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基础知识

PLC、PC和总线控制系统

2014-06-24 20:31:20 合肥沃腾膜分离设备有限公司 已读

本世纪控制设备经历了快速发展,这个发展已从纯机械控制系统进入各方面都非常杰出的微机控制系统。

从模拟量到数字信号的过渡还没有完成。测量装置输出420mA信号还是一个普遍标准。然而,数字信号的发展也已是一个明确的发展趋势。

过去流行的气动控制器和继电器有一个优点:它们完全可以用一把小折刀进行维修。因此,当今世上还有一些地方适用简单技术。 但人们似乎并不喜欢简单的方法,许多最终用户需要最新、最好的微机控制系统,因此供货商也喜欢销售这类系统。

PLC已经发展了许多年了,有许多制造商。本人并不特别指定使用何种产品,但竭力建议选择好的品牌。虽然购买不出名的品牌可以省一些钱,但这样懂得维护和编程的人也少。当然这样不能满足工业操作的要求。

PLC编程发展很快,但还不能提供和用户友好的接口。本人相信它会慢慢超越或与普通的微机编程结合起来。

微机控制的应用还不太多,但也有一些供货商承诺提供可以简易编程的强大但简单的系统。

总线计算机控制系统已发展很多年了。它们应用于非常大型的场合如热炼厂和造纸厂。西门子和Allen Bradley在这个领域中有非常良好的声誉。这类控制系统价格也非常昂贵,但往往赠送服务和维修。几乎很少有最终用户能自行编制这些计算机程序。已经拥有一个系统的最终用户经常考虑的是控制系统的型号和品牌,希望使用同一型号和品牌也是很容易理解的。

不要为了节而购买一套便宜的控制系统。一旦系统瘫痪则得不偿失

 

 

 


如何控制膜系统

大致来说,有一些不同的方法控制膜过滤系统,至少当你认可主流的控制系统的话。控制系统的选择主要依据处理物料的种类和整个工厂的设计方案。另一方面,报警和控制点数与工厂的设计方案更密切些,而和处理的物料种类则关系不大。

主要的控制方法有:

n  压力控制

n  比率控制

n  总固体控制

n  粘度控制

n  手动控制

压力控制法最常用,因为它被广泛应用于水脱盐工厂中。

在工业项目中,比率控制法用得最多。

总固体控制法用于一些乳制品系统。

粘度控制法用于一些少见的系统,如多糖的处理等。

手动控制很少用于工业系统。

一般介绍

可以将几个控制方法组合获得一个更稳定的最终产品。

下表列出了一些简单的必须注意的原则。

33 工厂控制方法的组合

 

比率控制法

总固体控制法

+恒流量控制

反渗透RO

Yes

Yes

Yes

纳滤NF

Yes

Yes

Yes

超滤UF

Yes

Yes

No

微滤MF

Yes

Yes(?)

No

在膜系统中常见的控制环路

压力控制

我们必须控制系统中的压力使其达到某一点。

几乎所有的纳滤和反渗透脱盐系统都采用压力控制系统。系统中操作参数可以在很长一段时间内保持恒定。在反渗透和纳滤系统中,压力和通量成线性关系,这样其控制系统也比较简单和直接。因此压力控制容易实现,但很难实现进一步保护膜和保持稳定其的性能。

流量比例控制

一个流量比例控制器的功能是保证进入系统的体积与离开系统的浓液的体积的比例能达到操作人员设置的一个平稳的设定值,即体积浓缩率或度。在进料管线和浓缩液管在线必须各装一台流量计。真正的控制功能由一个具有调节器和定位器的气动或电动浓缩阀来实现。流量计信号送到控制器,控制器根据接收到的信号发送一个指令使浓缩阀到达指定的位置。见图13

13 比例控制器

设计和操作一个比例控制器比较简单。当物料组分比较稳定时,控制功能也会令人满意的。

有人曾经多次建议使用渗透液流量代替浓缩液流量来进行调节。这种系统可以在许多场合运行,但也不是所有的,它有一些根本性的问题。有时在过滤过程中加入一些水以减少通过膜(全过滤)的某一组分的量。这时根据渗透液流量的控制系统无法运行,而且当浓缩比率比较高时,即使一个很小的调节错误也可能导致非常糟糕的结果。

