论文:变压吸附制氧装置的PLC控制研究.pdf
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1、 硕士学位论文变压吸附制氧装置的PLC控制研究独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关
2、数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。保 密口,在 年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。(请在以上方框内打W”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月 日日期:年 月日华中科技大学硕士学位论文摘要在节能降耗越来越被关注和强调的今天,变压吸附制氧技术以其成本低、能耗小、制氧浓度高等优点,被广泛的应用于中小型制氧系统,具控制系统的设计和研究也越 来越受到重视。本文进行了变压吸附制氧装置的控制研究,以实验室制氧设备系统为受控对象,采 用了变压吸附制氧技术和双塔吸附结构上下同时均压的制氧流程。在了解变压吸附制 氧技术原理、工艺及流程的基础上,着重介绍了本
3、控制系统所采用的PLC控制技术;从实验室的具体实际出发,分析实验室制氧设备工作原理、工艺流程及其具体运行过 程的特点,提出运行过程的控制要求,建立了 PLC电磁阀一空气储罐一二位五通阀 气体流向吸附塔的制氧流程控制方式和确定了系统顺序控制结构,进行了硬件设 计;结合编程知识的学习掌握和编程软件功能的应用,进行了软件编程。通过硬件设计和软件编程,实现了本控制系统的控制功能和预期的控制目标:使 得制氧设备系统运行过程自动控制;通过测氧仪测量氧气浓度,并且根据氧浓度的比 较结果来自动切换制氧程序;结合PLC的特点和编程软件的功能来实现在线对制氧流 程参数进行修改而不影响制氧系统的继续运行,从而改变采
4、用单片机控制时对程序修 改必须得停机进行重新烧写才能够运行新的制氧程序的情况。本文设计的控制系统使得实验室制氧设备系统的功能得到了增加,也提高 了控制系统的稳定性、可靠性和可操作性,从而提高实验室制氧设备系统 的技术含量,同时也给设备系统的安装,调试和维修带来了方便。关键词:可编程逻辑控制器变压吸附制氧系统控制系统I华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTMore and more Attention is being paid and stressed on Lowering Energy Consumption at the present.Due to its advantages su
5、ch as low cost,low energy consumption,high oxygen concentration,PSA oxygen generator technology is being widely used in small and medium sized oxygen system,the design and research of its control system is also being more and more taken seriously.This paper conducts a study on the control system of
6、PSA oxygen generator device,takes the laboratory oxygen generation equipment system for the controlled members,adopts the PSA oxygen generator technology and“two-tower structure,up and down equal pressure oxygen generator flow.On the basis of the knowledge of the PSA oxygen generator technology prin
7、ciples and technological process,especially focused on the control technique of the PLC which is adopted in this control system;from the concrete reality of the laboratory,analysis the working principle,technological process and the characteristics of the specific operation process of the laboratory
8、 oxygen generation equipment,proposes the control requirements of the operation process,establishes the control mode of the oxygen generator flow,that is 什om PLC to magnetic valve,to air accumulator,to two position five way valve,to Gas flow to adsorption tower”,and determine the system sequence con
9、trol structure,all these for the hardware design;With the learning of the programming knowledge and master the applications of the programming software features,to make the software programming.Through the hardware design and the software programming,turn the control functions of the control system
