劉 皓,陳海虹,袁 森

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550003)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)多個(gè)城市空氣質(zhì)量下降,出現(xiàn)了霧霾天氣,使我國(guó)約有1/7 的面積遭遇生態(tài)災(zāi)難[1]。 我國(guó)空氣污染主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染。 其中,重型柴油車(chē)尾氣污染是機(jī)動(dòng)車(chē)大氣污染排放的主要來(lái)源[2-3]。為了降低重型柴油車(chē)尾氣污染,通常對(duì)汽車(chē)增加選擇性催化劑反應(yīng)系統(tǒng)(selective catalytic reduction,SCR),將車(chē)用尿素溶液作為還原劑添加到系統(tǒng)中,使尾氣中的氮氧化物(NOx)還原成氮?dú)?N2)和水(H2O),從而達(dá)到減排的目的[4-5]。 目前,國(guó)內(nèi)外車(chē)用尿素溶液的生產(chǎn)方式分為尿素熔融液體直接生產(chǎn)和尿素顆粒溶解生產(chǎn)兩種。 在國(guó)內(nèi),車(chē)用尿素溶液生產(chǎn)由中小型民營(yíng)企業(yè)主導(dǎo),采用尿素顆粒溶解生產(chǎn)方式。 其工藝是以高純尿素顆粒為原料,添加超純水,將其充分?jǐn)嚢枞芙獠⑦_(dá)到工藝濃度要求(31.8%～33.2%)。 其優(yōu)點(diǎn)是投資少,生產(chǎn)靈活[6-7]。 目前,國(guó)內(nèi)采用尿素顆粒進(jìn)行生產(chǎn)的設(shè)備自動(dòng)化程度低,在生產(chǎn)溶解過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。 同時(shí),因沒(méi)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),僅憑經(jīng)驗(yàn)去判斷攪拌時(shí)間,會(huì)造成攪拌后濃度不達(dá)標(biāo)、生產(chǎn)精度不高。 為此,本文設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯器(programmable logic controller,PLC)的車(chē)用尿素溶液自動(dòng)生產(chǎn)控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制,降低人力成本,提高生產(chǎn)效率和精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由集成控制室、填料裝置以及攪拌裝置3 個(gè)部分組成。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketches of overall structure

集成控制室主要由PLC、通信模塊和控制電箱等組成。

填料裝置包括了超純水制備系統(tǒng)、超純水抽取系統(tǒng)和高純尿素稱(chēng)取系統(tǒng)。 超純水制備系統(tǒng)采用雙級(jí)反滲透(reverse+osmosis,RO)去離子(electrodeionization,EDI)的工藝,主要由預(yù)處理、RO 和EDI 等單元組成,具有操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)[8]。 制取后的超純水抽取到超純水儲(chǔ)存罐內(nèi),由管道、電磁閥、流量傳感器以及水泵組成超純水抽取系統(tǒng)。 高純尿素稱(chēng)取系統(tǒng)由抽料機(jī)連接輸運(yùn)管配合電子秤,對(duì)尿素罐內(nèi)高純尿素進(jìn)行精確填料。

攪拌裝置由攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和反應(yīng)釜組成。攪拌系統(tǒng)由變頻器、攪拌機(jī)和減速器組成,可對(duì)攪拌速度進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)。 加熱系統(tǒng)包括固態(tài)繼電器、加熱棒以及溫度傳感器。 系統(tǒng)通過(guò)對(duì)超純水和尿素總重量的精確控制,保證了溶液濃度的精確性。 用戶可以通過(guò)集成控制室觀察設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行步驟和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),操作簡(jiǎn)單方便,符合工廠生產(chǎn)系統(tǒng)要求。

1.2 系統(tǒng)工作原理

自來(lái)水首先進(jìn)入雙級(jí)RO 單元。 其中包括了預(yù)處理階段,即經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器,有效去除水中有機(jī)物、濁度、色度和余氯等。 然后進(jìn)入雙級(jí)RO 階段。 其原理是以壓力差為推動(dòng)力,對(duì)膜一側(cè)的料液施加壓力。 當(dāng)壓力超過(guò)它的滲透壓時(shí),溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反方向滲透,從而把溶液中的溶劑分離出來(lái)。 該階段可去除水中99%以上的懸浮物、膠體和98%以上的溶解鹽,以及大部分微生物和各類(lèi)有機(jī)物(total organism carbon,TOC)。 經(jīng)過(guò)兩次的RO過(guò)濾,可以得到更純凈的水。 隨后進(jìn)入EDI 單元。 其原理是電滲析和離子交換技術(shù)的結(jié)合,可對(duì)水連續(xù)進(jìn)行深度脫鹽。 最后進(jìn)入精處理階段。 經(jīng)由紫外殺菌器、拋光混床和精密過(guò)濾器,進(jìn)一步提升水質(zhì),達(dá)到超純水的水質(zhì)要求。 將超純水和高純尿素顆粒抽取到反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌溶解,其溶解速度會(huì)因溫度加熱和攪拌速度的增大而增快。

