［關(guān)鍵詞］ 色譜分離；模擬移動(dòng)床；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；Profibus；監(jiān)控系統(tǒng)
1 前 言
色譜是根據(jù)混合物中不同組分在兩相間平衡分配的差異提取物質(zhì)的一種分離技術(shù)。近30年來(lái)，色譜技術(shù)發(fā)展很快，產(chǎn)生了環(huán)形色譜、錯(cuò)流梯度色譜、移動(dòng)床（TMB，True Moving Bed）、模擬移動(dòng)床（SMB，Simulated Moving bed）等各種適合不同生產(chǎn)工藝需求的大型、連續(xù)制備色譜技術(shù)。其中SMB通過(guò)液體出入口位置的不斷切換實(shí)現(xiàn)固體的模擬移動(dòng)，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)小、投資成本低、產(chǎn)率高、分離能力強(qiáng)、能耗低、污染少、便于連續(xù)化、大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代分離技術(shù)中備受青睞的新技術(shù)，其應(yīng)用面也越來(lái)越廣。為擴(kuò)大SMB技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)8年攻關(guān)，完成了利用SMB色譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)檸檬酸清潔化生產(chǎn)的工業(yè)規(guī)模級(jí)研究和采用SMB色譜技術(shù)代替活性炭脫色的工業(yè)化生產(chǎn)。成果引起國(guó)內(nèi)外知名檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)和麥糖、果糖等生產(chǎn)廠(chǎng)家的關(guān)注，已有多家廠(chǎng)商表示希望合作進(jìn)行采用SMB技術(shù)的工藝改造。
然而不同的產(chǎn)品除了所需吸附樹(shù)脂不同外，其操作工序和操作條件也不同。每一種產(chǎn)品的工藝改造都需經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，若對(duì)每一個(gè)廠(chǎng)家的具體要求都要先建造一套中試裝置，然后進(jìn)行試驗(yàn)，再培訓(xùn)技術(shù)人員、投入生產(chǎn)，不論是經(jīng)濟(jì)上還是時(shí)間上都是不允許的。為解決這一難題，筆者設(shè)計(jì)了一套可移動(dòng)的多功能色譜分離中試裝置，配以能實(shí)現(xiàn)多種工藝的自動(dòng)控制，以便于迅速到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝研究和試驗(yàn)，滿(mǎn)足SMB技術(shù)應(yīng)用研究推廣的目的。
2 中試裝置設(shè)計(jì)
與外界、各儲(chǔ)罐與總管之間也有相應(yīng)的電磁閥，整個(gè)裝置共有228個(gè)電磁閥，根據(jù)工藝要求由PLC控制這些電磁閥的動(dòng)作，從而滿(mǎn)足“模擬移動(dòng)”的要求。設(shè)計(jì)中采用管道共用和閥門(mén)冗余技術(shù)，以達(dá)到盡可能減小設(shè)備體積以及滿(mǎn)足不同工藝的吸、脫附流向要求。8根色譜柱的溫度、進(jìn)料和出料流量等模擬量信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控，故設(shè)備上也有相應(yīng)的檢測(cè)元件。整套設(shè)備的安裝體積為5m×2．8m×3m，可用一輛5t卡車(chē)運(yùn)載。其中所有的電磁閥都有規(guī)律地裝在四周，并且注有標(biāo)記，便于觀(guān)察和維修。
3 中試裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也遵循體積小、便于拆卸和安裝的原則。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，將所有的控制線(xiàn)送至集中控制柜，現(xiàn)場(chǎng)將需要有大量控制線(xiàn)，不便于維護(hù)，也不適合裝置的“多功能、靈活性”的要求。Profibus是目前惟一具備成熟的本質(zhì)安全方案的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，故系統(tǒng)采用PROFIBUS系列中的PROFIBUS－DP總線(xiàn)。
由SMB原理可知，對(duì)于某種特定工藝的分離過(guò)程而言，每根柱各個(gè)閥門(mén)的動(dòng)作順序及工藝參數(shù)的控制要求都是相同的。因此控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了以設(shè)備為單位的思想。其結(jié)構(gòu)如圖3―1所示，由上位工控機(jī)、基于Profibus的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)和I／O模塊構(gòu)成典型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。
Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的主控模塊選用了SIEMENS的基于bbbbbbs NT的純軟件PLC解決方案：WinAC。這樣系統(tǒng)上層為工業(yè)PC機(jī)，既作為PLC的軟CPU，承擔(dān)遠(yuǎn)程控制功能，又作為監(jiān)控、管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)還可進(jìn)行新工藝組態(tài)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
下層由以SIEMENS的S7－300系列PLC功能模塊為主的10個(gè)控制單元組成，其中1?！??？刂茊卧布M成和控制功能相同，分別控制1＃～8＃色譜柱，另外兩個(gè)控制單元分別控制3只色堿罐、硫酸罐、色水罐以及模擬量。每個(gè)控制單元的輸入輸出模塊通道都有盈余，便于功能擴(kuò)展和維護(hù)，又都具有手動(dòng)裝置，便于脫離上位機(jī)獨(dú)立操作，這在調(diào)試、摸索新工藝試驗(yàn)時(shí)都是必要的。
上位機(jī)和各控制單元之間通過(guò)Profibus－DP總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)硬件和計(jì)算機(jī)、各設(shè)備之間采用PROFIBUS－DP總線(xiàn)專(zhuān)用接頭連接，減少現(xiàn)場(chǎng)連線(xiàn)，便于維護(hù)，方便拆卸和安裝，滿(mǎn)足了經(jīng)常移動(dòng)的要求。
