摘要:主要闡述了小流量測(cè)控技術(shù)在連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)裝置的回流比控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，介紹了系統(tǒng)的測(cè)控原理，提出了兩種新型回流比控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，并進(jìn)行了控制效果的比較。

在連續(xù)精餾塔的操作中，回流比( Ｒ) 是關(guān)系著精餾產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的重要參數(shù)。每當(dāng)塔頂餾出液濃度下降或需要進(jìn)一步提高塔頂餾出液濃度時(shí)，通常都以增加回流量的方式使塔頂餾出液濃度得以回升，這種方法早已為化學(xué)工程教學(xué)及科技人員所熟知，并在生產(chǎn)中得到應(yīng)用及驗(yàn)證。隨著化工行業(yè)自動(dòng)化程度的提高，之前人工手動(dòng)改變回流比的控制方案已無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)控制的需求，工廠中出現(xiàn)了回流比自動(dòng)控制系統(tǒng)，但實(shí)驗(yàn)室使用的實(shí)驗(yàn)或小試裝置因塔設(shè)備過(guò)小，塔頂冷凝液量少( 通常在 20L/h 以下) ，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)控制系統(tǒng)常采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自由改變回流比的目的 ［1］ 。此類(lèi)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)使用時(shí)回流量無(wú)法監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)人員操作回流流量不確定，導(dǎo)致精餾過(guò)程穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，控制效能低等問(wèn)題。鑒于此，我們采用了兩種小流量檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)精餾的回流比控制中，并通過(guò)過(guò)程控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制回流比，精que測(cè)定回流量的作用，提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。

1 測(cè)控原理

由于連續(xù)精餾塔常用于分離沸點(diǎn)不同的有機(jī)物，故本文采用水 － 乙醇雙組分體系作為實(shí)驗(yàn)物料。依據(jù)小流量檢測(cè)方法的不同，將回流比控制方法分為直接型和間接型。

間接型即采用改變檢測(cè)變量的方式獲得自由改變回流比的手段，如圖 1 所示。

塔頂蒸汽經(jīng)冷凝器 E702 冷凝后，進(jìn)入儲(chǔ)罐進(jìn)入中間儲(chǔ)槽V705，泵 P701 將冷凝液從 V705 中回流至精餾塔內(nèi)，其余冷凝液則經(jīng)泵 P702 流回產(chǎn)品罐 V702 中。根據(jù)此流程，雖然冷凝液量無(wú)法精que測(cè)定，但我們可以控制 V705 的液位，使進(jìn)入 V705的液量與流出 V705 的液量相同，從而間接獲得控制輸出，此時(shí)，通過(guò)控制器使 P701、P702 依照操作者設(shè)定的回流比分配各自流量，并通過(guò)液位控制使其流量之和與塔頂冷凝液相同即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

直接型即可直接測(cè)定塔頂冷凝液量，則采用圖 2 的控制方案。

塔頂蒸汽經(jīng)冷凝器 E702 冷凝后，經(jīng)過(guò)流量檢測(cè) FT701 進(jìn)入儲(chǔ)罐進(jìn)入中間儲(chǔ)槽 V705，回流液從 V705 中經(jīng)流量檢測(cè)FT702 及調(diào)節(jié)閥流至精餾塔內(nèi)，其余冷凝液則通過(guò)溢流管流回產(chǎn)品罐 V702 中。此流程中，F(xiàn)T701 檢測(cè)獲得的總冷凝液量經(jīng)過(guò)乘法器與回流比相乘計(jì)算后，所得設(shè)定值輸入控制器 FIC702，F(xiàn)IC702 根據(jù) FT702 獲得的回流量與設(shè)定值比較后控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，取得實(shí)驗(yàn)需要的回流量，因回流量始終小于等于冷凝液量，多余液量在累積到溢流管高度后即作為產(chǎn)品流向產(chǎn)品罐，#終實(shí)現(xiàn)回流比可調(diào)可控。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

間接型回流比控制方案中，需要解決的是中間儲(chǔ)槽出口泵流量控制問(wèn)題，我們選擇的是 seko 的電磁隔膜計(jì)量泵。該泵為容積式泵的一種，采用電磁推動(dòng)方式將容積一定的隔膜中的液體推擠入后側(cè)容器中，由于每次推擠的液量一定，只要控制單位時(shí)間內(nèi)推擠的次數(shù)即可精que計(jì)量通過(guò)泵的流量，且輸送精度可達(dá) 1%。此類(lèi)泵#大的優(yōu)點(diǎn)在于可以接收來(lái)自 II、III 型儀表的控制信號(hào)，在使用時(shí)可將控制器輸出直接與其連接，而wuxu任何轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，節(jié)省了硬件成本。液位檢測(cè)則采用差壓變送器作為變送機(jī)構(gòu)，若系統(tǒng)為常壓精餾塔，為節(jié)約成本起見(jiàn)也可考慮采用差壓變送器測(cè)量。