由于尿素易溶于水,當(dāng)高純尿素和超純水溶解時(shí)會(huì)發(fā)生吸熱反應(yīng),使得溶液溫度下降。 溶液溫度下降到結(jié)晶點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)晶,從而影響生產(chǎn)。 圖2 為尿素溶液濃度與結(jié)晶溫度的關(guān)系圖[9]。 當(dāng)溶液濃度低于32.5%時(shí),其結(jié)晶點(diǎn)溫度隨著濃度增加而降低。 在生產(chǎn)中,當(dāng)工作環(huán)境溫度較低時(shí),溶液溫度在攪拌過(guò)程中會(huì)下降到結(jié)晶點(diǎn),進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。 從防止結(jié)晶和提高溶解速度兩個(gè)方面考慮,系統(tǒng)采用比例積分微分(proportial integral differential,PID)溫度控制系統(tǒng)。

圖2 尿素溶液濃度與結(jié)晶溫度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between urea solution concentration and crystallization temperature

PID 控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等特點(diǎn),在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛[10-11]。 圖3 所示為PID 控制系統(tǒng)原理圖。 其根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際反饋值y(t)之間的偏差值e(t),對(duì)偏差值進(jìn)行比列、積分和微分計(jì)算,并通過(guò)線性組合得出控制量u(t),對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

圖3 PID 控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of PID control system

PID 控制系統(tǒng)的計(jì)算式如下:

式中:Kp為比例增益;Ti為積分時(shí)間;Td為微分時(shí)間。

溫度傳感器將采集到的實(shí)際溫度通過(guò)4～20 mA電流輸入模擬量,經(jīng)PLC 內(nèi)部A/D 模塊可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成5 530～27 648 的數(shù)字量,利用PLC 內(nèi)部運(yùn)算模塊將數(shù)字量換成實(shí)際溫度,實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)。 將實(shí)際溫度輸入至PID 算法,經(jīng)PID 計(jì)算后輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)至固態(tài)繼電器,繼而控制加熱器的通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液加熱溫度的穩(wěn)定控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

控制系統(tǒng)的硬件主要由控制模塊、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)采集模塊、控制對(duì)象四部分組成。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch of control system structure

控制模塊以PLC 為控制核心,通過(guò)采集數(shù)據(jù)模塊的模擬量信號(hào)進(jìn)行程序控制,且與人機(jī)交互界面進(jìn)行串口通信,完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與操控。 根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O 端口數(shù)、功能性,對(duì)PLC 進(jìn)行選型。 為滿足要求,選擇了西門(mén)子S7-200 SMART 系列的ST30 型PLC,并增加了AM06 模擬量模塊以及RS-485 信號(hào)板。

人機(jī)交互界面選用WEINVIEW 觸摸屏,型號(hào)為MT6102IQ,可通過(guò)RS-485 串口與PLC 進(jìn)行通信。 其具有豐富的界面設(shè)計(jì)功能,且采用10.2 英寸(1 英寸=25.4 mm)的液晶顯示屏,現(xiàn)場(chǎng)操作十分方便。 數(shù)據(jù)采集模塊由液位傳感器、流量傳感器、稱(chēng)重傳感器、溫度傳感器以及濃度傳感器組成。

PLC 端口分配如表1 所示。

表1 PLC 端口分配Tab.1 PLC port allocation

PLC 通過(guò)RS-485 信號(hào)板與液位傳感器、稱(chēng)重傳感器、濃度傳感器進(jìn)行連接,采用Modbus 通信協(xié)議進(jìn)行通信。 液位傳感器和溫度傳感器與PLC 模擬量模塊相連接。 繼電器、交流接觸器、開(kāi)關(guān)電磁閥組成了控制對(duì)象。

控制系統(tǒng)電路如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)圖Fig.5 Sketch of control system circuit

2.2 系統(tǒng)控制策略

目前,尿素顆粒溶解生產(chǎn)工藝流程為:提前制備好超純水并存放到超純水罐內(nèi);根據(jù)生產(chǎn)總量要求將超純水抽取到反應(yīng)釜,通過(guò)反應(yīng)釜側(cè)邊液位計(jì)進(jìn)行定量;隨后,向反應(yīng)釜內(nèi)加入稱(chēng)重好的高純尿素,同時(shí)進(jìn)行加熱攪拌;估測(cè)攪拌時(shí)間后手動(dòng)測(cè)量溶液濃度,判斷濃度是否達(dá)標(biāo)。 若不達(dá)標(biāo),則手動(dòng)添加物料,直到達(dá)標(biāo)后才停止加熱攪拌,并將成品抽取到溶液儲(chǔ)存罐。

