论文：变压吸附制氧装置的PLC控制研究.pdf

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 such 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 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 principles 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 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 control 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 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 characteristics 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 running 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 oxygen 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 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的能力，为下次吸附制氧做好准备。简单的讲：就是通过 4华中科技大学硕士学位论文增加压力而在吸附塔内进行吸附氮气，排出氧气；通过降低压力来使吸附塔中被吸附 的氮气解吸出来并排掉，实现分子筛的再生和循环使用。1.3.4 变压吸附制氧的步骤变压吸附制氧常采用下面几步以2叫1)吸附(Adsorption)：满足一定条件的原料气(空气)被送进吸附塔，由塔内床 层装填的分子筛进行吸附，分离出氧气并排出。2)均压(Pressure Equalization)：排氧后的塔和经过反吹洗的塔接通，使得压力均衡,从而回收部分氧气和对另一个要升压的塔进行预升压，减少升压时间，节省了能源。3)放空(Blowdown)：完成了吸附排氧和均压的塔，为了更进一步降低吸附塔的 压力使分子筛再生，就必须打开吸附塔使氮气更彻底地解吸出来并排到大气中，为下 次吸附制氧做好准备。根据方式的不同，分为逆向放空(Countercurrent Blowdown)和 顺向放空(Cocurrent Blowdown)o4)反吹洗(Purge)：用制取出来的氧气对吸附塔床层进行反向吹洗，使分子筛更 彻底地恢复吸附特性。5)升压(Re-pressure)：用压缩空气将吸附塔内的压力增加到要求的吸附压力。1.3.5 变压吸附工艺变压吸附工艺是一种常压解吸制氧工艺，适用于中小型制氧装置，根据制取的氧 气的压力不同，目前主要有下面两种流程：1)当制取的氧气压力小于0.2Mpa时，通常采用图1-2的工艺流程。空气被作 为原料经空气压缩机压缩、冷却、分离游离水之后被送进吸附塔。从图1-3的制氧操 作流程图可以看出，这种工艺流程的均压是在两个吸附塔的上端进行的，当其中一个 吸附塔进行降压时，均压气体从另一个吸附塔的上端进人，压缩气体则从而下端进入。顺放逆放清 洗均压吸附均压吸附顺 放逆 放清洗图1-2氧气压力VO.2Mpa时 图1-3制氧操作流程图(氧气压力0.2Mpa时)PSA制氧工艺流程图5华中科技大学硕士学位论文2）当制取的氧气压力大于0.2Mpa时，通常采用图1-4的工艺流程，空气作为 原料气经空压机压缩、冷却、分离游离水后，进人冷冻式干燥器干燥，接着送入空气 贮罐存储，由空气贮罐直接对吸附塔提供气源。同前面的工艺流程比较，该工艺流程 在吸附塔下端设置了一个将两个吸附塔下端连通的换向阀门。