10、and the expected control objectives in true:making the operation process of the oxygen generation equipment system automatic control;being able to display oxygen concentration,and switching the oxygen generation program according to the change of the oxygen concentration;Combining with the character
11、istics of PLC and the functions of the programming software to modify the parameters of the oxygen generator flow on line,which doesnt affect oxygen generation system continued to run,changing that,when modifying the parameters of the oxygen generator flow of MCU ControPs,has to stop the systems run
12、ning in order to running the new oxygen generation program.The control system of this paper increases the functions of the laboratory oxygen generation equipment system,Improves the control systems stability reliability and 华中科技大学硕士学位论文operability,Improves the technology content of the laboratory ox
13、ygen generation equipment system,brings convenient to equipment systems installation,commissioning and maintenance at the same time.Keywords:Programmable Logic Controller,Press Swing Adsorption,Oxygen Generation System,control systemin华中科技大学硕士学位论文目录摘要.IABSTRACT.II1绪论1.1 课题背景.(1)1.2 制氧技术简介.(2)1.3 变压吸
14、附制氧技术.(3)1.4 变压吸附制氧设备及其控制方法现状.(6)1.5 研究目的和内容.(8)2实验室制氧设备和控制方法及技术2.1 PSA制氧设备的组成.(10)2.2 PSA制氧设备工艺流程.(11)2.3 PSA双塔吸附制氧流程.(13)2.4 系统设计要求及控制方法选定.(14)2.5 制氧装置的PLC控制技术.(15)3硬件设计3.1 控制目标、控制对象和过程控制要求.(21)3.2 制氧流程控制方式及系统控制结构.(24)3.3 电路设计.(25)3.4 控制系统的电气原理图.(28)4软件设计4.1 CX-Programmer 软件.(36)IV华中科技大学硕士学位论文4.2
15、编写程序.(41)5实验与结果5.1 测量值和模拟量值关系实验.(52)5.2 控制功能试验.(57)6总结和展望6.1 总结.(62)6.2 展望.(62)致谢.(64)参考文献.(65)附录1浓度比较子程序.(68)附录2快速制氧子程序.(69)v华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题背景氧气是工业生产中一种极其重要的气体,在金属冶炼、化工生产、环境保护、军 事应用和疗养等各个领域有着其广泛的用途”2。传统的氧气制取方法主要是深冷法(低温精储法),这种制氧方法主要优点是氧气纯度高,并可以得到副产品氮气;但 缺点是投资大、能耗高、开停车时间长。现在新型的氧气制取方法是采用变压吸附和 膜分
16、离,但由于目前技术水平本身未够的原因,膜分离制氧的纯度较低,一般在40%以下,从而导致了其局限性较大;变压吸附(PSA)制氧气技术是一种新型、科技含量 高、成熟而先进的空分制氧技术,与深冷分离法比具有流程周期短、运行方便、成本 低、能耗小、启停迅速,制氧过程在常温下完成、制氧浓度高(可达95%)等优点。因此在中小型规模制氧系统中,特别是在对氧气浓度要求不是非常高的方面,变压吸 附制氧得到了充分而广泛的应用。在能源相对紧缺的今天,随着节能降耗技术的大力 推广和环境保护要求的不断提高,变压吸附制氧的市场将不断地拓展。变压吸附制氧设备系统中安置了相当数量的阀门,正是通过控制这些阀门有序协 调地开闭来
17、实现制氧流程的控制和进行。因此在变压吸附制氧系统运行过程中,要求 频繁的开闭阀门来实现制取氧气。而这种频率高而工作量大的操作是很难靠人工操作 来完成的。因此必须提高变压吸附制氧装置系统运行过程的自动化水平。变压吸附 装置自动化经历了从单纯的开关量控制到比较复杂的模拟量控制,从简单的气动控制 到集成度高的微型计算机控制的发展过程,控制功能也越来越强大。由于单片机控制 器集成度高、价格低廉,很多实验室变压吸附制氧系统采用单片机控制器,但是由于 单片机芯片可靠性不够和抗干燥能力不强以及其生产加工工艺难以满足更高的控制 要求,使得制氧系统运行的稳定性受到影响,从而影响了实验研究的进程和质量。可 编程逻
