【文章內(nèi)容簡介】 過左排空閥解壓釋放至大氣當中，此過程稱為解吸，吸附飽和的分子篩從而得到再生。同樣，左塔吸附時右塔同時也在解吸。右塔吸附結(jié)束后，同樣進入均壓過程，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。焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計xiii 上述基本工藝步驟都是由 PLC 和自動切換閥來實現(xiàn)自動控制。 167。33 工作原理　PSA 制氮機是根據(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，從空氣中制取氮氣。 經(jīng)過純化干燥的壓縮空氣，在吸附器中進行加壓吸附、減壓脫附。由于空氣的動力學效應(yīng)，氧在碳分子篩微孔中擴散速率遠大于氮，氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，氮在氣相中被富集起來，形成成品氮氣。然后經(jīng)減壓至常壓，吸附劑脫附所吸附的氧氣等雜質(zhì)，實現(xiàn)再生。一般在系統(tǒng)中設(shè)置兩個吸附塔 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閥的啟閉，使兩塔交替循環(huán)，以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氮氣之目的。 一、基礎(chǔ)知識 1．氣體知識氮氣作為空氣中含量最豐富的氣體，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。高純氮氣常作為保護性氣體，用于隔絕氧氣或空氣的場所。氮氣（N2）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： ℃，冷凝點：210℃。2．壓力知識變壓吸附（PSA）制氮工藝是加壓吸附、常壓解吸，必須使用壓縮空氣。現(xiàn)使用的吸附劑——碳分子篩最佳吸附壓力為 ~，整個制氮系統(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，從而分離出氮氣的自動化設(shè)備。碳分子篩是一種以煤為焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計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 的動力學分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴散至分子篩的微孔之中，而不會排斥混合氣（空氣）中的任何一種氣體。碳分子篩對 ON2 的分離作用是基于這兩種氣體的動力學直徑的微小差別，O2 分子的動力學直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴散速率，N2 分子的動力學直徑較大，因而擴散速率較慢。壓縮空氣中的水和 CO2 的擴散同氧相差不大，而氬擴散較慢。最終從吸附塔富集出來的是 N2 和 Ar 的混合氣。碳分子篩對 ON2 的吸附特性可以用平衡吸附曲線和動態(tài)吸附曲線直觀表現(xiàn)出來： 由這兩個吸附曲線可以看出，吸附壓力的增加，可使 ON2 的吸附量同時增大，且 O2 的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短，ON2 的吸附量遠沒有達到平衡（最大值） ，所以 ON2 擴散速率的差別使 O2 的吸附量在短時間內(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，使壓縮空氣交替進入吸附塔（也可以單塔完成）來實現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮氣。167。34 控制過程PSA 制氮系統(tǒng)的工藝流程圖如圖 1 所示。圖 1 中空氣壓縮機用來提供足夠的氣量和相對恒定的輸入壓力焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計xv （～）的原料氣。經(jīng)冷干機除水、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氣。系統(tǒng)設(shè)置 A、B 兩個吸附塔進行交替工作，由氣源系統(tǒng)來的純凈壓縮空氣，經(jīng)電磁氣動控制閥 YY2 由吸附塔 A 下部進入塔體。經(jīng)吸附塔中碳分子篩床層吸附，并逐步向上推進。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)電磁氣動控制閥 YY8 進入氮氣儲罐，此過程即為 A 塔吸附制氮。與此同時，B 吸附塔中吸附的氧分子經(jīng)由電磁氣動控制閥 Y5 排空，即 B 塔解吸至常壓。A、B 兩塔交替進行連續(xù)供氮。當 A 塔中碳分子篩對氧的吸附量將達到平衡時，則該塔立即停止吸附，此時 YYYY8 均處于關(guān)閉狀態(tài)，而YYYY7 同時處于開啟狀態(tài)。實行 A、B 兩吸附塔均壓，均壓后即切換進入 B 塔吸附、A 塔解吸狀態(tài)。此時壓縮空氣經(jīng)電氣控制閥 YY3 進入 B 吸附塔下部，經(jīng) B 塔中碳分子篩床層吸附。分離出來的氮氣經(jīng) YY8 進入氮氣儲罐，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)不斷的向氮氣儲罐輸送氮氣。以上 Y1—Y8 電氣控制閥的動作順序、切換時間等全部由 PLC 控制，使二塔連續(xù)不斷供應(yīng)合格氮氣。在正常工作時自動循環(huán)過程如下：按程序啟動鍵→冷干機啟動→延時 X 秒→空掛機啟動→延時 X 秒→進入吸附 A→延時 X 秒→均壓 A=B→延時 X 秒→吸附 B 延時 X 秒→均壓 B=A→延時 X 秒→再次進入吸附 A，如此自動循環(huán)，按停止鍵。系統(tǒng)全部停止工作。在制氮機工作過程的各個階段。閥 Y1—Y8 的工作狀態(tài)如表 2 所示：表 2 系統(tǒng)手動、自動操作時電磁閥工作狀態(tài)表閥號Y1Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8吸附 A+ + + + +均壓 A=B+ + + +吸附 B+ + + + +焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計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 時要比 Y?Y 滯后X 秒開啟。