因此测量浓缩液流量更好些,它“总是”有效。

当涉及到全过滤时,有两个流量比例要控制:体积浓缩比例、水与浓液之比。建立一套如图14所示的只有三套流量计的系统是很具有吸引力。全过滤的体积决定于进料流量,但这显然也是危险的。调节错误或操作错误将导致全过滤体积超过来自前一段的浓液的流量,结果浓液流量消失。这样固体将堆积,随后膜会阻塞。

14 带全过滤以及三台电磁流量计的比例控制系统

 

一个安全的操作系统应象图15那样有4台流量计。这类设计可以确保全过滤水的流量不超过前段浓缩液的流量。

           

15 带全过滤以及四台电磁流量计的比例控制系统

总固体控制器

总固体(TS)或总不溶解性固体(TDS)是不常用于膜过滤的控制参数。而全牛奶的超滤却是例外,在这里这种方法常被使用。因为超滤牛奶时浓缩常用于乳清类产品,因此总固体的正确性很重要。另一个例外是有时使用折射计的造纸和纸浆行业。

折射计需放置在两个确切的位置。 第一个位置放在浓液管在线,但是启动系统相当困难,操作必须非常仔细,保证浓液阀不能完全关闭(见图16)。第二个位置放在最终循环段(见图16),缺点是这一段常常处于操作当中。

折射计的一个引人注意的优点是不含移动部件。而缺点是可能因与液体接触的棱镜的污染而影响读数。而棱镜显然可能会被污染,因为需要相当强烈的光源以获得检测信号。物料现场加热会引起物料沈淀并粘在棱镜上。一个相当简单的减少管理麻烦的方法是在系统最后一段的循环泵的压力端拉一个小细管与折射计相连。这样可以对棱镜进行小流量但较有力的冲刷。

另外一个比较严重的问题是折射计中灯会烧坏。这种情况下需要报警和必要的快速反应。否则系统将完全失控。

折射计的读数会比较发散,在含固率高的时候发散程度更高,特别是在含脂肪的乳制品产品中。工业折射计具有人眼所不具备的能力。电子传感器可以简单综合这些发散信号,因此许多场合对于折射计来说非常发散的信号并不是问题。而对人来说却是一个严重的问题。

工业折射计不能耐高压。在超滤系统中压力限制并不严格,但在纳滤和反渗透系统中却是一个重要问题。

粘度对折射计的读数没有影响。

温度对读书有影响。因此,必须在操作温度下进行标定。

使用带折射计的全过滤来控制系统很常见(见图1617)。其控制系统与以前介绍的全过滤相同。

在膜行业中,折射计制造商只有几家。据作者了解有以下几家:

n  Anacon

n  The Electron Machine Company

n  Siegrist

n  X-control

           

16 无全过滤段、带总固体控制器的系统

上图为折射计安装的可能位置

 

17带总固体控制器的系统。带比例控制器的全过滤段

 

压力控制器和进水流量控制器

在一个膜过滤系统中压力值常需要保持稳定或轻微调节,以保持一定的运行水平。这对于水脱盐系统是非常常见的。事实上在水脱盐过程中,几乎只使用一种控制方法并且也仅需要一种。在工业反渗透及纳滤系统中同样,但在这些系统中,压力控制并不是其唯一的控制过程。

对于反渗透和纳滤系统来说,压力控制器实际上相当于一个物料流量控制器,同时也可以看作一个系统容量控制装置。

对超滤系统而言,物料压力控制被用来保证压力不超过最高允许值或最高设定值。它也被用来减少在清洗膜后系统启动时不可避免的高通量的发生。

如图23所示,在超滤和微滤系统中压力不能用于控制容量。容量由物料的性质和膜的特性决定。

在超滤和微滤系统中进水流量只能被间接控制。一般在一个多级系统中,在产品循环的初期,不同时启动所有的段。如在一个五级系统中,开始一般启动三级,过一段时间,可能3060分钟,再启动第四级达到系统容量,再过几小时启动第五级。

 

18 恒压和浓缩比例。变流量

 

19 恒流量和浓缩比例。变压力

渗透流量控制器

一般我们都希望有稳定的渗透流量,在纳滤和反渗透工艺中,可以通过在渗透液管线中安装一台流量计和使用信号控制进水压力来达到此目的。具体作法如下(1)改变进料泵的转速,最好使用变频器 (2)使用控制信号来打开或关闭进料泵和系统间的截止阀。

