苏州擎邦机械关于制氮机的工作机理及简单的工艺流程,PLC控制系统设计方案,输入/输出接线图,软件流程图及调试结果,并介绍了设计过程中所用的节省输入/输出点数的技巧和方法及显示设定单元与主机之间的通讯问题.实际使用证明该控制系统性能稳定可靠,操作简便,经济实用且灵活性强.

1 引 言

制氮机是以空气为原料,以碳分子筛为吸附剂,运用变压吸附原理,使充满微孔的碳分子筛对气体分子有选择性的吸附来获得纯度为98～99.99%的氮气的新型制氮技术.

碳分子筛系由硬煤磨细后,经一系列加工成型烧结所得.经活化成型后的碳分子筛其晶粒体分布着无数微孔孔穴.碳分子筛属于速度分离型吸附剂,由于分子直径小的氧分子O2比分子直径稍大的氮分子N2在运动中的扩散速度要快十倍,所以,从分子动力学来讲,当空气进入碳分子筛床层时,分子直径小的氧以较快的速度进入碳分子结晶微孔中,氧被富集在碳分子固相中,而氮分子则在气相中富集,从而将氧气和氮气从空气中分离开来.碳分子筛对氧的平衡吸附量随吸附压力升高而增加,随压力的降低而减少,即所谓变压吸附.当进碳分子筛床层的空气压力降低到常压0.1MPa时,即所谓筛微孔中吸附的氧分子即被释放出来,即所谓常压解吸.为了能连续不断地生产出合格氮气,必须对生产过程中的各个流程进行自动控制.

PSA制氮机控制系统原先采用的是继电接触控制方法,所用器件多,触点易损,控制单一,体积大,无法随时检测Y1～Y8电磁阀的好坏.通过对工艺流程和控制要求的分析,为了使控制系统更加灵活,可靠,操作方便且具有通用性,我们选用了无锡华光公司的SM-16T型PLC进行控制.PLC控制方法灵活,不需用时间继电器,可实时显示工作流程并监视工作时间,并具有简单,实用,美观,操作方便的人机界面.

2 制氮系统控制要求分析

空气压缩机用来提供足够的气量和相对恒定的输入压力0.75～0.8MPa的原料气,经冷干机除水,除油,除固态粒子等净化处理后,为了能连续不断地输出恒定的氮气,系统设置了A,B两个吸附塔进行交替工作.由气源系统来的纯净压缩空气,经电磁气动控制阀Y1,Y2由吸附塔A下部进入塔体,经吸附塔中碳分子筛床层吸附,并逐步向上推进,在此过程中,空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中,而氮被浓缩在气相中,由塔上部流出,经电磁气动控制阀Y6,Y8进入氮气贮罐,此过程即为A塔吸附制氮.与此同时,B吸附塔中吸附的氧分子经由电磁气动控制阀Y5排空,即B塔解吸至常压.A,B两塔交替进行连续供氮.当A塔中碳分子筛对氧的吸附量将达到平衡时,则该塔立即停止吸附.此时Y1,Y4,Y5,Y8均处于关闭状态,而Y2,Y3,Y6,Y7同时处于开启状态,实行A,B两吸附塔均压,均压后即切换进入B塔吸附,A塔解吸状态.此时压缩空气经电气控制阀Y1,Y3进入B吸附塔下部,经B塔中碳分子筛床层吸附.分离出来的氮气经Y7,Y8进入氮气贮罐,即B塔吸附制氮.这样A,B两塔交替吸附,解吸,即形成连续不断的向氮气贮罐输送氮气.以上Y1～Y8电气控制阀的动作顺序,切换时间等全部由PLC控制,使二塔连续不断供应合格氮气.

在正常工作时自动循环过程如下:

按程序启动键→冷干机启动→延时X秒→空压机启动→延时X秒→进入吸附A→延时X秒→均压A=B→延时X秒→吸附B→延时X秒→均压B=A→延时X秒→再次进入吸附A,如此自动循环.按停止键,系统全部停止工作.

控制要求有手动和自动两种工作方式,并要求在手动方式时能进行Y1～Y8阀的检查.

在手动时能独立起动,停止空压机和冷干机;能显示吸附A,均压A=B,吸附A,均压B=A四个阶段Y1～Y8的开启情况;各项操作均应有指示灯显示.

自动工作时,应能按照自动工艺流程要求工作,并能在模拟工艺流程图中显示相应的工作状态.同时对自动运行过程中的各延时时间均要能任意调节,并能实时显示和查询当前延时设定值.

