CN106480471A - EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法，涉及工业自动化控制领域。控制装置包括PLC控制系统、操作面板、四台在线pH仪、三个电磁阀、一台取样泵、三个调节阀。由操作面板输入化合槽pH控制设置值、取样时间间隔和控制参数，PLC控制系统的CPU模块通过模拟量输入模块获取化合槽当前实时pH值，再通过PID计算得到控制值，将控制值通过模拟量输出模块传输给调节阀，使调节阀根据控制值调节阀门开度，控制浆化下料量，实现化合槽pH值的稳定控制。采用本发明能够实现在线pH值自动采集，实际pH偏差补偿，pH目标值修正，生产过程自动调节pH值到最优范围。

Description

EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，特别涉及一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法。

背景技术

连续浸出工艺中，浸取工段内一般为六个化合槽，化合槽之间用溢流管两两连通，第一个与最后一个化合槽通过泵来进行回流。每个反应槽的pH控制是整个生产控制的重点和难点，连续浸出EMD（EMD是电解二氧化锰的简称）生产的化合过程中，工艺上按槽内化学反应的情况，把浸取工段的pH控制分三个阶段，每个阶段的pH控制都必须确保在设定的范围内，并尽量减少各个槽内pH值的波动。各个化合槽按反应阶段划分，不同阶段的化合槽pH值有着不同的工艺参数指标，pH值控制稳定程度是影响最终EMD产品质量及生产成本的重要因素之一。

目前国内EMD生产对化合槽pH值的测量还基本采用人工取样，然后根据试纸比对得出的结果来调整下料量。这种方法存在以下问题： 1、pH值检测与调控存在时间间隔，滞后性大，控制不稳定，会造成反复回调的情况；2、人工取样容易出现差错；3、EMD化合阶段现场环境恶劣，频繁取样会对影响工人身体健康；4、不易形成生产数据报表，生产过程不容易管理，造成最终产品质量不稳定。国内也有一些EMD生产企业采用在线式的pH仪来对化合工程中pH值进行实时采集监测，但控制还是采用人工调节的方式，产品质量受人为因素影响大，不稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法，能够实现在线pH值自动采集，实际pH偏差补偿，pH目标值修正，生产过程自动调节pH值到最优范围。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置，包括PLC控制系统、操作面板，其特征在于，PLC控制系统包括CPU模块及分别与CPU模块连接的DC24V直流电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块，以太网通讯模块与操作面板连接，控制装置还包括四台在线pH仪、三个电磁阀、一台取样泵、三个调节阀，其中一台在线pH仪设置在1、2号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在3、4号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在5、6号化合槽之间的溢流管中，三个电磁阀的输入端分别与1、3、5号化合槽连接，三个电磁阀的输出端分别与取样泵连接，还有一台在线pH仪连接在取样泵后端的管路中，四台在线pH仪还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅰ连接，三个电磁阀和取样泵还分别与PLC控制系统的数字量输入模块、数字量输出模块连接，三个调节阀分别连接在与1、3、5号化合槽的下料浆化罐底部，三个调节阀还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和模拟量输出模块连接。

本发明采用的进一步年技术方案是：所述模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ分别是8路12位4-20mA模拟量输入模块，模拟量输出模块是8路12位4-20mA模拟量输出模块，数字量输入模块是16路数字量输入模块，数字量输出模块是16路数字量输出模块。

本发明为实现上述目的采用的另一技术方案是：一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制方法,其特征在于，该控制方法是利用上述权利要求1所述的控制装置来对各化合槽pH值实时监视及控制, 包括以下步骤：

（1）按工艺要求通过操作面板设置各化合槽的pH控制值，同时通过操作面板设置取样泵轮换在三个不同化合槽间取样的间隔时间、取样pH值与在线pH值的偏差范围；

（2）采集连接在相邻两个化合槽之间的在线pH仪的在线pH值，采集取样泵后端的管路中在线pH仪的取样pH值，采集调节阀开度反聩值、取样泵及电磁阀工作状态；

（3）采集的数据经过模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、数字量输入模块转换成数字信号，通过PLC控制系统的背板总线传输给CPU模块，经过信息处理，并通过PID计算得出控制输出值；

（4）将步骤3中得到的控制值通过模拟量输出模块传送给调节阀，调节阀根据控制值改变开度实现浆化罐下料量的控制；

（5）PLC控制系统通过以太网通讯模块与操作面板通讯，在操作面板上显示pH控制值、取样pH值、在线pH值、调节阀开度、取样泵及电磁阀工作状态。

本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法具有如下有益效果：

1、提高pH控制稳定性：使用本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置后，各化合槽pH值反馈与工艺要求pH值偏差值不超过±0.3，配置有pH轮换取样设备（取样泵），定时间隔进行取样与在线pH值进行对比，可以有效的防止在线pH仪因浆化反应液堵塞pH电极而测量出错误数据；