18、辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以其性能可靠、运行稳定、不易 受干扰、编程简单易学、低能耗等优点在中小型PSA制氧装置系统中得到了广泛应用。华中科技大学硕士学位论文1.2 制氧技术简介国内外常用的空分制氧技术有四种:深冷(Cryogenic Systems)法、水电解法、膜分 离法、分子筛变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)法等四。1)深冷法:这是早期工业大规模空分制氧中采用的最成熟的制氧技术,其主要 是利用空气组分中氮气、氧气的等各成分的沸点和液化温度不同,通过在一定温度下 对空气进行压缩使其液化后,再对其进行汽
19、化蒸镭,不同沸点的组分就会先后被分离 出来,从而制得氧气。然而这种技术投资大,能耗高,设备结构复杂,操作也繁琐,只有在生产规模大、氧气浓度要求高的情况下才比较适用。2)水电解法:主要就是通过消耗电能来使水分解,从而制取到氧气。水电解法能 够生产出高纯度的氧气,但要使用大型而复杂的设备装置和消耗大量的电能,使得制 氧成本太高。3)膜分离法:主要是采用有机薄膜技术,通过有机聚合膜对空气各组分的选择渗 透性,使得渗透速度快的氧气就先透过聚合物膜并在低压侧富集起来,从而实现氮氧 分离,但是制得氧气的浓度不高。这种制氧方法设备简单,操作容易,也能够进行大 量的生产,而且不污染环境,投资费用低。但有机合成
20、膜存在容易破损等缺点,使得 其工业应用受到限制。4)PSA法:这种方法是20世纪研发出的新型空分制氧方法,主要原理是利用分 子筛的选择吸附特性对空气中各成分的进行选择吸附,从而实现氮氧分离,制取高浓 度的氧气(可以达到95%)。PSA制氧设备系统结构紧凑、体积小,安装方便、运行 费用低,目前广泛应用于中小规模的空分制氧系统中PSA制氧机有如下优点:(1)系统能够在常温下进行生产,而且吸附的压力不高。(2)采用空气作为原料,投资省。(3)生产流程少,结构紧凑。(4)能够根据需要来调整制取氧气的浓度和产量,从而便捷地满足不同的生产要 求。(5)系统启停迅速,可以随用随开,操作自由度大。2华中科技大
21、学硕士学位论文1.3 变压吸附制氧技术1.3.1 吸附的定义Kayser】在1881年首次采用“吸附,一词来表示气体在颗粒自由表面上富集。“吸 附”现在被国际严格定义为:一个或多个组分在界面上的富集或消耗。在变压吸附制 氧中,界面就是指多孔固体材料(吸附剂)与空气接触的表面,富集就是指空气组分 中的氮气和敏气等一种或多种组分被吸附富集在吸附剂的自由表面,这样就使得氧气 从空气中分离出来。因吸附而累积在吸附剂自由表面的组分脱离自由表面的过程被称 为解吸过程。这样就可以通过吸附和解吸这两个过程的交替,实现空气中不同组分的 分离和制取。当然要分离出空气中不同的组分要求吸附剂拥有这样的性能:(1)吸附
22、剂对空气中不同组分能够有选择吸附特性,或平衡选择吸附特性或动态选择吸附 特性;(2)在一定的压力条件下,吸附剂对空气中的不同组分的吸附量不同且差异比 较大;吸附剂对组分的吸附量随着压力的增加而增加、减小而减小。这样就可以通过 增压进行吸附,实现组分分离;通过减压进行解吸,实现吸附剂的再生和循环利用。1.3.2 吸附分离机理W161)平衡性机理这种机理主要是基于在吸附剂进行吸附并达到吸附饱和时,通过吸附剂对不同组 分的吸附量具有很大的差异来实现不同组分的分离。2)速率型机理这种机理主要是根据不同组分的分子在进入吸附剂表面的细孔时其扩散速度的 不同来实现的。这样就要求准确的把握好不同组分的选择吸附
23、时间并加以控制,使得 吸附剂表面聚集的不同组分的吸附量存在比较大的差距,从而实现不同组分的制取。3)筛分型机理这种机理主要是通过吸附剂自身的晶体结构来实现的。吸附剂的晶体结构就确切 地规定了其表面细孔孔径的形状和大小,这样就使得只有当组分分子形状相类似且分 子直径小于孔径时才能通过细孔而被吸附,其他形状不同或直径大于孔径组分分子则 通不过细孔而被分离出来。3华中科技大学硕士学位论文1.3.3 变压吸附空分制氧的原理变压吸附制氧一般采用分子筛作为吸附剂,尤其是吸附性能比较好的5A沸石分 子筛,其实现分离的机理属于平衡性机理,就是利用分子筛晶格中的阳离子跟此分 子和。2分子偶极矩作用力的差异来实现
24、的。由于分子筛晶格中的阳离子与用分子 偶极距的作用力大于分子筛与。2分子偶极矩的作用力,从而使得分子筛在吸附平衡 时对氮气的吸附量远大于对O2的吸附量。5A沸石分子筛吸附特性I网如图1-1所示:吸附量L/Kg分子筛14131211109876543123456789 tO压力/lO4pa图1-1 25c时Nz/Oz/Ar在5A沸石上的等温吸附曲线从图中可以知道:相同压力下分子筛吸附平衡时对氮气的吸附量要大于对氧气的 吸附量,而且随着压力的增加平衡吸附量的差异也不断变大;分子筛对氮气的平衡吸 附量随着压力的增加而增加,减小而减小。因此可以通过增加吸附氮气、分离出氧气;减小压力解吸出氮气,使分子筛
25、获得再生,便可循环使用。正是分子筛的这种吸附特 性为实际的空分制氧提供又一种实现的途径。在实际的变压吸附制氧系统的运行过程 中,空气经压缩机压缩并进行过干燥过滤后被送进吸附塔,这时装填在吸附塔床层中 的分子筛由于本身的吸附特性而优先吸附氮气,氧气则被分离并从吸附塔的出气端排 出;在分子筛吸附一定时间后,其会达到吸附饱和的程度,失去了吸附制氧的能力。为了让分子筛能够重新恢复吸附制氧的能力就必须将饱和吸附的氮气解吸出来并排 放掉。而这个解吸过程在常压下就可以进行:排出制取的氧气后,打开吸附塔的进气 端,由于环境压力低于吸附塔内的吸附压力,氮气就被解吸出来并排掉,这样使得分 子筛再生而恢复其吸附制氧
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