CN115903463A - 一种有机废液处理设备的电气控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机废液处理设备的电气控制系统，包括S7中央控制单元、子控制系统、驱动系统、人机交互系统、上位机系统，控制系统具有连锁功能，控制系统的控制包括PID控制、公式法控制、规律性控制和联合控制；控制系统具备检修模式、手动模式、自动运行模式和单步实验模式，对不同使用环境具备良好的适用性；控制系统通还包括无纸化记录仪：独立采集、处理、记录和输出设备信息、数据。本发明实现了有机危废处理设备的全工艺流程自动控制，提高了有机危废处理设备样机测试过程中的安全性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于机废液处理和控制系统技术领域，具体涉及一种有机废液处理设备的电气控制系统。
背景技术
目前，国内外多个行业对处理各类有机危废存在巨大的技术缺口，如涉核行业产生的放射性有机废液、国防军工行业含能材料和医药、化工、冶金等行业产生的大量的有毒有害有机危废等。由于国际上的技术封锁和核心技术保护等原因，国内急需研制出具备自主知识产权、完整制造能力和先进处理水平的有机危废处理设备。
由于机废液处理的工况具有高温高压、辐射和长期运行等特点，核心部件和工艺流程仍有改善和优化空间，所以需要提高设备的运行监测和预测性维护能力，提高设备的开动效率，减低设备的风险性因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有机废液处理设备的电气控制系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种有机废液处理设备的电气控制系统，包括：
S7-1513中央控制单元：用于执行控制程序，按周期采集、处理现场输入装置的状态或数据，产生控制信号；
子控制系统：与S7-1513中央控制单元通过Modbus网络连接，用于控制有机废液处理的反应过程，实现控制逻辑等；
CP1543通信模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过CP1543通信模块实现S7-1513中央控制单元与子控制系统实现Modbus通信；
AI/AO/DI/DO输入输出模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过AI/AO/DI/DO输入输出模块采集和输出模拟量与数字量控制信号；
驱动系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于根据S7-1513中央控制单元的控制指令驱动、控制电动机运行；
人机交互系统：与S7-1513中央控制单元连接，以流程图、表格、曲线和文字等方式，执行操作指令和反馈设备状态信息；
上位机系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于监控与控制各个设备的运行状况，当出现问题时，在显示屏上能够表达出来，便于及时发现问题并且给出相应的解决方法；起到控制管理与决策的作用。
在上述技术方案中，还包括视频监控系统，用于对设备环境进行视频监控。
在上述技术方案中，控制系统中，急停按钮、传感器全部选用常闭式开关量信号，防止因断线、虚接等影响系统对故障的响应时间和逻辑判断结果；急停信号、传感器开关量信号均通过继电器扩展为双回路或多回路，同时接入软件和硬件连锁回路。
在上述技术方案中，控制系统将采集到的电信号还原为物理量信号，同时对预警、报警、故障、零值等开源输入和按工况需求使能判断，将传感器输出与系统判断结果进行对比。
在上述技术方案中，控制系统中，将时间继电器和扩展继电器常开回路分别接入危险源和保护性部件的运行回路。
在上述技术方案中，控制系统的控制包括PID控制、公式法控制、规律性控制和联合控制。
在上述技术方案中，控制系统具备检修模式、手动模式、自动运行模式和单步实验模式，对不同使用环境具备良好的适用性。
在上述技术方案中，控制系统通过Modbus协议与子控制系统按设定周期轮询通信，故障信息、操作员操作记录等历史数据、实时通信和轮询通信读取的数据筛选后的以Excl格式存储于上位机Logs文件内。