从图1-5的制氧操作流 程图中能够看出，均压是在两个吸附塔的上下端同时进行的。当其中一个吸附塔床层 压力下降时，该床层干燥区吸附的水分会部分解吸，为避免过多的解吸水分会随着均 压气进人另一个吸附塔床层，因而增加了前面的干燥设备以降低进如吸附塔的空气的 水汽含量。该工艺采用了上下同时均压的制氧流程，一方面在均压使床层饱和区间隙空间的 空气部分会向下移动，使得上端的氮气浓度减小；另一方面在均压时随着床层压力的 降低，饱和区解吸的氮浓度较高的气体也会向下端移动，占据了干燥区和床层下端间 隙空间。这样使得氧气损失减少，利于氧气回收。均压逆放清洗均压吸附均压吸附均压逆放清洗图1-4氧气压力0.2MPa时 图1-5制氧操作流程图（氧气压力0.2MPa时一）PSA制氧工艺流程图1.4 变压吸附制氧设备及其控制方法现状变压吸附制氧技术是20世纪60年代末兴起的具有重要意义的新型制氧技术。1951年Union Carbide Corporation的Milton发明制造出来了沸石田分子筛，并为了能 够利用这种新型的分子筛来吸附制氧而进行新的工艺流程的研发。Skarstrom和 Guerin de Montgareuil。，在i960年创造了变压吸附空气分离技术。从那时候起，直至 今天，人们对变压吸附空气分离技术进行了大量的探索和研究3-27,使其得到推广和 6华中科技大学硕士学位论文应用。特别是对中小型制氧设备系统来说，变压吸附制氧技术凭借其自身无比的优势 得到了广泛的应用。在工艺设计、流程优化及应用等方面，国内自己开发研创的变压吸附制氧技术已 达到世界领先水平。但就变压吸附制氧技术的整体水平而言，与国外先进水平还存在 不小的差距，例如吸附机理理论和创建吸附数学模型的研究、新型高效分子筛的研发、自动化程度等方面还有待发展和提高28。美国的Oxygen Generating Systems Inti公司是有名的供氧设备系统生产厂家，其 产品系列中的PSA中心供氧系统采用沸石分子筛和双塔吸附制氧工艺,制取的氧气浓 度可达到95%o其通过采用电磁阀组的开闭来控制气体流向在两个吸附塔之间的轮 换。而通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)作为控制系统的控 制主机来控制电磁阀组开闭的顺序，满足制氧工艺流程的需要，从而确保了控制系统 工作的稳定性和可靠性。法国诺尔(NOVAIR)公司也是有名的制氧设备生产厂家，其生产的制氧设备系统从技术角度来说，与美国Oxygen Generating Systems Inti公司 的相似，同样采用了变压吸附制氧技术和双塔吸附制氧工艺流程，也运用PLC实现设 备系统的自动控制。在国内，浙江瑞气公司生产的供氧系统由空气压缩机、冷冻干燥器、PSA制氧机、传感器等组成。可配备氧压机及储氧瓶等装置，这样就能确保在断电或故障时能继续 供氧。该系统的PSA制氧机采用双塔制氧工艺流程，并由可编程逻辑控制器控制各个 电磁阀的通断来进行系统制氧的过程。除此之外还有山西埃尔制氧设备有限公司、湖 北武汉福斯特公司、江苏昆山锦沪机械有限公司、北京中通公司等也生产此类供氧设 备。中小型制氧设备系统大都采用变压吸附制氧技术和双塔吸附制氧工艺，其制氧流 程采用可编程逻辑控制器控制各个电磁阀的通断来实现。其制氧系统设置的电磁阀不 多，控制逻辑比较简单，易于实现自动控制，但氧气回收率不高29,3吗大概只有25%30%o从对制氧系统的控制和工艺流程的实现来讲，变压吸附制氧控制技术包括PLC控 制、全气动控制、单片机控制等。PLC控制在制氧设备系统中得到了广泛的应用，如前述的几个公司生产的制氧设 备系统。这种方式具有操作简便、控制逻辑简单、运行稳定、功能多、抗干扰性强等 优点，而且能够实现整个制氧设备系统运行自动控制和方便进行远程监控3。