【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過左排空閥解壓釋放至大氣當(dāng)中，此過程稱為解吸，吸附飽和的分子篩從而得到再生。同樣，左塔吸附時(shí)右塔同時(shí)也在解吸。右塔吸附結(jié)束后，同樣進(jìn)入均壓過程，然后再切換到左塔吸附，如此循環(huán)交替，連續(xù)生產(chǎn)氧氣。焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xiii 上述基本工藝步驟都是由 PLC 和自動(dòng)切換閥來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 167。33 工作原理　PSA 制氮機(jī)是根據(jù)變壓吸附原理，采用高品質(zhì)的碳分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取氮?dú)狻?經(jīng)過純化干燥的壓縮空氣，在吸附器中進(jìn)行加壓吸附、減壓脫附。由于空氣的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，氧在碳分子篩微孔中擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于氮，氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，氮在氣相中被富集起來，形成成品氮?dú)?。然后?jīng)減壓至常壓，吸附劑脫附所吸附的氧氣等雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)再生。一般在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)吸附塔 A 和 B，一塔吸附產(chǎn)氮，另一塔脫附再生，通過控制裝置控制氣動(dòng)閥的啟閉，使兩塔交替循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氮?dú)庵康摹? 一、基礎(chǔ)知識(shí) 1．氣體知識(shí)氮?dú)庾鳛榭諝庵泻孔钬S富的氣體，取之不竭，用之不盡。它無色、無味，透明，屬于亞惰性氣體，不維持生命。高純氮?dú)獬Ｗ鳛楸Ｗo(hù)性氣體，用于隔絕氧氣或空氣的場(chǎng)所。氮?dú)猓∟2）在空氣中的含量為 %（空氣中各種氣體的容積組分為：N2：%、O2：%、氬氣：%、CO2：%、其它還有 HCHN2O、OSONO2 等，但含量極少） ，分子量為 28，沸點(diǎn)： ℃，冷凝點(diǎn)：210℃。2．壓力知識(shí)變壓吸附（PSA）制氮工藝是加壓吸附、常壓解吸，必須使用壓縮空氣?，F(xiàn)使用的吸附劑——碳分子篩最佳吸附壓力為 ~，整個(gè)制氮系統(tǒng)中氣體均是帶壓的，具有沖擊能量。二、PSA 制氮工作原理：變壓吸附制氮機(jī)是以碳分子篩為吸附劑，利用加壓吸附，降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮?dú)獾淖詣?dòng)化設(shè)備。碳分子篩是一種以煤為焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xiv主要原料，經(jīng)過研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色，其孔型分布如下圖所示：碳分子篩的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn) ON2 的動(dòng)力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴(kuò)散至分子篩的微孔之中，而不會(huì)排斥混合氣（空氣）中的任何一種氣體。碳分子篩對(duì) ON2 的分離作用是基于這兩種氣體的動(dòng)力學(xué)直徑的微小差別，O2 分子的動(dòng)力學(xué)直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率，N2 分子的動(dòng)力學(xué)直徑較大，因而擴(kuò)散速率較慢。壓縮空氣中的水和 CO2 的擴(kuò)散同氧相差不大，而氬擴(kuò)散較慢。最終從吸附塔富集出來的是 N2 和 Ar 的混合氣。