對(duì)以上流程進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),影響溶液濃度的主要因素是對(duì)原料添加的精準(zhǔn)控制。 因此,為保證原料添加精準(zhǔn)以及生產(chǎn)原料配制方便,將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為自動(dòng)制備超純水程序、自動(dòng)生產(chǎn)條件滿足程序和自動(dòng)生產(chǎn)程序。 在自動(dòng)制備超純水程序中,制備的開(kāi)關(guān)由超純水存儲(chǔ)罐內(nèi)液位傳感器的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。 當(dāng)液位低于設(shè)定的停止液位時(shí),會(huì)不斷地進(jìn)行超純水的制備,直到到達(dá)停止液位,從而保證了充足的超純水儲(chǔ)存量,實(shí)現(xiàn)了超純水原料配制智能化。 自動(dòng)生產(chǎn)條件滿足程序是進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)的前提條件。 系統(tǒng)接收觸摸屏輸入的生產(chǎn)總量后計(jì)算得出生產(chǎn)原料所需量,然后將由采集到的超純水儲(chǔ)存罐內(nèi)液面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化計(jì)算得到的重量數(shù)據(jù)(這個(gè)數(shù)據(jù)不需要精確,只是作為超純水儲(chǔ)存量的參考值)以及高純尿素儲(chǔ)存罐內(nèi)尿素重量數(shù)據(jù)。 將這些數(shù)據(jù)與生產(chǎn)所需量比較,判斷是否滿足條件,從而確保了在生產(chǎn)過(guò)程中的原料添加連續(xù)性和生產(chǎn)高效率。 當(dāng)不滿足條件時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出原料不足報(bào)警,進(jìn)入原料配置等待區(qū)。 此時(shí),需將高純尿素儲(chǔ)存罐添加滿或者等待超純水制備。 當(dāng)滿足生產(chǎn)所需量后,自動(dòng)生產(chǎn)條件達(dá)標(biāo),進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)程序。

局部控制系統(tǒng)流程如圖6 所示。

圖6 局部控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flowchart of part control system

自動(dòng)生產(chǎn)程序流程如圖7 所示。

圖7 自動(dòng)生產(chǎn)程序流程圖Fig.7 Flowchart of automatic production procedure

進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)程序后,會(huì)先將超純水所需量的10%抽取到反應(yīng)釜內(nèi),隨后抽取超純水和高純尿素,并將加熱系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)同步打開(kāi)。 控制系統(tǒng)將采集的已抽取超純水的累計(jì)流量與生產(chǎn)所需量進(jìn)行比較。 開(kāi)始抽取時(shí),將尿素重量數(shù)據(jù)和當(dāng)前尿素重量數(shù)據(jù)的差值與生產(chǎn)所需量進(jìn)行比較,當(dāng)達(dá)到生產(chǎn)所需量時(shí)停止抽取原料。 之后系統(tǒng)進(jìn)入濃度判斷程序。 濃度傳感器測(cè)量精度為±0.1%,則當(dāng)溶液濃度在5 min 內(nèi)波動(dòng)不超過(guò)±0.1%時(shí),將此時(shí)濃度數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 若不達(dá)標(biāo),系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)增料步驟,計(jì)算出需補(bǔ)添的超純水或尿素重量數(shù)據(jù)。 重復(fù)以上操作后再次進(jìn)行比較,直到溶液濃度達(dá)標(biāo),系統(tǒng)停止反應(yīng)釜加熱攪拌,將成品抽取到溶液儲(chǔ)存罐內(nèi)。

車(chē)用尿素溶液存儲(chǔ)溫度為-5～ +35 ℃。 超過(guò)35 ℃時(shí),使用前需要進(jìn)行檢測(cè)。 因此,從生產(chǎn)效率和存儲(chǔ)要求兩方面考慮,系統(tǒng)在自動(dòng)生產(chǎn)中分為正常和高效兩種生產(chǎn)模式。 在正常模式下,以25 ℃加熱溫度和23.7 r/min 攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)控制;在高效模式下,以30 ℃加熱溫度和33.2 r/min 攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)控制。 系統(tǒng)默認(rèn)以正常模式運(yùn)行,用戶可根據(jù)生產(chǎn)要求,對(duì)生產(chǎn)模式進(jìn)行選擇。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