7华中科技大学硕士学位论文全气动控制的制氧设备系统主要采用气控阀门来实现对系统制氧运行过程的一些 控制其优点是元器件少、设备紧凑、成本低廉，维护方便，缺点是难以实现系统 运行过程的全自动控制等。单片机控制就是采用单片机作为制氧设备系统的控制器，借助固态继电器来间接 控制各个电磁阀的开启和关闭，使制氧流程顺利进行RI。这种方式的优点是控制器价 格低廉，使得系统成本降低，但需要设计复杂的接口电路来实现控制的功能，而且程 序的修改需要在系统停机状态下重新烧写才能完成，同时芯片的可靠性不够高和抗干 燥性不够强，使得单片机控制系统的稳定性和可靠变差。1.5 研究目的和内容本课题的研究目的在于，为实验室提供一种有别于单片机控制的基于可编程逻辑 控制器PLC控制的新的制氧设备控制系统，使制氧设备制氧运行过程自动控制；能够 实时地监测和显示氧气浓度，并且根据氧浓度的变化来切换制氧程序，使得能够快速 的制得高浓度氧气和能够获得更多的制氧量；同时结合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。这样 的控制系统能够使制氧设备系统的功能得到增加，提高了制氧设备系统的稳定性、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以及科研实验的效率，而 且同时给设备系统的安装，调试和维修带来了方便。本课题的主要研究内容：1）建立实验室制氧设备系统制氧流程控制方式。分析实验室制氧设备系统的组 成，结合制氧设备系统的工作原理和工艺流程以及制氧流程的特点，来确定制氧流程 的控制方式。2）确定实验室制氧设备控制系统的控制结构。在分析制氧设备工作原理的基础 上，结合系统工作运行过程中的控制要求及特点，确定控制系统的控制结构形式。3）制氧设备系统运行过程自动控制。根据制氧设备系统的具体运行过程，提出运 行过程的控制要求，采用可编程逻辑控制器控制技术，结合其控制功能和特点进行硬 件设计，从而实现这个制氧设备系统运行过程自动控制。4）根据测氧仪测量氧气浓度的结果来自动切换制氧程序。采用具有模拟量输出功 能的测氧仪，将模拟量经由模拟量模块转化后反馈给PLC,并和设定的值进行比较，根 8华中科技大学硕士学位论文据比较结果选择相应的制氧程序运行。5）在线修改制氧流程参数。根据PLC的功能和特点以及结合编程软件的应用功 能，实现在不停止制氧设备系统运行的情况下在线修改制氧流程参数，从而不影响整 个制氧设备系统的运行，为实验和科研提供便利。9华中科技大学硕士学位论文2实验室制氧设备和控制方法及技术本章从介绍实验室制氧设备的组成、制氧设备工艺流程、双塔吸附制氧流程开始,接着根据本课题研究的目的和内容，提出控制系统设计的要求，选定制氧设备系统的 控制方案，最后对本控制系统采用的可编程逻辑控制器控制技术进行介绍，以方便后 续工作的开展。2.1 PSA制氧设备的组成实验室所用的PSA制氧设备采用双塔变压吸附制氧结构，主要的设备有空压机、干燥器、空气储罐、吸附塔、氧气储罐、压力截止阀、数字压力远传表、测氧仪等，如图2-1,2-2所示：实验室采用的是两台无油空压机，主要用来对制氧主机提供变压吸附用的具有 一定压力的压缩空气，为吸附塔变压吸附制氧创造气源条件，并且空压机自带有手动 放水阀门，每次准备起动系统进行制氧前都应先将空压机内的水和残压放掉；干燥器 则主要是用来除去空气中的水分及杂质，保证给吸附制氧提供合格的空气（因为如果 空气中携带水汽，就会使吸附塔内所装填的分子筛受潮，致使其吸附能力减弱，而导 致无法正常顺利地制取出所需要浓度的氧气，为避免这种情况的发生就必须进行干燥 除水）；空气储罐主要是存储一定量的压缩空气，以方便提供给吸附塔气源，同时空 气储罐起到了缓冲的作用，能够减小因充压、均压、反吹等引起的压力波动，这样更 利于整个制氧系统的稳定运行；在空气储罐的出口和制氧主机的进口之间装有压力截 止阀，保持进入制氧主机的压缩空气压力相对的恒定；数字压力远传表则用来测量空 气储罐中气体的压力，并输出压力对应的电压模拟信号，反馈给控制器；测氧仪用来 测量氧气浓度，并输送出相应的电流模拟信号，反馈给控制器；两个吸附塔是变压吸 附制氧的地方，主要是利用塔中装填的分子筛的吸附特性吸附由空气储罐中提供的压 缩空气中的氮气，将氧气分离出来，并将氮气解吸排放到大气中，从而制得氧气；氧 气储罐则用来存储由吸附塔分离出来的氧气。