3 PLC控制系统

3.1 输入/输出点数的确定与PLC的选择

根据工艺流程和控制要求分析,PSA制氮机的输入信号有19个,分别是手动操作按钮,自动操作按钮,自动起动按钮,停止按钮,空压机起动按钮,冷干机起动按钮,吸附A按钮,均压A=B按钮,吸附B按钮,均压B=A按钮,阀检测按钮,Y1～Y8阀检测按钮8个;阀检测按钮只有在手动方式下起作用,而Y1～Y8阀检测按钮只有在阀检测按钮按下后有阀检测指示后才起作用.

输出信号也是19个,分别是Y1～Y8阀输出8个,手动状态指示,自动状态指示,自动起动指示,停止指示,空压机工作指示,冷干机工作指示,吸附A指示,均压A=B指示,吸附B指示,均压B=A指示,阀检测指示.即在每一个输入信号旁边均有相应的指示.电磁阀Y1～Y8的工作电压为直流24V,功率8W.

根据一般的设计方法,至少要选带19点输入点和19点输出点的PLC,或采用主机加扩展的方式.为了使控制系统可靠,实用,经济,我们选用了无锡华光有限公司的SM-16T作为基本单位,外加L-16T作为扩展单元,并用CL-02DS作为参数设定和监控单元.

SM-16T具有10个输入点和6个输出点,采用直流24V汇点输入方式,直流24V晶体管NPN型输出方式.SM-16T本身的工作电压为交流220V,并带有RS-485和RS-232通讯接口,可实现CCM协议,无协议通讯.RS232接口又兼作编程口.程序的存放采用FlashROM,无需后备电池;L-16T有16个输出点,采用直流24V晶体管NPN型输出方式,L-16T与SM-16T之间通过RS-485进行通讯;通过CL-02DS液晶式显示设定单元可进行参数的设定和监控,它与SM-16T之间通过RS-232进行通讯.

3.2 输入/输出点的编号分配和输入/输出接线

实际设计中,由于输入信号相对较多,我们同时采用了硬件和软件上的设计技巧,19个输入信号只占用了SM-16T的8个输入点,输出点用了SM-16T上的3点和L-16T上的16点共19点.具体输入/输出编号分配如下:

I2--冷干机按钮,手动操作按钮,Y1阀检测按钮;

I3--空压机按钮,自动操作按钮,Y2阀检测按钮;

I4--吸附A按钮,自动起动按钮,Y3阀检测按钮;

I5--均压A=B按钮,停止按钮,Y4阀检测按钮;

I6--吸附B按钮,Y5阀检测按钮;

I7--均压B=A按钮,Y6阀检测按钮;

I10--阀检测按钮,Y7阀检测按钮;

I11--Y8阀检测按钮;

Q0--冷干机中间继电器及指示;

Q1--空压机中间继电器及指示;

Q2--阀检测指示;

Q20--手动操作指示;

Q21--自动操作指示;

Q22--程序起动指示;

Q23--程序停止指示;

Q24--吸附A工作指示;

Q025--均压A=B工作指示;

Q26--吸附B工作指示;

Q27--均压B=A工作指示;

Q30～Q37--分别控制Y1～Y8阀输出及指示.

在输入点中有4点为一点三用,3点为一点二用,为了判别在某一时刻是哪个输入信号起作用,我们用了SM-16T的三个输出信号点Q3,Q4,Q5,作为一点三用的各输入信号公共端,同时利用软件控制使得Q3,Q4,Q5循环接通,通过软件和硬件上的配合,使得输入信号减少一半多.

3.3 软件设计及技巧

对于输入点的一点三用或二用,在硬件上用了Q3,Q4,Q5作为它们不同的公共端,但在某一时刻到底是的哪个信号起作用呢,这时可用软件的方法配合判别,具体做法见图3所示的梯形图.在图3中,用了一个计数器C0让Q3,Q4,Q5在不同时刻接通,由Q3,Q4,Q5所带的常开接点和PLC的直接输入接点的"与"来判断到底是哪一个信号起作用,并用内部线圈来表示不同的输入信号.

软件编程采用华光公司编程软件DirectSOFT2.3进行梯形图设计和通讯参数的确定.DirectSOFT2.3是WINDOWS环境下的PLC编程软件,使用方便,简单,功能强大,利用它可进行程序设计,编程实现,编写注释说明文档,语法检查及与PLC进行通讯等.

用DirectSOFT2.3软件进行梯形图设计调试,语法检查后,可将以下传写入SM-16T,这时PLC可进行模拟运行,在运行之前,必须正确设置RS-232接口和RS-485接口的通讯参数.我们均选用9600bps,CCM通讯协议,8位数据位奇校验方式.

另外,工作流程各阶段的延时时间参数的设定由CL-02DS人机接口单元完成,先将CL-02DS通过RS-232接口与计算机通讯,采用CL-02DS软件编程,确定设定延时时间参数所用的寄存器号和监控时间参数所用的寄存器号,另外也可设定报警

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