碳分子篩對(duì) ON2 的吸附特性可以用平衡吸附曲線和動(dòng)態(tài)吸附曲線直觀表現(xiàn)出來： 由這兩個(gè)吸附曲線可以看出，吸附壓力的增加，可使 ON2 的吸附量同時(shí)增大，且 O2 的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短，ON2 的吸附量遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡（最大值） ，所以 ON2 擴(kuò)散速率的差別使 O2 的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過 N2 的吸附量。變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性，采用加壓吸附，減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔（也可以單塔完成）來實(shí)現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)狻?67。34 控制過程PSA 制氮系統(tǒng)的工藝流程圖如圖 1 所示。圖 1 中空氣壓縮機(jī)用來提供足夠的氣量和相對(duì)恒定的輸入壓力焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xv （～）的原料氣。經(jīng)冷干機(jī)除水、除油、除固態(tài)粒子等凈化處理后，為了能連續(xù)不斷的輸出恒定的氮?dú)?。系統(tǒng)設(shè)置 A、B 兩個(gè)吸附塔進(jìn)行交替工作，由氣源系統(tǒng)來的純凈壓縮空氣，經(jīng)電磁氣動(dòng)控制閥 YY2 由吸附塔 A 下部進(jìn)入塔體。經(jīng)吸附塔中碳分子篩床層吸附，并逐步向上推進(jìn)。在此過程中，空氣中的氧分子被吸附在碳分子篩微孔中，而氮被濃縮在氣相中，由塔上部流出，經(jīng)電磁氣動(dòng)控制閥 YY8 進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐，此過程即為 A 塔吸附制氮。與此同時(shí)，B 吸附塔中吸附的氧分子經(jīng)由電磁氣動(dòng)控制閥 Y5 排空，即 B 塔解吸至常壓。A、B 兩塔交替進(jìn)行連續(xù)供氮。當(dāng) A 塔中碳分子篩對(duì)氧的吸附量將達(dá)到平衡時(shí)，則該塔立即停止吸附，此時(shí) YYYY8 均處于關(guān)閉狀態(tài)，而YYYY7 同時(shí)處于開啟狀態(tài)。實(shí)行 A、B 兩吸附塔均壓，均壓后即切換進(jìn)入 B 塔吸附、A 塔解吸狀態(tài)。此時(shí)壓縮空氣經(jīng)電氣控制閥 YY3 進(jìn)入 B 吸附塔下部，經(jīng) B 塔中碳分子篩床層吸附。分離出來的氮?dú)饨?jīng) YY8 進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐，即 B 塔吸附制氮。這樣 A、B 兩塔交替吸附、解吸，即形成連續(xù)不斷的向氮?dú)鈨?chǔ)罐輸送氮?dú)?。以?Y1—Y8 電氣控制閥的動(dòng)作順序、切換時(shí)間等全部由 PLC 控制，使二塔連續(xù)不斷供應(yīng)合格氮?dú)?。在正常工作時(shí)自動(dòng)循環(huán)過程如下：按程序啟動(dòng)鍵→冷干機(jī)啟動(dòng)→延時(shí) X 秒→空掛機(jī)啟動(dòng)→延時(shí) X 秒→進(jìn)入吸附 A→延時(shí) X 秒→均壓 A=B→延時(shí) X 秒→吸附 B 延時(shí) X 秒→均壓 B=A→延時(shí) X 秒→再次進(jìn)入吸附 A，如此自動(dòng)循環(huán)，按停止鍵。系統(tǒng)全部停止工作。在制氮機(jī)工作過程的各個(gè)階段。閥 Y1—Y8 的工作狀態(tài)如表 2 所示：表 2 系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)操作時(shí)電磁閥工作狀態(tài)表閥號(hào)Y1Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8吸附 A+ + + + +均壓 A=B+ + + +吸附 B+ + + + +焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xvi均壓 B=A+ + + +注：①+表示該閥處于開啟狀態(tài)；②在均壓 A=B，均壓 B=A 時(shí)要比 Y?Y 滯后X 秒開啟。