《武汉工程大学学报》 2014年01期
63-68
出版日期：2014-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
实时温度测控系统在材料浓缩提取技术上的应用
0 引 言机械蒸汽再压缩蒸发（mechanical vapor recompression技术，简称MVR），是一种可以重新利用自身产生的二次蒸汽能量并能节省人工劳动力的蒸发工艺，如今已经在各个行业得到广泛运用. 其工作原理是将蒸发器蒸发产生的原本需要冷却水冷凝并排放掉的二次蒸汽，经蒸汽压缩机压缩升温后，再送入蒸发器换热室作为加热热源，替代生蒸汽循环利用［1］. 由于重新利用自身产生的二次蒸汽能量，减少了对外界能量的需求，很好的起到了节能节水的效果. 但对二次蒸汽温度的控制精度低，人机交互困难，难以实现MVR系统的自动化运行. MVR温度监控系统主要由采集温度装置和控制温度装置两部分组成，其中采集装置主要有Pt100热电阻和EM235模拟量处理模块；温度控制装置有罗茨风机、变频器、西门子S7-200 PLC和MCGS组态软件等. 这两部分构建了一个基于MCGS组态软件的PLC温度监控系统. 本系统可以实现对二次蒸汽温度的定值控制，并可对系统运行状态做到实时监控及实时反馈，使操作人员快速准确地了解系统实时的运转状况. 1 系统方案由于MVR系统对料液的蒸发温度要求高，所以在此系统中采用西门子PLC S7-200作为控制器对换热室中的二次蒸汽进行温度控制，主要是通过罗茨风机压缩二次蒸汽来提高蒸汽的温度，而罗茨风机主要是由变频器来控制转速. 首先根据温度控制方案进行软件编程，然后通过控制变频器可调节罗茨风机转速进而改变二次蒸汽温度，并将采集到的温度通过数据电缆传输实时的显示到控制面板中. 在MVR温度监控系统中，硬件方面关键部分是控制元件的选择，本系统选取西门子PLC S7-200 CPU224XP控制器作为控制元件，并还需1个EM235模块用作模拟量输入输出［2］；软件方面选取SETP7-Micro/WIN编程软件以及MCGS组态软件制作控制面板界面. 由于在系统中采集的二次蒸汽温度是模拟量参数，所以系统还选用EM 235扩展模块，EM235模块可将模拟信号转换成数字信号，模拟量参数输入到该模块进行模数转换并送入控制器，可实现对二次蒸汽温度的采集. MVR控温系统设计中还选用了西门子MM440变频器，在本次控制系统中主要是控制调节变频器来改变罗茨风机的转速，从而调节二次蒸汽温度的大小. 控制系统结构图如图1所示. 2 系统控制方案在本次MVR二次蒸汽温度监控系统中主要采用PID闭环反馈调节控制系统［3］，如图2所示，PID闭环反馈调节控制系统能够对二次蒸汽温度进行精确调节和控制. 在MVR系统中，主要是在负压下加热二次蒸汽，而二次蒸汽的温度低于100 ℃，所以采集蒸汽温度选取Pt100热电阻就可满足. 首先将Ptl00铂热电阻传感器检测到的二次蒸汽温度信号进行标度转换并转换成标准电压信号送至EM235模拟量处理模块［4］，然后由EM235模块处理后转换成标准数字信号存放到PLC的寄存器中. 为了读取寄存器里的温度值［5］，在PLC程序中编写了子程序读取采集到的温度值，并将其按编写好的标度转换程序转换成0～1之间的实数，之后在中断服务程序中将转换之后的实数送至PID控制模块进行偏差运算，然后将运算结果转换成PLC能够识别的标准数字输出信号［6］，并送入EM235模块转换成0～10V的标准电压输出信号，通过控制变频器调节罗茨风机的转速进而改变二次蒸汽温度，直至与设定值接近或相同. 并通过MCGS组态平台来实时地监控MVR系统中二次蒸汽温度的变化，可以更加直接、方便的观察二次蒸汽温度的变化情况. 3 系统软件设计 MVR温度监控系统中的PLC控制程序主要由主程序、子程序和中断服务程序三个部分组成. PLC首先运行主程序并完成继电器触点的初始化设置、手自动档切换控制以及PID参数的初始化；中间跳入子程序并完成二次蒸汽温度的数据采集、标度变换，最后跳入中断服务程序完成PID加热室控制以及跟踪及输出等功能. 内部采用PID运算也就是比例、积分、微分等运算控制对二次蒸汽温度值进行运算比较. 系统偏差由目标值[r(t)]与反馈值[c(t)]通过数值计算得出 ［7］： [e(t)=r(t)-c(t)] （1）系统偏差通过PID反馈调节进行调控，其控制规律为： [u(t)=Kp[e(t)+1Ti0te(t)+Tdde(t)dt]] （2）而在本文中主要是温度设定值（目标值）与温度采集值（反馈值）构成的偏差. 首先建立温度控制主程序，对输出点进行初始化设置并启动子程序，如图3所示. 当二次蒸汽温度低于60 ℃时，自动开启压缩机加热，不经过PID调节；当二次蒸汽温度高于60 ℃时，启动压缩机加热，并运行PID控制进行温度自动调节，直到与设定温度吻合，如图4所示. 子程序主要是对二次蒸汽温度的采集和标度转换，如图5所示. 由AIW0输入的是6400-32000的数字量，运算时要转换为实际的温度，转换公式为： [T=(D-6400)×10032000-6400] （3）其中，[T]为实际温度，[D]为AIW0输入的数字量［8］. 