10华中科技大学硕士学位论文图2-1实验室PSA制氧装置正面图2-2实验室PSA制氧装置背面2.2 PSA制氧设备工艺流程变压吸附制氧制氧设备采用的工艺流程如图2-3所示:11（S0-S8为电磁阀，其中SO为二位五通电磁阀，并与接触器2-KM2连接，KM1为接触器1）辛聿 游 汁 佛 国 Hr 佛 百*华中科技大学硕士学位论文工艺流程：空气作为变压吸附制氧的气源先经过无油空压机压缩，接着进入干燥 净化器除去压缩空气中水分、油的含量及其他一些杂质，经干燥净化后的压缩空气输 送到空气储罐暂存，并按照控制时序有序的送到吸附塔。在一定压力的条件下打开进 气阀S1和在二位五通电磁阀SO的切换分配导流下，压缩空气进入A吸附塔（B吸附 塔处于排氮状态），装填在A吸附塔内的分子筛就吸附氮气，分离出的氧气将从吸附 塔的另一个出口排出；并且在吸附期间，对B吸附塔利用浓度高的氧气，打开反吹阀 S6进行反吹洗，使B吸附塔内的分子筛更彻底的再生和使氮气解吸更彻底并将其从 排氮阀排出；A塔吸附一定的时间后分子筛的吸附能力将到饱和，这时将打开A塔排 氧阀S2（B塔的排氧阀是S3）,使浓度高的氧气进入到氧气储罐，排氧结束后，吸 附达到完全饱和，这时关闭压缩空气进阀S1和排氮阀S4,打开A吸附塔的均压阀 S5与B塔均压，降低其压力；一定时间后均压结束，关闭均压阀S5,在控制器时序 的控制下，切换二位五通阀SO的导向，打开A吸附塔的排氮阀S4,A吸附塔开始排 氮，同时打开进气阀S1让压缩空气进入B吸附塔，B吸附塔开始和A吸附塔一样的 吸附制氧过程。在氧气浓度达到设定的目标要求后，如果有加压泵则启动加压泵，将 符合浓度要求的氧气从氧气储罐中加压输送到特定的存储罐，以便使用。2.3 PSA双塔吸附制氧流程本实验室双塔吸附制氧流程为上下同时均压制氧流程，每个循环周期为八步，每 个制氧时刻A吸附塔和B吸附塔各自对应一步，按控制器设定的时序进行各步，协 调工作，循环制氧。双塔吸附下均压制氧流程如表2-1所示：表2-1双塔吸附上下同时均压制氧流程及电磁阀开关状态表双塔A塔升压保压保压排氧均压排氮反吹排氮均压B塔排氮反吹排氮均压升压保压保压排氧均压SOS1S2S3S4S5S6注明：“-”表示阀门处于闭的状态，“”表示阀门处于通的状态13华中科技大学硕士学位论文2.4 系统设计要求及控制方法选定2.4.1 设计要求本变压吸附制氧设备控制系统设计要满足以下要求：1）选用成熟的控制技术。2）控制系统的设计要便于实际的使用，给实验室做实验及科研带来便捷。这样对 所采用的控制器结构上要求尽量简单，元器件能够在市场上很方便的买到，以方便实 验室做研究使用以及便于对控制系统设备的调试和维修。3）控制系统的运行要有高的可靠性、稳定性和抗干燥性，控制系统只有具备了高 的可靠性和稳定性才能够让实验室科研人员在做实验时更顺利的进行和得到更可靠 的实验数据。这样不仅节约了时间、提高了效率，同时也降低了实验操作人员的劳动 强度。4）控制系统的设计的成本应尽量低，在满足技术和控制系统运行要求的前提下，要从具体需求的实际出发，降低控制系统的成本。5）从将来发展的需要来看，控制系统的功能要具有可扩展性，这样才能使控制系 统更好的更久的服务于科研和实验，也进行更多的实验。2.4.2 控制方法的选定实验室变压吸附制氧设备系统主要采用两种控制方法：单片机控制和PLC控制。