基于PLC的PSA制氮机控制系统设计

基于PLC的PSA制氮机控制系统设计

林基蒋石张心源游熠辉吴海青

（太原工业学院 机械工程系，山西 太原 030008）

摘 要：为了提高制氮机的自动化水平和智能化水平，基于可编程逻辑控制器（PLC）的制氮机控制系统应运而生。PLC是一种专门为工业控制而设计的数字计算机，具有强大的逻辑处理能力和通讯功能，可以方便地对各种输入/输出信号进行采集、处理和控制。

基金项目：2023年省级大学生创新创业项目（编号：S202314101175）研究成果

中图分类号：TP11

Design of nitrogen generator control system based on PLC

Lin JiJiang Shi   Zhang Xin Yuan  You Yi HuiWu Haiqing

(Taiyuan Institute of Technology Department of Mechanical Engineering ,Taiyuan 030008,China)

Abstract: In order to improve the automation level and intelligence level of the nitrogen generator, the nitrogen generator control system based on the programmable logic controller (PLC) has emerged. PLC is a digital computer specially designed for industrial control, with powerful logical processing power and communication function, which can easily collect, process and control various input / output signals.

Keywords: PLC; nitrogen generator; intelligent optimization of control system

1 引言

制氮机的控制系统是制氮机的核心部分，直接影响制氮机的性能和效果。传统的制氮机控制系统多采用机械控制或电气控制，存在着控制精度低、可靠性差、维护困难、适应性弱等缺点。在自动化控制中，PLC技术的应用大大提高了自动化系统运行效率，实现了电子设备流程优化，既能提高设备的存储容量，又能提升电子设备的运行速度，以达到智能化设备的目的[1]。西门子S7-1200 PLC与市面上已有的PLC制氮机控制系统所使用的硬件相比，控制精度更高，性能更加稳定，支持的通讯协议更加全面。

本文设计了一种基于PLC S7-1200 的制氮机控制系统，实现了制氮机的自动化控制，提高了制氮机的性能和效果。采用了一种基于模块化的制氮机控制系统的设计思想，提高了制氮机的控制系统的兼容性和可维护性。根据吸附流程，编写具体的控制程序，优化模型结构，根据文献和计算结果，确定各部分流程持续时长，为系统设计HMI界面。

2 采用的技术和原理

2.1 PSA制氮机的结构组成

PSA制氮机的三维模型如图 3.1 所示，制氮机的主要结构由缓冲罐、过滤器、吸附罐、消音器和电控箱等元器件构成。

图 3.1 装置图

2.2PSA制氮技术的原理

PSA制氮技术是利用变压吸附原理和碳分子筛的选择性吸附特性来生产氮气。在该技术中，碳分子筛作为吸附剂，因其内部微孔结构，能够吸附空气中的氧气和氮气。该碳分子直径在3nm，而氧分子的直径约2.9nm，氮气分子直径约3.1nm。因此该分子筛对氧气的吸附速度远大于氮气[2]。当净化并压缩完成后的空气通入填充了碳分子筛的吸附罐时，氧气会被优先吸附，而氮气则会在气相中富集，形成高纯度的氮气。

PSA制氮技术是一种高效、节能的气体分离技术，它利用分子筛对不同气体分子的吸附能力差异来实现气体的分离。

2.2 PSA制氮流程

PSA制氮技术的工作流程如下：

（1）空气压缩：环境空气首先被送入空气压缩机，压缩到一定压力后，为后续的吸附和分离过程提供动力。

（2）空气预处理：为了保证分子筛的使用寿命和效率，压缩空气需要经过一系列预处理过程，包括除尘、除油和干燥等步骤。

（3）吸附分离：处理后的压缩空气进入装有分子筛的吸附塔中，氮气会通过吸附床层，从出气阀输出，从而得到氮气的富集，这一过程通常在几十个秒内完成。

（4）均压过程：为提高系统的连续工作能力，吸附结束后会进行均压操作。即通过均压阀将两个吸附塔连接起来，使得两塔之间的压力达到平衡状态。这个过程大约持续3到5秒。

（5）反吹解吸：系统会通过反吹阀用一部分产品氮气对正在解吸的吸附塔进行吹扫，以帮助将吸附的氧气排出塔外，实现分子筛的再生。这样，分子筛得以循环使用，继续进行氮气的制备。

（6）氮气收集：通过出气阀输出的高纯度氮气被送入氮气储罐，再经过调压装置调整压力后即可供应使用。

2.3 PSA制氮技术的优点

PSA制氮系统具有操作简单、安全环保、氮气纯度高等特点，广泛应用于化工、石油、医药、电子、食品等领域[3]。

与传统制氮方法相比，使用PSA制氮技术具有以下优点：

（1）安全性：无需处理高压气瓶，降低了事故风险，确保工作环境安全；

（2）节约成本：设备所需维护较少，减少了气瓶的需求，降低了运营成本；

（3）可靠性：提供稳定可靠的氮气供应，确保工作连续进行；

（4）性能提升：高通量和无停机时间的特性使制氮机能够在各种应用中提供更优异的性能。

3 PSA制氮技术的控制流程

制氮机的结构示意图如图3.2所示。在3.2图中，1、2为空气进气阀，3、4为再生排气阀，5、6为空气出口止回阀，7为再生截流阀，8为气流过滤扩散器，9为再生排气消音器，10为控制柜，11为空气压力表，12为气水分离器，13为除油过滤器，14为除尘过滤器。