在上述技术方案中，控制系统通还包括无纸化记录仪：独立采集、处理、记录和输出设备信息、数据。
本发明的优点和有益效果为：
本发明在控制系统中，结合实际工况，开发、应用或整合了多种先进、实用的控制方法，包括但不限于连锁功能、自动控制、模拟运行等，具体应用了包括步序控制、分段、连续进/停料控制、急停控制和控制系统仿真等自主发明的功能、界面和控制方式。
本发明实现了有机危废处理设备的全工艺流程自动控制，提高了有机危废处理设备样机测试过程中的安全性和稳定性，加速了废液处理设备整体规模化、实用化和商业化进程。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的有机废液处理设备的电气控制系统结构图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种有机废液处理设备的电气控制系统，包括：
S7-1513中央控制单元：用于执行控制程序，按周期采集、处理现场输入装置的状态或数据，产生控制信号；
子控制系统：与S7-1513中央控制单元通过Modbus网络连接，用于控制有机废液处理的反应过程，实现控制逻辑等；
CP1543通信模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过CP1543通信模块实现S7-1513中央控制单元与子控制系统实现Modbus通信；
AI/AO/DI/DO输入输出模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过AI/AO/DI/DO输入输出模块采集和输出模拟量与数字量控制信号；
驱动系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于根据S7-1513中央控制单元的控制指令驱动、控制电动机运行；
人机交互系统：与S7-1513中央控制单元连接，以流程图、表格、曲线和文字等方式，执行操作指令和反馈设备状态信息；
上位机系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于监控与控制各个设备的运行状况，当出现问题时，在显示屏上能够表达出来，便于及时发现问题并且给出相应的解决方法,起到控制管理与决策的作用；
视频监控系统：用于对设备环境进行视频监控。
本控制系统的控制方案如下：
1安全连锁：
由于有机废液处理设备长时间处于高温高压状态下运行，危险系数大，且紧急卸荷会对反应釜内核心部件造成不可逆性损伤，所以本控制系统对超温、超压、堵塞、设备故障和错误操作等具备完善的预警、报警和保护性卸荷控制方法。
1.1选型：急停按钮、传感器全部选用常闭式开关量信号，防止因断线、虚接等影响系统对故障的响应时间和逻辑判断结果；急停信号、传感器开关量信号均通过继电器扩展为双回路或多回路，同时接入软件和硬件连锁回路。
1.2软件连锁：将采集到的电信号还原为物理量信号，同时对预警、报警、故障、零值等开源输入和按工况需求使能判断，将传感器输出与系统判断结果进行对比，可对系统内传感器部件做到全面监控和基于现有硬件提高冗余、减少误判。
1.3硬件连锁：因设备使用环境具备多样性，为防止控制系统异常导致设备失控的危险工况，将可判断系统安全性物理量信号接入独立于控制系统的测控仪表，测控仪表的判据信号再通过继电器回路、根据不同的连锁关系分别接入至设备的运行允许硬线回路。
1.4状态监控：为防止中央控制单元故障或宕机，将时间继电器和扩展继电器常开回路分别接入危险源和保护性部件的运行回路，如进料泵、卸荷阀等；例如：中央控制单元正常工况下的最大扫描周期为M ms，将时间继电器预设为5-10M ms，在第0ms时中央控制单元输出使能信号，如若5-10M ms内时间继电器再次接受到中央控制单元发出的使能信号，则继电器及扩展常开回路保持闭合；反之，达到定时时间后，常开回路断开，危险源和保护性部件按紧急保护模式动作。
2自动控制
为使危废处理物达到无毒、无害和无污染的处理结果，处理过程需要对温度、压力、流量需要进行精确控制；同时，为满足经济性和通用性，反应过程全部采用自动控制。