其性能比较如表2-2所示：通过对比上表中列举的单片机控制和PLC控制的性能可以看出，虽然PLC控制 在成本上要略高于单片机控制，但是其强可靠性和强抗干扰性已经编写程序、修改程 序、维修等明显优于单片机控制。由于变压吸附制氧系统通常采用空压机、电磁阀等 具有比较强电磁干扰的设备和器件，这就要求控制系统必须具有强的抗干扰能力才能 确保控制系统稳定地运行，所以最终选择PLC控制。14华中科技大学硕士学位论文表2-2单片机、PLC控制的性能比较性能单片机控制PLC控制技术成熟度成熟成熟功能强强灵活性较灵活灵活线路复杂性输入、输出接口电 路比较复杂简单程序修改的简便性需要停机，对程序进行重新烧写，不方便能够在线进行修改，不影响运行，很方便研发时间周期较长周期短可靠扰性较低高抗干性易受干扰环境适应性强扩展性不易扩展串联模块，很容易实现维护的难易程度不易维护较方便成本0.50.7万0.91.1万2.5 制氧装置的PLC控制技术在确定了采用PLC控制方法后，本节将要针对PLC控制技术进行相关的介绍，主要包括PLC的功能，结构及工作原理。可编程序控制器是新一代的工业自动化控制装置，在工业中获得了广泛的应用 34351,特别是微处理器（MPU）被用来作为PLC的中央处理单元，大大加强了 PLC 的功能。2.5.1 PLC的功能PLC的功能由mJ如下:1）逻辑控制功能逻辑控制功能本质上就是位处理功能。PLC通过利用其内部设置的“与（AND）“或（OR）“非（NOT）等逻辑指令，同时结合现场输入设备的状态如外部开关、按 钮及传感器反馈的信息等，并且遵循设定的逻辑进行运算处理之后，将结果输出到电 磁阀、空压机等现场受控对象。在PLC中，能够很方便的修改逻辑关系，而且可以无 15华中科技大学硕士学位论文限次的使用任一个逻辑位的状态。2）定时控制功能定时控制功能是PLC最基本的功能之一，PLC内设置有相当数量的定时器，其功 能类似于时间继电器。定时器可以通过用编程软件来对其设定定时时间，也可以在具 体运行过程中根据实际需要修改定时时间。这样在程序执行时，PLC就可以通过设定 的定时器指执行某些限时或延时控制的操作，从而满足生产工艺的需要。3）步进控制功能PLC内设置有若干个移位寄存器，可以利用其来实现由计数、时间或其它设定的 逻辑信号为转步条件的步进控制，这样就可以使得在一个工序完成后自动转入满足转 步条件的工序中去。4）监控功能PLC内设置了较强的监视功能。操作人员可以通过监视器或是编程设备对PLC有 关部分进行运行状态的监视。而在这种功能状态下，操作人员可以通过编程设备对定 时器等的设定值和当前值进行修改，也可以根据实际运行的需要来改变PLC内部数据 区内容和逻辑信号的状态，这样可以为调试和维修带来很大的方便。5）断电记忆功能PLC内部设置了部分存储器所使用的RAM为断电保持器件（如保持继电器），这 样可以使得在断电后这些存储器中的内容得到保存。这样就可以通过这些具有断电记 忆功能的存储器，对断电时的工作状态进行爆出，而当PLC电源恢复后，就可以从断 电时的工作状态开始继续运行。2.5.2 PLC的结构PLC的一般组成结构网如图2-4所示。PLC采用类似于计算机的组成结构，主 要包括CPU、存储器和I/O接口电路等，其内部数据和指令的传输采用总线结构。16华中科技大学硕士学位论文憧入设着编程器三三微革理器f qu）运算器电源输入单元控制骞输出单元用户摘出设冬了 盒式磁带机一4 打印机一S EPROM写入写一 备图形监控系统一 Lc或上位计算机一/()扩展接口存储器EPROM（累烧程序）RAM（用户程序）1/0 扩 展 机图2-4 PLC的结构示意图PLC的I/O接口电路（输出类型为继电器输出）如图2-5、2-6、2-7所示:COM修 波输入选押器17华中科技大学硕士学位论文图2-7继电器输出电路2.5.3