图3.2 制氮机的结构示意图

图3.2中各阀门动作控制流程如下所述：

V1-9阀门全部为常闭，1-9电磁阀得电阀门开启，10和11为不合格气排空系统共用一个电磁阀。

（1）A吸附，B解吸：

V1   1s    充压

V1,V4,V7,V9开40s   吸附再生

（2）AB均压：

V3,V4 1s 均压I

V5,V6 1s 均压II

V3,V4,V5,V6 1s 均压III

V5,V4 1s 均压IV

全关1s 停顿

（3）A解吸，B吸附：

V2,  1s 充压

V2,V3,V8,V9   40s 吸附再生

（4）BA均压：

V3, V4 1s 均压I

V5,V6 1s 均压II

V3, V4, V5, V6 1s 均压III

V6,V3 1s 均压V

全关1s 停顿

（5）当低于指定纯度指标时，V10常开V11关，纯度达到指标时，V11开V10关。

4基于PLC的控制系统设计

4.1 PLC 控制器的外部接线

以PLC为核心对PSA制氮机工作过程中各阀门的动作进行控制，PLC选用西门子的S7-1200，CPU型号为1215C，附带SM 1231拓展模块。PLC 控制器的外部接线图如图4.1所示。I0.4、I0.6、I0.8、I1.1均为手动控制按钮，用于人工控制制氮机部分阀门。IW112、IW118为A、B两罐的压力传感器模拟量输入。Q0.0至Q1.1为PLC程序直接控制的电磁阀，其中除Q1.0和Q1.1外为泄压阀门外，其余都为用于吸附流程的阀门。

图4.1PLC控制器的接线图

4.2 PLC控制程序设计

国内原有的制氮机PLC控制系统基于的PLC 硬件多采用S7-200或同期产品，不能较好的适应如今的自动化系统，控制精度和可靠性均有待提升。

制氮机核心控制为吸附步骤，该部分的程序采用类似程序步的控制方式。PLC中对于吸附步骤中的主要电磁阀均采取直接控制的方式，主要电磁阀均采用常开电磁阀。由文献和计算得知，均压和充压的持续时间均预设为1s，吸附再生持续时间预设为40s具体步骤的持续时间都采用变量进行连接，便于实际生产中根据生产现场的实际情况进行更改。吸附和解吸的部分程序如图4.2所示，当定时器计时到达目标，将V2V3V8V9阀门通电，其余阀门断电。

图 4.2 吸附和解吸部分

除了由程序完全自动的制氮流程外，提供手动控制阀门的程序，可单独对某一元件进行操作，用于对罐体进行排空和检查。在程序中对前置处理的设备设定安全阈值，当数据异常时，能进行急停，应急泄压，并发出警报。

4.3 HMI界面设计

为方便用户设置参数，需要有良好的HMI。本系统使用TIA Portal进行画面设计。通过触摸屏和PLC进行通信，传递数据，并将设置参数下载至PLC[4]。

为简化操作，PLC中重要的数据都直接与HMI相联，能够观测A、B罐中压强和前置流程工作情况。在HMI中通过密码验证后，可获得管理员权限，能够修改运行参数。

图4.3 HMI监控画面

5 仿真过程分析

1.加压吸附阶段：压缩空气被引入装有碳分子筛的吸附塔中。碳分子筛对氧和氮的吸附能力不同，通常在高压下能更有效地吸附氧。故提高压力可以增加氧的吸附量，从而提高制氮效率。

2. 均压：当一个吸附塔饱和后，通过均压将部分气体转移到另一个塔中，使两个塔的压力达到平衡。该过程是为了回收能量并准备另一个塔进行吸附步骤。若均压时间过短，会导致气体未能充分转移，从而造成浪费。

3. 降压脱附：降低塔内压力使碳分子筛释放出之前吸附的氧气。通过降压，可以促使吸附的氧分子从碳分子筛上脱离，同时进行反冲洗有助于稀释和解吸表面的氧分子，提高解吸效率。

仿真过程如图5.1所示。其中左侧为A吸附，B解吸步骤中吸附再生过程，右侧为A解吸，B吸附步骤中吸附再生过程,

图 5-1 流程仿真示意图

6 结论

基于PLC的PSA制氮控制系统为用户提供的更为快捷，简易，灵活的操作流程，随着

科技进步，对硬件优化和程序改进能提高其可靠和性稳定性，能得到更好的人机交互体验。

参考文献

[1].林海涛.PLC技术在电气工程自动化控制中的应用研究[J].电气技术与经济, 2024,    (05):301-303. 

[2].吴科明,蒋军.基于PLC控制技术对PSA制氮系统的优化设计[J].化学工程与装备,  2019, (11):15-16+10.

[3].刘飞,解田,郑润,等.磷酸二氢铵结晶过程影响因素研究[J].无机盐工业,2016, 48(03):46-48.

[4].周育辉,孙滨.基于S7-1200 PLC的小型水稻催芽控制系统设计[J].南方农机, 2022,53 (08):6-8+12.

作者介绍：林基（2002—），男，海南省文昌市

通讯作者：吴海青（1986—），女，山西省大同市天镇县，讲师，硕士。主要研究方向为单片机控制系统设计，E-mail：1476069186@qq.com.

通讯地址：山西省太原市尖草坪区迎新街北一巷2号，邮编：030008.