1、1利用三菱 PLC 实现煤制氢变压吸附的控制摘 要利用三菱 PLC 实现煤制氢变压吸附的控制。吸附塔是氢气变压吸附的主要设备，本装置变压吸附工艺采用 5-1-3PSA 工艺。文章的设计主要包括可编程控制器控制系统设计、系统硬件设计、系统软件设计以及最后的可编程控制器系统的调试。 关键词变压吸附；吸收塔；可编程控制器（PLC） DOI10.13939/ki.zgsc.2016.36.077 1 概 述 氢气在变压吸附分离过程中，每一个操作过程只有短暂的十几秒左右。就整个操作周期来说，也不过 150 秒左右，否则，周期太长就会影响装置的流量和纯度。因此控制要求既准确又可靠；另外，还要使这个周期能够
2、安全合理的按照特定的规律运行，一定不能有错误或不符合规范的动作，也不允许存在周期间隔。用 PLC 程序控制恰能满足这两个要求。 2 变压吸附的工作原理及控制过程 本 PSA 提纯氢气装置是由五台吸附器（下简称 A、B、C、D、E 塔） 、一台气液分离缓冲罐、一台产品缓冲罐、一台逆放气缓冲罐、一台燃烧气缓冲罐，分离后的气体进入吸附器（A、B、C、D、E）进行吸附，得到的产品氢气经过产品缓冲罐缓冲之后，经计量后到用户去。解析气大部分经逆放气缓冲罐和燃烧气缓冲罐缓冲调压后去导热油炉燃烧，小部分2通过放空管放空。 2.1 基本工作步骤 变压吸附基本工作步骤分为吸附和再生两步。而再生又包括以下三步骤。
3、（1）吸附塔压力降至低压。首先是顺着吸附的方向进行降压（以下简称为顺向放压） ，接着是逆着吸附的方向进行降压（以下简称逆向放压）。顺向放压时，有一部分吸附剂仍处于吸附状态。逆向放压时，被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，解吸气送至解吸气缓冲罐用作预处理系统的再生气源。 （2）在低压下用产品气冲洗吸附剂，可以清除尚残留于吸附剂中的杂质。 （3）吸附塔升到吸附压力，以准备再次分离原料气。本装置变压吸附工艺采用 5-1-3PSA 工艺。即装置由 5 个吸附塔组成，采用 3 次均压变压吸附过程。其工艺过程主要由吸附（A） 、三次均压降压（E1D-E3D） 、顺放（PP） 、逆放（D） 、冲洗（P）
4、 、三次均压升压（E3R-E1R）和产品的最终升压（FR）等步骤组成。五个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。 2.2 工艺流程 2.2.1 吸附（A） 开启 KV201a，KV202a；来自气液分离缓冲罐的转化气通过阀 KV201a自下而上进入 A 塔，在工作压力下吸附杂质组份，未被吸附的产品组份，通过阀 KV202a 流出，其中大部分作为产品从本系统中输出，部分通过阀3HV201，KV206b 向 B 塔进行最终升压。吸附完毕，关闭阀 KV201a，停止进原料气，同时阀 KV202a 亦无产品气输出，自动关闭。 2.2.2 一均降压（E1D
5、） 开启 KV206a；A 塔停止吸附后，与刚结束二均升压步骤的 C 塔以出口端相连，即通过阀 KV206a、KV206c 与 C 塔进行第一级压力平衡，A 塔压力降低。均压后 A、C 塔压力基本相等。关闭 KV206a。 2.2.3 二均降压（E2D） 开启 KV204a；A 塔经一均降压后的气体通过阀 KV204a、KV206d 与 D塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A 塔压力再一步降低，直至两塔压力基本相等。关闭阀 KV204a，KV206d。 2.2.4 三均降压（E3D） 开启阀 KV204a；A 塔生剩余的气体通过阀 KV204a、KV204e 与 E 塔以出口端相连，进行第三
6、级压力平衡，A 塔压力再一步降低，直至两塔压力基本相等。关闭阀 KV204e。 2.2.5 顺向放压（PP） 继续开启 KV204a；A 塔完成三次降压后，塔内剩余气体仍顺着出品方向通过阀 KV204a，阀 KV207 与顺放缓冲罐进行均压。当压力平衡后，停止顺放，进行下一步骤。关闭阀 KV204a，阀 KV207。 2.2.6 逆向放压（D，简称：逆放） 开启阀 KV203a；A 塔剩余的气体从塔的入口端经过阀 KV203a，进入解析气罐，使吸附剂得到再生。逆放完毕后，A 塔压力降为 0.02Mpa。 2.2.7 冲洗（P） 4继续开启阀 KV203a；A 塔逆放后，尚残留在塔内的杂质是利用