4 温度监控系统的组态监控软件可以采用北京昆仑通态的MCGS嵌入版组态软件进行人机交换软件设计. 打开MCGS组态，软件界面上有五个窗口，主要在用户窗口中构建MVR温度控制系统所需的人机交换界面，并可对所需的各个构件进行组态 ［9］. 第一步启动组态软件新建一个工程，新建工程里面可以选择触摸屏的型号以及背景的颜色和大小；进入工作台出现5个窗口，其中主控窗口可以放置多个用户窗口，并可根据用户策略对这些用户窗口进行管理和调度；然后在设备窗口中对西门子PLC与组态软件进行连接和设置，首先点击打开设备窗口，选择通用串口父设备，然后选择西门子S7200PPI，完成与外部设备的连接 ［10］；用户窗口主要是在工程中设置监控系统需要的人机交换界面，点击用户窗口，选择新建窗口，弹出动画组态窗口，在窗口里可以建立动画显示界面、显示灯开关、温度输入输出框以及实时温度曲线等. 组态完人机界面之后还需对各个构件进行属性定义，还可根据操作要求对构件进行脚本程序编写. 实时数据库如图6所示. 5 系统调试在控温程序以及控制面板组态完成后，可将MCGS组态软件和西门子PLC进行连接通讯 ［11］. 首先连接好PLC和PPI电缆，然后在MCGS组态软件开发平台上选择相应设备，设备层次关系构建好后，就可进行属性修改. 在STEP7-Micro/WIN 编程软件中点击“设置 PG/PC接口”图标按钮，在该窗口修改各个通讯参数，然后将控温程序下载到PLC控制器中，最后对程序变量和组态软件构件进行通道连接 ［12］. MCGS组态软件中对构件变量设置时，可对构件属性进行设置并与PLC中的程序变量进行相应的连接，否则会发生通讯不成功. 连接完毕后，下载工程并进入运行环境，启动MVR温度控制系统，进行在线调试 ［13］. 首先检测手动开启和停止变频器的开关按钮是否通讯成功，然后观察MCGS运行界面的温度曲线是否显示正常；然后通过设定温度值，启动变频器，观察二次蒸汽温度的实时曲线，如果当二次蒸汽温度低于设定温度时，实时曲线处于上升趋势，当实时温度达到设定温度时，实时曲线继续向上波动，但基本维持在设定温度附近，则说明调节系统正常. 本系统完全符合检测要求，实现了对MVR系统中二次蒸汽温度的智能化控制，并能更直接的观察到二次蒸汽实时温度的变化 ［14］. 6 结 语上述主要针对MVR系统中二次蒸汽温度的控制问题，构建了基于MCGS组态软件的PLC温度监控系统. 采集控制系统以西门子S7-200 CPU224XP PLC控制器为核心，首先通过测温元件采集二次蒸汽温度信号，经由EM235模块进行数据转换并实时传入PLC控制模块，PLC通过设定程序对参数进行转换和逻辑判断，然后PLC根据用户的控制需求对模拟量参数进行调整控制，最终能够达到系统设定的温度值，提高了对二次蒸汽温度的控制精度. 监控系统能够及时显示采集数据和建立实时温度曲线 ［15］，完成了对MVR系统中二次蒸汽温度的在线监控，很好的实现了人机信息交换和MVR系统的自动化运行. 致 谢在系统开发的过程中，对于武汉纽威制药机械有限公司提供的实验和现场测试工作的帮助，在此表示衷心的感谢！图2 基于MCGS的PLC温度闭环控制系统结构图Fig.2 Based on MCGS PLC closed loop temperature control system structure图1 控制系统结构图Fig.1 Control system structure模块温度传感器二次蒸汽温度RS232/4850～10VAI工 控 机组态软件0～10VAQ变频器压缩机控制器计算机D/AA/D温度控制单元变送器温度对象被控变量MCGSEM235S7-200PLCPt100图3 初始化程序Fig.3 Initializing program图4 温度调节程序Fig.4 Thermoregulation program图5 温度采集程序Fig.5 Temperature collection programSM0.1M2.0R100.0R1网络2SM0.0SBR_0ENSM0.0Vw332<=|60M1.0M2.0Vw332>|60网络4网络标题SM0.0M2.0MOV_WENENOINOUT20000Vw200Vw20090.0Vw332ENPIDO_INITPV_ISetpoin~OutputSM0.0Vw300MOV_WENENOINOUT320.0Vw300AIW0I_DIINENENOOUTVD300VD304ENENODIV_RIN1IN2OUTVD308VD308VD300DI_RENENOINOUTVD304MUL_RENENOIN1IN2OUTVD31210.0ENENOINOUTVD312VD316ROUNDDI_IINENENOOUTVD316Vw320DIV_IENENOIN1IN2OUTVw332Vw320+10吴和保，等：实时温度测控系统在材料浓缩提取技术上的应用图6 实时数据库Fig. 6 Real time database吴和保，等：实时温度测控系统在材料浓缩提取技术上的应用