③上延時 X 秒均應(yīng)在 099 9 秒任意設(shè)置調(diào)控制要求有手動和自動兩種工作方式，并要求在手動方式時能進行 Y1—Y8閥的檢查。在手動能獨立起動、停止空壓機和冷干機；能顯示吸附 A、均壓 A=B、吸附B、均壓 B=A 四個階段 Y1—Y8 的開啟情況；各項操作均應(yīng)有指示燈顯示。自動工作時，應(yīng)該能按照自動工藝流程要求工作。并能在模擬工藝流程圖中顯示相應(yīng)工作狀態(tài)。同時對自動運行過程中的各延時時間均要能任意調(diào)節(jié)，并能實時顯示和查詢當前延時設(shè)定值。167。41 PLC 可編程控制器部分2 1 輸人／輸出點數(shù)的確定與 PLC 的選擇 根據(jù)工藝流程和控制要求分析．PSA 制氮機的輸入信號有 19 個．分別是手動操作按鈕、自動操作按鈕、自動起動按鈕、停止按鈕 空壓機起動按鈕、冷干機起動按鈕、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Y8焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計xvii 按鈕、Y 一 Y 閥檢測按鈕(8 個)；閥檢測按鈕只有在手動方式下起作用，而Y．一 Ye 閻檢測按鈕只有在閥檢測按鈕按下后有閥檢測指示后才起作用。輸出信號也是 19 個．分別是 Y 一 Y 日閥輸出(8 個)、手動狀態(tài)指示 自動狀態(tài)指示、自動起動指示、停止指示、空壓機工作指示、冷干機工作指示、吸附 A 指示、均壓 A=B 指示、吸附 B 指示、均壓 B=A 指示．閥檢測指示。即在每一個輸入信號旁邊均有相應(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)計方法，至少要選帶 19 點輸入點和 19 點輸出點的 PLC，或采用主機加擴展的方式用了外加 L16T 作為擴展單元．并用 CL02DS 作為參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控單元。SM 一 16T具有 10 個輸入點和 6 個輸出點，采用直流 24V 匯點輸入方式，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 個輸出點，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 進行通訊；通過 CL 一 02DS 液晶式顯示設(shè)定單元可進行參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)控，它與 SM 一 16T 之間通過 RS 一 232 進行通訊22 輸入／輸出點的編號分配和輸入／輸出接線圖 412 PLC 選型和性能指標根據(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的型號是 CPU226。CPU226 集成了 24 點輸入和 16 點輸出，共有 40 個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 點數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量I/O。CPU226 有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6 個獨立的 30kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。CPU226 配有 2 個 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)。焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計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)部存儲器使用觸摸屏 PID 參數(shù)設(shè)定置 VW10風機組啟動位 M0．0觸摸屏 PID 參數(shù)增益 VW12手動、自動轉(zhuǎn)換 M0．1觸摸屏 PID 參數(shù)采樣時間 VW14電機急停 M0．2觸摸屏 PID 參數(shù)積分時間 VW16自動空壓機組 1 啟動位M1．0觸摸屏 PID 參數(shù)微分時間 VW18自動空壓機組 2 啟動位M1．1PID 反饋量（PVn） VD100手動空壓機組 1 啟動位M1．2PID 給定置（SPn） VD104手動空壓機組 2 啟動位M1．3PID 輸出置（Yn） VD108防止空壓機組 1 頻繁啟動位M1．4PID 增益（KC） VD112防止空壓機組 2 頻繁啟動位M1．5PID 采樣時間（T） VD116壓力下限位 M2．0PID 積分時間（TI） VD120空壓機組 1 軸溫報警位M20．0PID 微分時間（TD） VD124空壓機組 1 軸溫斷電切換位M20．1模擬輸入壓力值存儲 VD128空壓機組 1 定溫報警位M20．2焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計xix 壓力下限存儲 VD132空壓機組 1 定溫斷電切換位M20．3空壓機組 1 軸承溫度 VD180空壓機組 2 軸溫報警位M20．4空壓機組 1 定子溫度 VD184空壓機組 2 軸溫斷電切換位M20．5空壓機組 2 軸承溫度 VD188空壓機組 2 定溫報警位M20．6空壓機組 2 定子溫度 VD192空壓機組 2 定溫斷電切換位M20．7手動報警 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 分別為各級公共端。DC24V 的負極接公共端 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 的負極接 1M 端，正極接 1L+端。輸出負載的一端接到 1M 端，輸出負載的另一端接到 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 輸出空壓機啟動 SB I0 空壓機組 1 輸出 KM1 Q0焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計xx1 ．0 ．0空壓機停止 SB2I0．1空壓機組 2 輸出 KM2 Q0．1手動自動轉(zhuǎn)換 SB3I0．2工頻輸出 KM3 Q0．2空壓機組選擇 SB4I0．3空壓力下限指示燈 L1 Q0．4變頻工頻轉(zhuǎn)換 SB5I0．4空壓機組 1 運行指示燈L2 Q0．5報警解除按鈕 SB