引言

空氣中的氣態(tài)有害物質,有一部分是揮發(fā)性有機化合物（V0Cs）,它指的是揮發(fā)性的碳氫化合物及其衍生物,包括烴類、芳烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、胺類、有機酸等,主要來自于溶劑生產過程或使用溶劑的加工過程中,例如化工和醫(yī)藥生產過程,噴漆、涂裝、粘結、金屬清洗過程,氣相膠、半導體和電子工業(yè)的生產和加工過程等,對人體及環(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化為無害物質,在廢氣中含純碳氫化合物的情況下,即轉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）及其運行原理。RTo用于凈化生產線產生的V0Cs,高溫（870～980C）燃燒其中的碳氫化合物,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,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閉[1]。

圖1所示為五腔RTo提升閥的切換順序,它分為10個步驟,每個陶瓷蓄熱槽（A～E）有5個入口槽、5個出口槽,每30s,兩個提升閥一個從入口切換到凈化,另一個從凈化切換到出口,提升閥永遠不會直接從入口切換到出口,以避免任何工藝氣體離開氧化爐。在提升閥移動時,進口蓄熱槽中的少量工藝氣體由于氣流中斷而不再到達燃燒室,因此這種空氣不能完全氧化和凈化,這個問題可通過一個特殊的凈化管道來解決。蓄熱槽的入口轉移到凈化,即一個提升閥室的進出提升閥關閉,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任何接觸）被主風機引回到氣體管道系統(tǒng),并與來自生產線的排氣混合,然后返回到氧化爐進行氧化。30s后,吹掃管道再次關閉,蓄熱槽用于入口或出口氣體流動。

如果氧化爐燃燒室的溫度過高,則新風風門打開,并向工藝氣體中添加新鮮空氣,直到燃燒室溫度再次達到范圍內;如果該措施沒有達到要求的效果,則氧化爐關閉。如果熱旁通的任何0ID回路溫度超過設定值,則熱旁通風門打開,熱旁通系統(tǒng)允許熱空氣直接從燃燒室排放到煙囪;如果該措施沒有達到要求的效果,氧化爐會因溫度過高故障而關閉。

2項目說明

某項目風量較大且V0Cs濃度較高,最終采用我公司自主研發(fā)、有獨立專利的五腔式蓄熱式熱氧化爐（RTo）進行凈化處理,此設備控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾產品,下文進行應用說明。

2.1控制系統(tǒng)構成和產品應用特點

2.1.1羅克韋爾產品的配置

為保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在設計選型上我公司沿用了一直信賴的羅克韋爾產品。整個系統(tǒng)硬件部分采用羅克韋爾公司生產的安全pLC系列(GuardILogix1756-L7xs）控制,普通I/0使用1756I/0,安全I/0使用1734I/0,遠程通信采用5個1756-EN2TEtherNet/Ip通信模塊,人機畫面采用AllenBradleypanelViewplus7屏幕,pLC編程軟件采用RsLogix5000,人機畫面編程軟件采用FactoryTalkView。由于該項目設計有11條生產線排入,需要RT0與每一條生產線進行通信,為了保證讀取數據的穩(wěn)定性,項目采用光纖通信。

2.1.2人機界面系統(tǒng)及操作系統(tǒng)

人機界面如圖2所示,它包含了整個系統(tǒng)的運行工藝畫面,最上層是故障顯示畫面,通過點擊指定圖形可以進入詳細控制畫面,例如點擊風門xCV34508,畫面跳轉至該風門的詳細控制畫面。

2.1.3工藝pID調節(jié)及控制

該項目設備自動化程度高,設備啟動后無須任何人員操作,全部實現(xiàn)自動化控制,此時羅克韋爾pLC的程序控制以及人機界面的人性化操作就顯示出了極大的優(yōu)勢。pLC根據生產線排放廢氣的壓力控制RT0的主風機速度,同時為了維持系統(tǒng)運行所需要的溫度,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)行機構是不一樣的,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,簡稱"PID控制",又稱"PID調節(jié)"[2]?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

PID控制器是一種線性控制器,它根據給定值r(1）與實際輸出值y(1）構成偏差:e(1）=r(1）-y(1）,將偏差的比例(P）、積分(I）和微分(D）通過線性組合構成控制量,對受控對象進行控制。輸入e(1）與輸出u(1）的關系為:

其傳遞函數為:

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

PID算法控制看起來很復雜,但好在羅克韋爾公司提供了集成的PID軟件控制產品,在編程軟件庫里可以找到PID模塊,此模塊的適用范圍非常廣泛,它對于所控制的過程類型是沒有限制的,無論是溫度控制、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機速度為例,簡單介紹使用編程軟件4RsLoix5000中的PID模塊的編程過程。

第一步,向內部變量裝載外部變量,將人機畫面輸入的設定值移動到PID模塊里的RP地址內,如圖4所示。

第二步,確認人機界面上的操作模式一自動和手動切換,自動模式為正常工作模式,手動模式為維修時使用模式,如圖5所示。

第三步,調用PID調節(jié)模塊(圖6）并輸入相關變量,變量在人機畫面中有詳細的描述,如圖7所示,RP是設定值,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,操作方式可在手動和自動之間切換,手動模式下,CV為固定值輸出,自動模式下,通過控制CV的輸出大小從而控制PV值達到sP值:下面一欄則是調整PID控制器的時間常數和比例值,Gain（P）是比例因子,Reset(I）是積分時間常數,Rate(D）是微分時間常數。

圖7PID參數設置畫面

2.2設備運行的問題及解決方案

(1）在設備調試開始階段下載PLC程序,遠程模塊都工作正常,只有變頻器無法通信成功,且檢查硬件配置及IP地址設定都正常,然后檢查變頻器通信模塊也未發(fā)現(xiàn)異常,內部參數也已正確設定。使用ping命令來檢查網絡,無法通信,更換新的連接網線后通信正常,但運行時還是會出現(xiàn)通信丟失狀況。后檢查判定該問題為通信線要經過變頻器,因而受到電磁干擾所致。重新布線后運行了一段時間,此問題未再出現(xiàn)。

(2）在設備調試中主風機變頻器有偷?，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,對所有聯(lián)鎖點進行監(jiān)控,即使有毫秒級脈沖也可以捕捉到累加器里。運行一天后在累加器里出現(xiàn)了“1",最后發(fā)現(xiàn)是PLC的數字量輸入模塊有一個通道存在問題,在更換新的通道后問題解決。針對這個問題的處理,RsLogix5000編程軟件指令系統(tǒng)的強大、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）在設備調試過程中,客戶提出一個安全問題:現(xiàn)在整個系統(tǒng)中風機都是依靠PLC來控制的,如果PLC出現(xiàn)故障,那么風機全部要停機,此時生產線側廢氣無法排出,就會有爆炸危險。經過思考,筆者決定重新設計整個控制系統(tǒng),風機變頻器既能夠受PLC控制,也可以獨立運行。經過反復研究,筆者設計了新的電氣圖紙并編寫了新的控制程序,硬件上增加了啟動和停止按鈕,連接線路到變頻器的外部啟動回路,完成后測試運行符合客戶要求。

(4）在設備正常運行中發(fā)現(xiàn),當生產線排入風量較低時,會造成整個系統(tǒng)溫度偏高,最終導致排氣溫度過高設備停機,而出口溫度高,操作人員故障復位后設備無法立即啟動,從而影響正常生產。為了解決這個問題,筆者在程序中增加了新的控制,通過壓差傳感器判定風量,在風量較低時打開新風補充風量,降低整個系統(tǒng)的溫度,同時在人機界面上增加PID控制畫面,找到一個最佳的壓力控制點去打開新風風門。針對該問題的處理,羅克韋爾的編程軟件及人機畫面系統(tǒng)給筆者提供了很大的幫助,使筆者能夠用較少的時間去解決問題,讓客戶可以盡快投入生產。

3結語

在該項目實際調試的過程中,羅克韋爾產品的靈活性、開放性,編程的可操作性,完善的技術文檔,良好的技術支持,有力縮短了現(xiàn)場調試時間,大大縮減了項目成本。同時,本系統(tǒng)可完全自主監(jiān)控,并可通過網絡通信技術送達監(jiān)控室從而實現(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品奠定了良好的基礎。

20220315_6230b10846ae0__羅克韋爾自動化產品在V0Cs處理系統(tǒng)中的應用