使用EBPRO 軟件對(duì)WEINVIEW 觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 整體操作界面設(shè)計(jì)主要包含7 個(gè)部分,分別是登錄界面、機(jī)器運(yùn)行界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控全局界面、報(bào)警事件界面、生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄界面、自動(dòng)模式界面和手模式界面。 首先,需要經(jīng)過(guò)登錄界面才能進(jìn)入操作界面。 登錄界面根據(jù)操作人員的屬性分為普通用戶和操作用戶兩個(gè)類(lèi)型,需分別設(shè)置不同的登錄密碼。 普通用戶只能查看機(jī)器運(yùn)行情況以及數(shù)據(jù)監(jiān)控信息。 操作用戶具有所有功能的權(quán)限,可以按需配置生產(chǎn)總量,設(shè)置溶液加熱溫度和攪拌速度2 個(gè)運(yùn)行參數(shù),查看報(bào)警事件記錄(包括電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行報(bào)警和生產(chǎn)原料不足報(bào)警2 種報(bào)警事件),查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄(會(huì)顯示最近7 天的生產(chǎn)記錄,需要每個(gè)星期進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出)。 數(shù)據(jù)監(jiān)控全局界面可在除登錄界面外的所有界面上顯示,并實(shí)時(shí)地觀察當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)情況。 操作用戶根據(jù)需求,可以進(jìn)入自動(dòng)模式界面和手動(dòng)模式界面,對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行操作。

2.4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

部分程序如圖8 所示。

圖8 部分程序圖Fig.8 Part of the program

在溫度控制程序編輯中,首先設(shè)置PID 回路向?qū)?將輸出選擇為數(shù)字量,循環(huán)時(shí)間設(shè)置為10 s,完成向?qū)гO(shè)置后編輯程序。 使用PID 控制面板,選擇自動(dòng)調(diào)整模式,Kp、Td、Ti三個(gè)參數(shù)會(huì)進(jìn)行自整定。 當(dāng)輸出值達(dá)到理想值時(shí),Kp為21.4,Td為0.1 min,Ti為0.2 min。將其更新到程序中,便完成了參數(shù)調(diào)整。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)

系統(tǒng)于2020 年7 月在貴州云山環(huán)保再生循環(huán)科技有限公司搭建成功并進(jìn)行試驗(yàn)。 為了驗(yàn)證自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率,首先利用設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn),將成品后的溶液濃度與工藝要求(31. 8% ～33.2%)進(jìn)行比較,判斷是否達(dá)標(biāo)。 溶液合格率如表2所示。

表2 溶液合格率Tab.2 Solution acceptance rate

由表2 可知,所生產(chǎn)的溶液濃度達(dá)到了工藝要求,合格率為100%。 用原有生產(chǎn)方式和優(yōu)化后自動(dòng)生產(chǎn)方式分別進(jìn)行了10 次生產(chǎn)試驗(yàn)。 在相同的攪拌速度和加熱溫度下分別生產(chǎn)1.0 t 和1.5 t 車(chē)用尿素溶液,并比較兩種生產(chǎn)方式下的平均生產(chǎn)時(shí)間。

優(yōu)化前后平均生產(chǎn)時(shí)間對(duì)比如表3 所示。 由表3可知,生產(chǎn)1.0 t 溶液時(shí),優(yōu)化后的自動(dòng)方式平均生產(chǎn)時(shí)間較原有方式平均生產(chǎn)時(shí)間減少了24.4 min,提高了大約25%的生產(chǎn)效率。 當(dāng)生產(chǎn)1.5 t 溶液時(shí),優(yōu)化后的自動(dòng)方式平均生產(chǎn)時(shí)間較原有方式的減少了38.2 min,提高了大約25%的生產(chǎn)效率。

表3 優(yōu)化前后平均生產(chǎn)時(shí)間對(duì)比Tab.3 Comparison of average production time before and after optimization

為了驗(yàn)證高效模式比正常模式的生產(chǎn)效率更高,自動(dòng)控制系統(tǒng)分別以高效模式和正常模式總共進(jìn)行10 次試驗(yàn)。 高效模式和正常模式下的平均生產(chǎn)時(shí)間對(duì)比如表4 所示。

表4 高效模式和正常模式下的平均生產(chǎn)時(shí)間對(duì)比Tab.4 Comparison of average production time between high efficiency mode and normal mode

由表4 可知,生產(chǎn)1.5 t 溶液時(shí),在高效模式下,平均生產(chǎn)時(shí)間較正常模式下的減少了10.6 min,提高了大約9%的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的車(chē)用尿素溶液自動(dòng)生產(chǎn)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和可靠運(yùn)行。

系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)進(jìn)程可視化、數(shù)據(jù)顯示過(guò)程化,且能夠按需配置查看生產(chǎn)記錄,具有人性化特點(diǎn)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)控制精度高,較原有生產(chǎn)方式提高了25%的生產(chǎn)效率,并且增加了高效和正常兩種生產(chǎn)模式供用戶選擇,滿足了不同的生產(chǎn)需求。