7、顺放缓冲罐顺放气，通过阀 KV207、HV202 和 KV205a 从 A 塔出口端进入 A 塔，自上而下地对 A 塔床层进行冲洗，使塔内杂质进一步脱附，同时打开阀KV208，使冲洗气进入燃烧气缓冲罐。冲洗一段时间后关闭阀 KV208，同时打开 KV209，通过放空管放空，使杂质脱附彻底。关闭阀KV203a、KV207、KV209、KV205a。 2.2.8 三均升压（E3R） 开启阀 KV204a；当 A 塔冲洗后，与刚结束二均压降的 B 塔以出口端相连，通过阀 KV204b、KV204a 与 A 塔以出口端相连，进行第三级压力平衡，A 塔压力升高直至两塔压力基本相等。关闭阀 KV204a。
8、 2.2.9 二均升压（E2R） 开启阀 KV204a；A 塔完成三均升压后，与刚结束一均降压的 C 塔以出口羰相连，通过阀 KV204c、KV204a 与 A 塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A 塔压力升高，直至两塔压力基本相等。 2.2.10 一均升压（E1R） 开启阀 KV206a；在 A 塔完成二均升压后，与刚结束吸附的 D 塔以出口端相连，通过阀 KV206d、KV206a 与 A 塔以出口端相连，进行第一级压力平衡，A 塔压力进一步升高，直至两塔压力基本相等。 2.2.11 最终升压（FR，简称：终充） 继续开启阀 KV206a；A塔的最好终升压是利用产品气进行的，产品气经终充
9、流量控制阀 HV201及 KV206a，由出口端进入 A 塔，最终使 A 塔压力基本接近吸附压力。通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。 5其他四个塔的操作步骤与 A 塔相同，不过在时间上是相互错开的。这些程控阀及调节阀按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出产品气。 3 可编程控制器控制系统硬件设计 3.1 PLC 外部 I/O 分配 氢气变压吸附分离过程控制系统 PLC 外部 I/O 分配表如下。3.2 PLC的选型 PLC 机型的选择，是 PLC 硬件设计的主要环节，PLC 选型时，既要从硬件考虑，同时也要兼顾到软件设计的需要。可编程控制器一般从以下
10、几方面进行选型： （1）PLC 机型的选择。 （2）可编程控制器 I/O 点数和接口种类的确定。 （3）存储器容量。 （4）PLC 型号选择及特殊模块确定。 PLC I/O 口分配表（以 A 塔为例说明） 据上述 PLC 选型分析可以得出：本设计方案针对于氢气变压吸附控制系统设计，确定整个系统共有 48 个输入点，45 个输出点，因此选用一台 FX2N-128MR 型号 PLC。 三菱 FX0N-3A 是模拟特殊功能模块：有两个输入通道和一个输出通道。输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数值；输出通道采用数字值并输出等量模拟信号；最大分辨率为 8 位。该模块具有 A/D 转换模块和 D/A
11、转换模块。通过控制系统中的传感器，将采集的模拟量信号送6入模拟量输入模块进行 A/D 转换，将连续的模拟量（010V、420mA）信号转换成离散的数字量（0255） ，存储到 PLC 内存里，用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果进行 D/A 转换为模拟量（010V、420mA）信号去驱使执行元件。FX0N-3A 在 PLC 扩展母线上占用 8 个 I/O 点，8 个 I/O 点可以分配给输入或输出。 所以综上所述，根据在此次的设计中选择 FX2N-128MR 型号 PLC，其基本单元带 64 点输入/64 点继电器输出。 3.3 氢气变压吸附分离过程控制系统 PLC 外部接线 此外部接线主要是以 A 塔为例进行设计接线。 4 结 论 该系统具有优良的环境适应能力和可靠性，在变压吸附生产中具有广泛的应用前景。其优点包括：安全可靠，操作简单方便，减少了工作量，提高了工作效率。且氢气的纯度可达到 99.9%。 参考文献： 1董爱华.可编程控制器原理及应用教程M.北京：中国电力出版社，2010. 2陈涛.PLC 在变压吸附系统中的设计与实现J.电脑知识与技术，2006（5）：100-101. 3张建伟.变压吸附原理在工业制氢中的应用J.制冷技术，2001（3）：41-42. 4孙振强.可编程控制器原理及应用教程M.北京：清华大学出版社，2008.