2、控制方法采用分阶段PID控制，达到高精度控制的效果：

pH:氢离子浓度指数是指溶液中氢离子的总数和总物质的量的比，pH=-lg（H+）即所含氢离子浓度的常用对数的负值，所以在EMD生产工艺上pH在处于0-3的控制范围内时，系统前端输入的波动不会对被控pH产生较大作用，此时PID控制响应速度不需要过快，P系数需要调低，防止超调；而当pH在处于4-6的控制范围内时，系统前端输入的波动会对被控PH产生较大作用，此时PID控制需要快速响应，P系数需要适当放大；

3、自动化程度和可靠性高、操作简单：使用本发明之EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置时，只需在操作面板对各工艺数据进行设定，控制过程是全自动的，可靠性高，不需要使用其他设备，操作起来非常方便；

4、人机界面友好：人机界面提供在流程画面上支持控制调节窗口、报警窗口和报表窗口等，细节显示可观察以某操作回路为基础的所有信息，细节显示画面所包含的每一个回路的有关信息，足够详细，以便运行人员能据此进行正确的操作；对于调节回路，显示出设定值、过程变量、输出值、运行方式、高/低限值、报警状态、单位、回路组态数据等调节参数；对于开关量控制的回路，则显示出回路组态数据和设备状态；PLC采集的仪表数据存放进工业数据库内，能按设定进行长时间保存，查看历史数据只需通过调用人机界面中的趋势或报表控件即可；

5、控制方法采用目前工程实际中应用广泛的模糊PID控制，其装置结构简单，参数调节稳定性好、工作可靠、调整方便，方法简单使用。

下面结合附图和实施例对本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置及其控制方法作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置结构方框图；

图2本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制方法的控制原理框图；

图3本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制方法的控制步骤框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置，包括PLC控制系统、操作面板， PLC控制系统包括CPU模块及分别与CPU模块连接的DC24V直流电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块。以太网通讯模块与操作面板连接，控制装置还包括四台在线pH仪、三个电磁阀、一台取样泵、三个调节阀，其中一台在线pH仪设置在1、2号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在3、4号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在5、6号化合槽之间的溢流管中，三个电磁阀的输入端分别与1、3、5号化合槽连接，三个电磁阀的输出端分别与取样泵连接，还有一台在线pH仪连接在取样泵后端的管路中。四台在线pH仪还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅰ连接，三个电磁阀和取样泵还分别与PLC控制系统的数字量输入模块、数字量输出模块连接。三个调节阀分别连接在与1、3、5号化合槽的下料浆化罐底部，三个调节阀还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和模拟量输出模块连接。

在本实施例中，所述模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ分别是8路12位4-20mA模拟量输入模块，模拟量输出模块是8路12位4-20mA模拟量输出模块，数字量输入模块是16路数字量输入模块，数字量输出模块是16路数字量输出模块。CPU模块通过PLC背板与8路12位4-20mA模拟量输入模块、8路12位4-20mA模拟量输出模块、16路数字量输入模块、16路数字量输出模块进行数据交换。在线pH仪通过其内部的变送器输出2路4-20mA信号（pH及温度信号）至8路12位4-20mA模拟量输入模块。取样电磁阀及取样泵的开关量控制信号至16路数字量输入/出模块。

3台调节阀对应控制1号、3号、5号化合槽下料量（2号、4号、6号在生产正常情况下不需要下料，靠前化合槽溢流），安装在浆化罐底部。开度控制由8路12位4-20mA模拟量输出模块给定，实时开度反馈值送入8路12位4-20mA模拟量输入模块。

在线pH仪选用梅特勒.托利多品牌，能适用0-140℃工作环境，并带有自动水洗气冲清洗装置，防止反应液附着在电极表面，影响测量精度。化合槽内在溢流管处安装上封闭下不封闭的挡板，槽底反应溶液才能进入溢流。化合槽底安装取样电磁阀及取样泵，取样泵回流管道上安装1台在线pH仪。在线pH仪变送输出4-20mA信号通过屏蔽电缆再经信号隔离送至8路12位4-20mA模拟量输入模块，在模块内部进行A/D转换成±0~32768数字信号，再根据仪表测量量程换算成实际测量值。

调节阀开度信号由PLC控制系统给定，0-100%开度给定信号经CPU程序换算±0-32768数字信号，通过背板传输给8路12位4~20mA模拟量输出模块，再进行D/A转换成4-20mA信号输出至调节阀开度接收端子。

以太网通讯模块从以太网与操作面板通讯，将1号、3号、5号化合槽pH值&温度、调节阀开度、取样电磁阀、取样泵工作状态通过TCP/IP协议送至操作面板。在操作面板可以对pH值&温度、目标pH控制值、pH补偿范围、取样时间间隔等参数进行设置，设置值将通过TCP/IP协议送至CPU模块。

