閥F3、F4動作，A塔開始吸附制氧，制氧時(shí)間為[T1];同時(shí)要求電磁閥3導(dǎo)通，氣動閥F5動作，B塔排出廢氣，排氣時(shí)間為[T2];[T2]時(shí)間到時(shí)，電磁閥5導(dǎo)通，氣動閥F7、F8動作，A塔與B塔進(jìn)入調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)，平衡時(shí)間為[T3]。如此連續(xù)交替運(yùn)行，電磁閥控制時(shí)序如圖2所示。

3 制氧機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

制氧機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要由220 V電源、S7-300 PLC、系統(tǒng)上位機(jī)和電磁閥等模塊組成，系統(tǒng)的主控制器是S7-300 PLC，可通過串口與上位機(jī)通信，可直接用于驅(qū)動電磁閥、接觸器、小型電動機(jī)、燈和電動機(jī)啟動器等。因此，系統(tǒng)不需要額外添加電磁閥驅(qū)動電路。

設(shè)定制氧時(shí)間[T1]為20 s，排氣時(shí)間[T2]為10 s，平衡時(shí)間[T3]為10 s。為編寫系統(tǒng)控制程序，人們要根據(jù)系統(tǒng)控制需要，分配I/O點(diǎn)及元器件，并在西門子S7-300系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)物連接，在STEP 7V5.3里進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。PLC線路連接如圖3所示，用燈泡模擬電磁閥的通斷。

根據(jù)系統(tǒng)控制需要，分配I/O點(diǎn)及元器件，如表1所示。

4 制氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仿真分析

S7-PLCSIM是西門子公司開發(fā)的可編程控制器模擬軟件，它在STEP7集成狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無硬件模擬，也可以與WinCC flexible一同集成于STEP7環(huán)境，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控模擬。因此，在沒有實(shí)物裝置的條件下，可用PLCSIM進(jìn)行離線仿真調(diào)試，首先進(jìn)入下位機(jī)STEP 7軟件中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，進(jìn)入仿真界面，如圖4所示。

將硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)完成以后，設(shè)置好通信接口，通過STEP7管理器[7]界面將程序下載到CPU中，進(jìn)行實(shí)物調(diào)試運(yùn)行或者PLCSIM離線仿真。在上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件WINCC[8]環(huán)境里，經(jīng)過工程建立、驅(qū)動連接、變量定義、畫面組態(tài)和變量關(guān)聯(lián)等過程后，可得到制氧機(jī)控制系統(tǒng)的上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控圖，如圖4所示。

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，把控制程序下載到S7-300 PLC CPU中，使監(jiān)控程序處于運(yùn)行狀態(tài)，然后在組態(tài)好的畫面上點(diǎn)擊擇“激活”，使得組態(tài)畫面也進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)開始運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，結(jié)果記錄顯示、實(shí)物與組態(tài)畫面是一一對應(yīng)的，控制效果良好，如圖5所示。

5 結(jié)論

本文以制氧機(jī)的5組電磁閥為研究對象，在原理分析的基礎(chǔ)上，建立了制氧機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合制氧機(jī)的特點(diǎn)，研究了制氧機(jī)在PLC及組態(tài)軟件控制下的運(yùn)行特點(diǎn)，即采用基于PLC的主控制系統(tǒng)對變壓吸附過程進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)具有操作靈活、可靠性高、通用性好和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。制氧機(jī)控制系統(tǒng)利用組態(tài)軟件開發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控時(shí)間和電磁閥通斷的變化，系統(tǒng)界面友好，操作方便。對系統(tǒng)進(jìn)行的離線仿真和實(shí)物模擬調(diào)試滿足了現(xiàn)場監(jiān)測的需要，達(dá)到了預(yù)期目的。

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