③上延時(shí) X 秒均應(yīng)在 099 9 秒任意設(shè)置調(diào)控制要求有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，并要求在手動(dòng)方式時(shí)能進(jìn)行 Y1—Y8閥的檢查。在手動(dòng)能獨(dú)立起動(dòng)、停止空壓機(jī)和冷干機(jī)；能顯示吸附 A、均壓 A=B、吸附B、均壓 B=A 四個(gè)階段 Y1—Y8 的開啟情況；各項(xiàng)操作均應(yīng)有指示燈顯示。自動(dòng)工作時(shí)，應(yīng)該能按照自動(dòng)工藝流程要求工作。并能在模擬工藝流程圖中顯示相應(yīng)工作狀態(tài)。同時(shí)對(duì)自動(dòng)運(yùn)行過程中的各延時(shí)時(shí)間均要能任意調(diào)節(jié)，并能實(shí)時(shí)顯示和查詢當(dāng)前延時(shí)設(shè)定值。167。41 PLC 可編程控制器部分2 1 輸人／輸出點(diǎn)數(shù)的確定與 PLC 的選擇 根據(jù)工藝流程和控制要求分析．PSA 制氮機(jī)的輸入信號(hào)有 19 個(gè)．分別是手動(dòng)操作按鈕、自動(dòng)操作按鈕、自動(dòng)起動(dòng)按鈕、停止按鈕 空壓機(jī)起動(dòng)按鈕、冷干機(jī)起動(dòng)按鈕、吸附 A 按鈕、均壓 A=B 按鈕、吸附 B 按鈕、均壓 B=A 按鈕、鬮檢測(cè)Y8焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xvii 按鈕、Y 一 Y 閥檢測(cè)按鈕(8 個(gè))；閥檢測(cè)按鈕只有在手動(dòng)方式下起作用，而Y．一 Ye 閻檢測(cè)按鈕只有在閥檢測(cè)按鈕按下后有閥檢測(cè)指示后才起作用。輸出信號(hào)也是 19 個(gè)．分別是 Y 一 Y 日閥輸出(8 個(gè))、手動(dòng)狀態(tài)指示 自動(dòng)狀態(tài)指示、自動(dòng)起動(dòng)指示、停止指示、空壓機(jī)工作指示、冷干機(jī)工作指示、吸附 A 指示、均壓 A=B 指示、吸附 B 指示、均壓 B=A 指示．閥檢測(cè)指示。即在每一個(gè)輸入信號(hào)旁邊均有相應(yīng)的指示。電磁閥 Y 一 的工作電壓為直流 24v，功率 8W。根據(jù)一般的設(shè)計(jì)方法，至少要選帶 19 點(diǎn)輸入點(diǎn)和 19 點(diǎn)輸出點(diǎn)的 PLC，或采用主機(jī)加擴(kuò)展的方式用了外加 L16T 作為擴(kuò)展單元．并用 CL02DS 作為參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控單元。SM 一 16T具有 10 個(gè)輸入點(diǎn)和 6 個(gè)輸出點(diǎn)，采用直流 24V 匯點(diǎn)輸入方式，直流 24V 晶體管(NPN 型)輸出方式。SM 一 16T 本身的工作電壓為交流 220V，并帶有 RS 一 485和 RS 一 232 通訊接 I：Z1．可實(shí)現(xiàn) CCM 協(xié)議、無協(xié)}義通訊。RS232 接 I：Zl 又兼作編程 I：Zl。程序的存放采用 FlashROM，無需后備電池；L 一 16T 有 16 個(gè)輸出點(diǎn)，采用直流 24V 晶體管(NPN 型)輸出方式，L 一 16T 與 SM 一 16T 之間通過 RS 一 485 進(jìn)行通訊；通過 CL 一 02DS 液晶式顯示設(shè)定單元可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)控，它與 SM 一 16T 之間通過 RS 一 232 進(jìn)行通訊22 輸入／輸出點(diǎn)的編號(hào)分配和輸入／輸出接線圖 412 PLC 選型和性能指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、采集數(shù)據(jù)的類型和大小、I/O 點(diǎn)數(shù)、以及設(shè)置數(shù)據(jù)需要得內(nèi)存大小，本文中所選用的 PLC 是西門子公司的產(chǎn)品 S7200 系列，CPU的型號(hào)是 CPU226。CPU226 集成了 24 點(diǎn)輸入和 16 點(diǎn)輸出，共有 40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量I/O。