本发明采用的PLC是西门子品牌的S7-300系列PLC：DC24V直流电源模块选用型号为PS307；CPU模块选用型号为CPU315-2DP；以太网通讯模块选用型号为CP343-1 Lean；模拟量输入模块选用型号为SM331；模拟量输出模块选用型号为SM331；数字量输入模块选用型号为SM321；数字量输出模块选用型号为SM321；然后全部插到PLC背板，PLC背板选用型号为DIN导轨；并将PLC安装固定，配上各种安装和连接附件；然后给电源模块供AC220V的交流电做电源。

操作面板可选用液晶触摸屏或者PC电脑数量1台，通过以太网网线与PLC的以太网通讯模块连接。

作为本发明实施例的一种变换：所述PLC品牌可为任意品牌，即各模块型号可谓不同品牌对应功能的模块的型号；在线pH仪品牌可为任意品牌；但必须具备在0-140℃下正常工作能力，并配备自动清洗装置。

本发明EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制方法，请同时参考图2、3所示，该控制方法是利用上述控制装置来对各化合槽pH值实时监视及控制, 包括以下步骤：

（1）按工艺要求通过操作面板设置各化合槽的pH控制值，同时通过操作面板设置取样泵轮换在三个不同化合槽间取样的间隔时间、取样pH值与在线pH值的偏差范围；

（2）采集连接在相邻两个化合槽之间的在线pH仪的在线pH值，采集取样泵后端的管路中在线pH仪的取样pH值，采集调节阀开度反聩值、取样泵及电磁阀工作状态，比较在线pH值和取样pH值，偏差值小于设定偏差时，则按照pH偏差范围内补偿修正（补偿修正方法为常用方法，在此不在详细叙述），若大于设定偏差报警，并保持当前调节阀输出开度，此时可选用取样pH值替代当前槽实时pH值进行PID调节；

（3）采集的数据经过模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、数字量输入模块转换成数字信号，通过PLC控制系统的背板总线传输给CPU模块，根据当前pH值和给定pH值，CPU模块经过信息处理，并通过PID计算得出控制输出值，PID计算为公知技术在此不在详细叙述；

（4）将步骤3中得到的控制值通过模拟量输出模块传送给调节阀，调节阀根据控制值改变开度实现浆化罐下料量的控制；

（5）PLC控制系统通过以太网通讯模块与操作面板通讯，在操作面板上显示pH控制值、取样pH值、在线pH值、调节阀开度、取样泵及电磁阀工作状态。

Claims (3)

1.一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置，包括PLC控制系统、操作面板，其特征在于，PLC控制系统包括CPU模块及分别与CPU模块连接的DC24V直流电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块，以太网通讯模块与操作面板连接，控制装置还包括四台在线pH仪、三个电磁阀、一台取样泵、三个调节阀，其中一台在线pH仪设置在1、2号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在3、4号化合槽之间的溢流管中，一台在线pH仪设置在5、6号化合槽之间的溢流管中，三个电磁阀的输入端分别与1、3、5号化合槽连接，三个电磁阀的输出端分别与取样泵连接，还有一台在线pH仪连接在取样泵后端的管路中，四台在线pH仪还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅰ连接，三个电磁阀和取样泵还分别与PLC控制系统的数字量输入模块、数字量输出模块连接，三个调节阀分别连接在与1、3、5号化合槽的下料浆化罐底部，三个调节阀还分别与PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和模拟量输出模块连接。

2.如权利要求1所述的EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制装置，其特征在于，所述模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ分别是8路12位4-20mA模拟量输入模块，模拟量输出模块是8路12位4-20mA模拟量输出模块，数字量输入模块是16路数字量输入模块，数字量输出模块是16路数字量输出模块。

3.一种EMD连续浸出工艺化合槽pH值控制方法,其特征在于，该控制方法是利用上述权利要求1所述的控制装置来对各化合槽pH值实时监视及控制, 包括以下步骤：

（1）按工艺要求通过操作面板设置各化合槽的pH控制值，同时通过操作面板设置取样泵轮换在三个不同化合槽间取样的间隔时间、取样pH值与在线pH值的偏差范围；

（2）采集连接在相邻两个化合槽之间的在线pH仪的在线pH值，采集取样泵后端的管路中在线pH仪的取样pH值，采集调节阀开度反聩值、取样泵及电磁阀工作状态；

（3）采集的数据经过模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、数字量输入模块转换成数字信号，通过PLC控制系统的背板总线传输给CPU模块，经过信息处理，并通过PID计算得出控制输出值；

（4）将步骤3中得到的控制值通过模拟量输出模块传送给调节阀，调节阀根据控制值改变开度实现浆化罐下料量的控制；

（5）PLC控制系统通过以太网通讯模块与操作面板通讯，在操作面板上显示pH控制值、取样pH值、在线pH值、调节阀开度、取样泵及电磁阀工作状态。