直接型回流比控制方案中，我們選用了 DIGMESA 的小流量渦輪流量計(jì)，與普通渦輪流量計(jì)相比#大不同在于其入口采用瞬間縮小流通面積的方法噴射推動(dòng)渦輪槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，在顯示儀表頻率分辨率為 0． 1Hz 時(shí)該流量計(jì)#小可分辨 0． 16L/h 的流量，#小可測(cè)流量為 2L/h。由于普通流量顯示儀表頻率分辨率為 1Hz，為達(dá)到高精度測(cè)量的目的，需要選擇精度 0． 5% 的直流頻率變送器作為測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則選擇 burket 的2833 比例閥，該閥門(mén)原理與電磁閥類(lèi)似，不同的是其可通過(guò)控制線(xiàn)圈的吸合力大小控制閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)小流量控制的目的。比例閥可接收頻率控制信號(hào)，為滿(mǎn)足一般控制器的輸出要求，還需要安裝 burket 公司出產(chǎn)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換器。

兩種方案中控制機(jī)構(gòu)均選用中控產(chǎn)的 C3000 過(guò)程控制器，C3000 是一種采用 32 位微處理器和 5． 6 英寸 TFT 彩色液晶顯示屏的可編程多回路控制器，主要有控制記錄分析等功能。可通過(guò)串口、以太網(wǎng)和 CF 卡實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。內(nèi)部有 3個(gè)程序控制模塊、4 個(gè)單回路 PID 控制模塊、6 個(gè) ON/OFF 控制模塊，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、分程、三沖量、比值控制及用戶(hù)定制等多種復(fù)雜的控制方案。本文中我們主要用到的是它的比值控制功能。

3 控制方案實(shí)現(xiàn)及效果比較

控制方案通過(guò)組態(tài) C3000 過(guò)程控制器實(shí)現(xiàn)。間接控制方案回流量控制 PID01 組態(tài)為內(nèi)給定，AI 模擬量輸入通道信號(hào)來(lái)自液位變送器，AO 模擬量輸出通道為兩個(gè)，信號(hào)來(lái)源均來(lái)自PID01． OUT，同時(shí)設(shè)置可變常數(shù) CONF01 作為回流比的倒數(shù) 1/Ｒ，則 AO01 設(shè)定為 PID01/( 1 + CONF01) ，AO02 設(shè)定為 PID01*CONF01/( 1 + CONF01) 。直接控制方案同樣需要設(shè)定可變常數(shù) CONF01 作為回流比的倒數(shù) 1/Ｒ，回流量控制 PID01 組態(tài)為外給定，給定值來(lái)自虛擬通道 VA01 = 冷凝液流量/( 1 +CONF01) ，AO01 信號(hào)源直接取自 PID01． OUT。兩種控制方式均可通過(guò) C3000 操作界面直接修改 CONF01 的值實(shí)現(xiàn)回流比自動(dòng)控制。

當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，采用串口通訊方式，連接 C3000與電腦。C3000 通訊使用標(biāo)準(zhǔn) MODBusＲTU 協(xié)議，通過(guò) MCGS等組態(tài)軟件對(duì) CONF01 對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)地址的值進(jìn)行修改即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控。

兩種控制方案均可實(shí)現(xiàn)回流比的自由調(diào)節(jié)及控制，并進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控操作。間接型控制方案采用液位測(cè)量后，可通過(guò)靈活調(diào)整中間儲(chǔ)槽的截面積獲得穩(wěn)定液位，檢測(cè)精度達(dá)到 0． 5%，經(jīng)過(guò)精que校正后輸出精度也可達(dá) 1% 以?xún)?nèi)，系統(tǒng)雖無(wú)法直接測(cè)量各流量，但可通過(guò)計(jì)量泵的信號(hào)反饋獲得回流及產(chǎn)品流量，并由此推斷出冷凝液量。其問(wèn)題在于使用兩臺(tái)計(jì)量泵后總體價(jià)格偏高，一般學(xué)校無(wú)法承受。直接型方案屬于經(jīng)典比例控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，方便教學(xué)，雖然檢測(cè)精度較低為 2%，但系統(tǒng)總體價(jià)格約為間接型系統(tǒng)的 80%，有較高的性?xún)r(jià)比，適合控制要求不高的高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前間接型方案已應(yīng)用于在南京大學(xué)，浙江大學(xué)，寧波理工學(xué)院等多個(gè)學(xué)校的精餾實(shí)驗(yàn)裝置中，直接型方案亦在棗莊職業(yè)學(xué)院的精餾實(shí)驗(yàn)裝置中使用，兩種測(cè)控方案均運(yùn)行良好，工作穩(wěn)定可靠，學(xué)校反應(yīng)操作方便，特別與組態(tài)軟件共同使用時(shí)，操作界面友好，師生對(duì)操作情況有直觀的了解，教學(xué)效果獲得較快提升，具有廣泛的應(yīng)用前景。