CPU226 有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。CPU226 配有 2 個(gè) RS485 通信編程口，具有 PPI 通信、MPI 通信和自由方式通信能力，用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xviii413 PLC 內(nèi)部分配CPU226I/O 接口及內(nèi)部寄存器分配如表 1 和表 2。表 1 內(nèi)部存儲(chǔ)器使用觸摸屏 PID 參數(shù)設(shè)定置 VW10風(fēng)機(jī)組啟動(dòng)位 M0．0觸摸屏 PID 參數(shù)增益 VW12手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換 M0．1觸摸屏 PID 參數(shù)采樣時(shí)間 VW14電機(jī)急停 M0．2觸摸屏 PID 參數(shù)積分時(shí)間 VW16自動(dòng)空壓機(jī)組 1 啟動(dòng)位M1．0觸摸屏 PID 參數(shù)微分時(shí)間 VW18自動(dòng)空壓機(jī)組 2 啟動(dòng)位M1．1PID 反饋量（PVn） VD100手動(dòng)空壓機(jī)組 1 啟動(dòng)位M1．2PID 給定置（SPn） VD104手動(dòng)空壓機(jī)組 2 啟動(dòng)位M1．3PID 輸出置（Yn） VD108防止空壓機(jī)組 1 頻繁啟動(dòng)位M1．4PID 增益（KC） VD112防止空壓機(jī)組 2 頻繁啟動(dòng)位M1．5PID 采樣時(shí)間（T） VD116壓力下限位 M2．0PID 積分時(shí)間（TI） VD120空壓機(jī)組 1 軸溫報(bào)警位M20．0PID 微分時(shí)間（TD） VD124空壓機(jī)組 1 軸溫?cái)嚯娗袚Q位M20．1模擬輸入壓力值存儲(chǔ) VD128空壓機(jī)組 1 定溫報(bào)警位M20．2焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xix 壓力下限存儲(chǔ) VD132空壓機(jī)組 1 定溫?cái)嚯娗袚Q位M20．3空壓機(jī)組 1 軸承溫度 VD180空壓機(jī)組 2 軸溫報(bào)警位M20．4空壓機(jī)組 1 定子溫度 VD184空壓機(jī)組 2 軸溫?cái)嚯娗袚Q位M20．5空壓機(jī)組 2 軸承溫度 VD188空壓機(jī)組 2 定溫報(bào)警位M20．6空壓機(jī)組 2 定子溫度 VD192空壓機(jī)組 2 定溫?cái)嚯娗袚Q位M20．7手動(dòng)報(bào)警 VD196414 輸入輸出外部接線CPU226 接線規(guī)則如下：（1）DC 輸入端中 1M、～ 為第 1 組，2M、～ 為第 2 組組成，1M、2M 分別為各級(jí)公共端。DC24V 的負(fù)極接公共端 1N 或 2M。輸入開關(guān)的一端接天 DC24V 的正極，輸入開關(guān)的另一端連接到 CPU226 各輸入端。DC 輸出端中 1M、1L+、～ 為第 1 組，2M、2L+、～ 為第 2 組組成。1L+、2L+分別為公共端。第 1 組 DC24V 的負(fù)極接 1M 端，正極接 1L+端。輸出負(fù)載的一端接到 1M 端，輸出負(fù)載的另一端接到 CPU226 各輸出端。第 2 組的接線與第 1 組相似。接繼電器輸出端的 1L 端。負(fù)載的另一端分別接到 CPU226 各繼電器輸出端子。第 2 組的接線與第 1 組相似。根據(jù)接線規(guī)則，PLC 輸入/輸出接線和變頻器接線圖如圖 4 所示。表 2 I/O 接口分配表輸入 輸出空壓機(jī)啟動(dòng) SB I0 空壓機(jī)組 1 輸出 KM1 Q0焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)xx1 ．0 ．0空壓機(jī)停止 SB2I0．1空壓機(jī)組 2 輸出 KM2 Q0．1手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換 SB3I0．2工頻輸出 KM3 Q0．2空壓機(jī)組選擇 SB4I0．3空壓力下限指示燈 L1 Q0．4變頻工頻轉(zhuǎn)換 SB5I0．4空壓機(jī)組 1 運(yùn)行指示燈L2 Q0．5報(bào)警解除按鈕 SB