系統(tǒng)采用上述設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是：8個(gè)色譜柱的控制單元硬、軟件結(jié)構(gòu)相同，可適應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中色譜系統(tǒng)規(guī)模的變化；大大簡(jiǎn)化軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試；危險(xiǎn)分散，維護(hù)方便，提高可靠性，符合分散控制和模塊化設(shè)計(jì)思想；在工藝成熟后的工業(yè)擴(kuò)大化過(guò)程中，可直接套用控制系統(tǒng)的軟硬件方案，縮短工業(yè)擴(kuò)大化周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
同樣，軟件設(shè)計(jì)也針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，總體分工遵循兩層模式，組態(tài)管理由西門(mén)子組態(tài)軟件WinCC實(shí)現(xiàn)，控制功能采用軟PLC解決方案WinAC，均集中在工業(yè)PC中進(jìn)行，完全由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制和管理。
系統(tǒng)要求適合多種工藝，這里以某糖液脫色工藝為例，介紹控制程序的總體設(shè)計(jì)方法。糖液脫色工藝是順序控制，每根柱輪流經(jīng)歷吸附和再生階段。在吸附階段，先要進(jìn)料，即打開(kāi)相應(yīng)的泵、閥門(mén)，進(jìn)料量通過(guò)調(diào)速電機(jī)和電磁閥來(lái)控制，等柱滿(mǎn)后（根據(jù)流量和時(shí)間來(lái)決定），關(guān)閉有關(guān)閥，同時(shí)打開(kāi)循環(huán)進(jìn)入下一根柱的閥，依次進(jìn)行吸附。在前6根柱吸附完畢后等待一段時(shí)間，開(kāi)始第7根柱的吸附，同時(shí)第1根柱取下再生。根據(jù)以上的工藝介紹可知，控制上要實(shí)現(xiàn)每根柱的吸附再生操作及柱之間的操作順序，各個(gè)階段的延時(shí)時(shí)間，還要能在特殊情況下暫停生產(chǎn)，在故障修復(fù)后恢復(fù)生產(chǎn)。同時(shí)檢測(cè)溫度、控制流量使其達(dá)到設(shè)定值。在控制程序主流程中，要考慮到系統(tǒng)開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)的特殊性，此時(shí)幾個(gè)柱都是空的。生產(chǎn)正常時(shí)，8根柱輪流進(jìn)行吸附再生，具有明顯的規(guī)律性。在回路控制上，利用STEP7內(nèi)置的FB41控制功能塊，實(shí)際生產(chǎn)中整定參數(shù)就可滿(mǎn)足要求。
基于系統(tǒng)的具體情況，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采取了一些針對(duì)性的方法：
（1）設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)中每個(gè)閥都能進(jìn)行單獨(dú)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)操作，由于系統(tǒng)中電磁閥數(shù)量較多，采用32位數(shù)中二進(jìn)制位代表閥門(mén)的操作狀態(tài)，可大大節(jié)約變量數(shù)；
?。?）控制系統(tǒng)主要為順序控制，在PLC程序設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)方法，將定時(shí)中斷OB35設(shè)為1s，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每秒鐘執(zhí)行OB35一次，在OB35中根據(jù)當(dāng)前所處的階段，將該階段對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值減1，當(dāng)減到0時(shí)執(zhí)行下一階段的動(dòng)作，同時(shí)裝入下一階段的時(shí)間（s），這樣處理程序比較簡(jiǎn)捷，完成諸如暫停、裝載新時(shí)間等操作較方便；
（3）上位組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于性質(zhì)類(lèi)似的操作，不必逐一給出操作畫(huà)面，可以共用一操作畫(huà)面。如系統(tǒng)中閥的操作，只要設(shè)計(jì)一個(gè)操作畫(huà)面，其中可以進(jìn)行手／自動(dòng)、手動(dòng)開(kāi)／關(guān)認(rèn)定，對(duì)工藝畫(huà)面中某個(gè)具體的閥操作時(shí)，先根據(jù)當(dāng)前的閥設(shè)定某個(gè)變量（閥號(hào)）的值，操作畫(huà)面中根據(jù)這個(gè)變量（閥號(hào)）對(duì)相應(yīng)的閥進(jìn)行操作，并顯示出操作的閥號(hào)，這樣可大大節(jié)省工作量；
?。?）PLC程序設(shè)計(jì)中，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，對(duì)常用的程序段用FB或FC實(shí)現(xiàn)，可使程序清晰易懂，便于調(diào)試。由于STEP7不是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，在具體編程時(shí)借鑒面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想。比如在柱的控制上，將柱的控制集中到一個(gè)功能塊（FB）中，不同的柱配以不同的數(shù)據(jù)塊（DB）。這樣就實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)和代碼的分離，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序的工作量。
5 結(jié)束語(yǔ)
該裝置能適應(yīng)多種工藝要求，控制系統(tǒng)采用Profibus和軟PLC等技術(shù)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)輸、安裝，適應(yīng)性強(qiáng)，在江蘇、山東等地的檸檬酸生產(chǎn)和糖液脫色的新工藝改造過(guò)程中取得了顯著的效益。采用該中試裝置到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，從新工藝路線(xiàn)研究到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)只需3個(gè)月左右時(shí)間。經(jīng)過(guò)改造的新工藝可降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，改善勞動(dòng)環(huán)境和強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，深受企業(yè)歡迎。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|