批式系统。如果进料泵是一台正位移泵,那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵,浓缩比例实际上很难确定。

连续系统。如果进料泵是一台正位移泵,那么浓缩比例可以保持稳定。如果进料泵是一台离心泵,则需要一台比例控制器。

渗透流量控制引起一些争论。例如它几乎不能用于带全过滤的系统中。然而在相对无污染进料的纳滤和反渗透批式系统中看起来运行良好。

20 稳定渗透流量控制器

 

粘度控制器

当浓缩菜胶和黄原胶类产品时,粘度是一个严重的问题或挑战。它几乎不能使用折射计或浓缩比例来控制系统,因为这些参数与粘度相关性很小或几乎无关。因此设计了一个非常间接的控制方法。

在系统最后一级安装一台正位移泵,它能提供一个与压力无关的流量。在膜组件的压降和粘度之间有着比较清晰的关系。压降随着粘度的增加而增加。由此水泵提供的压力也增加。当流量稳定时电动机的电流消耗与水泵提供的压力虽然并不是线性关系,但也直接相关。因此在粘度和电机电流之间有明确的关系。通过一个控制器,电流消耗信号可以控制一个浓液出口阀,以确保浓液的粘度保持稳定。在最后一级中不能使用离心泵。

            

21 稳定粘度控制器

如何防止启动时总固体(TS)的波动

启动一套大型的多级超滤或微滤系统并不是件容易的事情。按惯例,操作者先启动第一级,然后陆陆续续第二级、第三级┉┅。超滤系统被沈淀的蛋白质或其它物质堵塞的“灾难”发生后,引起人们对一个充满水的系统从启动到稳定阶段过渡中堆积的固体外形的仔细研究,得到了一些有趣的发现。

如图所示,有一个5级系统,内部容量为800L,是一个工业级系统的代表,用于处理30000Lph的奶酪。假设其浓缩比例为301。为了简便起见,无全过滤。这就意味着稳定后系统将产生1000Lph的浓液和29000Lph的渗透液。假设系统由一台比例控制和一个进料压力调节器控制。理想状态下,系统稳定前需要注入的量为15*800=12000,但实际情况却往往不能理想化。因此需要的流量要高些。

 

22 5级进料和渗出系统

这里有个例子,“不能”如此启动一个系统:工厂中一个懒惰的操作员将所有泵的按钮钉在同一块木板上,这样所有的泵可以同时启动。结果每台18.5kw5台电机同时启动,引起电量的巨大波动。即使采用更为柔和的操作程序,大流量的物料还是会流入系统。同时系统中的水开始和物料混合,结果一些固体、即非常纯的蛋白质从第一级被推至后续几级。

由于初始通量较高,因此第一级的浓缩率高于正常。当过渡浓缩的物料向前最终到达最后一级,由于蛋白质浓度太高而发生凝胶。最终可能导致糟糕的结局。所有的或大多数的流道被堵塞,无法彻底清洗。唯一的办法只有彻底更换组件,重新启动系统。

这些年来,许多工厂都遭遇了这类事件。因此引起了众多思索和策划如何来解决问题。

最好的方法是采用以下的步骤来启动一个多级系统,以一个5级系统为例:先启动第5级,而1~4段关闭。当第5级的通量接近正常值时启动第4级,当第4段的通量接近正常值时启动第3段,依此类推。注意:要使堆积的固体正好在正常值以下,特别是在最后一段中。

采用传统的启动方法将导致进水流量比正常值要高50%。而预处理设备却无法处理这么多流量而保持运行正常。一般来说,所有情况降到正常流量条件要花30分钟左右。

最新的方法要求进水接近正常值,因为初始活化的膜面积较小。显然当一个新的段启动时,流量的变化还是比较快,但是它发生在某一时间相对较小的活化的膜面积上,因此,进水流量的处理比较容易。

最近的方法采用渐进的手段从低端改正浓液的总固体,这样可能会有些过浓缩的趋势。传统的方法可以越过这个步骤,然后渐渐从高端校正总固体。

电动、气动操作阀

有关电动阀和气动阀的争论已有许多。作者采用气动操作阀的理由有以下几点:

n  如果弄湿了也不影响运行;

n  即使短暂堵塞也不会烧坏;

n  维修简单;

n  多数型号防爆。

当然,要根据自身的体验和在生产设备中已使用的设备来选择。

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