2.1PID控制：PID控制作为一种经典自控手段，对常规子系统具备良好的控制效果，如本系统中流量-电机频率正反馈控制，液位-电机频率负反馈控制，恒压控制等多种实际应用。
2.2公式法控制：对于某些特定设备，受制于系统内物理条件，设备响应时间和反馈时间导致设备无法按PID调节稳定运行甚至造成系统损坏，所以根据设备的特性，以公式法进行控制；公式法首先通过仿真软件拟合出较高相似度的公式，然后通过闭环反馈、逐次逼近、间歇启停等使被控量稳定在目标值的可接受浮动区间内。
2.3规律性控制：由于系统运行温度通常是环境温度的几十倍，加热装置关闭后，各介质温度会急剧下降，温度变化速度过快会对管路、设备和反应釜内核心部件造成堵塞甚至断裂等损伤，所以在PID控制方法内结合环境温差，对加热装置控制回路的目标值温度进行规律性给定下降，保证系统内温度持续稳定变化进而保护设备。
2.4联合控制：对于多种因素的因变量，单一的子控制系统无法满足控制需求，需要多个子控制系统联合控制。如反应釜系统温度，同时受反应物进料量、辅料进料量、氧化物进料量、各介质温度等同时影响，当需要调节温度时，优先调节辅料进料量，辅料进料量的变化会导致温度场突变，需要根据工况选择调整进料量或氧化物降低温度场的变化趋势，而物料比例的改变会导致温度场再次受到影响，此时需要对电机、阀门、加热装置等不同设备采用不同控制回路保证温度场稳定变化。
3操作模式：
本控制系统具备检修模式、手动模式、自动运行模式和单步实验模式，对不同使用环境具备良好的适用性。
3.1检修模式：设备由中控或现场HMI手动操作，具备基本连锁功能，可用于设备维、修理或单体测试。
3.2手动模式：设备由中控或现场HMI手动操作，具备连锁功能，可用于初期工艺调试。
3.3自动模式：自动模式控制方法是步序控制，能使整个控制系统逻辑性强、扫描周期短、修改便捷，易于移植。运行条件满足后，进行一键启动；运行过程中，按照配方工艺步骤设定值进行判定，正常情况下顺序运行，当出现异常时，通过弹窗、提示界面、辅助按钮等处理异常和决断；反应结束后，可对系统内设备、管路进行自清洁和设备状态复原及检查。
3.4单步实验模式：由于系统实用领域具有可开发性，如不同反应物处理过程测试，所以设置单步实验模式，该模式下，将所有工艺步骤细化拆分，通过控制字将控制流程与工艺步骤一一匹配，每一个设备动作、每一个判定条件均作为一个小步骤，开源所有运行参数，在实验过程中可执行跳过、回退、重复执行等验证功能，相同工艺条件下，为新工况调试提供了极大的便利性。
4数据采集和记录：
对于过程控制系统，实时性数据采集是系统正常的必要条件，而完整的数据记录和存储可对整个反应过程进行复盘和分析，对开发测试和使用人员具备非常大的参考价值。为了兼顾各项功能和不同设备通信方式，采取不同方式进行数据记录和存储。
4.1实时通信：将S7-1513中央控制单元、各子控制系统、上位机、人机交互系统、驱动系统等组态连接，各设备通过报文和S7-1513中央控制单元通信实时交互信息，保证控制系统信息链正常传输。
4.2轮询通信：通过Modbus协议与子控制系统按设定周期轮询通信，如环境温度、湿度仪器仪表，既能及时监测设备状态及数据、控制设备动作，又能减少中断响应时间，减少控制器扫描周期。
4.3故障信息、操作员操作记录等历史数据、实时通信和轮询通信读取的数据筛选后的以Excl格式存储于上位机Logs文件内。
4.4仪表记录：由于网络通信的稳定性和抗干扰性有先天不足，为保证可追溯性和冗余性，硬线连锁的测控仪表选用无纸化记录仪，它可将数据记录并存储在内置SD卡，支持在线查看、导出打印和断电保持等功能。
5模拟运行系统：
模拟运行控制系统属于运行调试阶段的重要部分，它根据工艺模型和设备工况，最大化遵循工艺条件和反应步骤，与工艺仿真系统共同为设备提供预测性和功能性优化。
5.1模拟运行控制系统包括PC上位机、Siemens PLCSIM仿真控制器，TIA Portal程序编写器，Wincc Professional人机交互界面等。
5.2调试准备阶段，无需反应器开机或无需系统内设备运行，即可在安全、节能前提下，验证已编写程序的控制逻辑是否与控制任务书一致，包括顺序执行、异常处理和故障报警等；
5.3验证人机交互界面是否能完整无误显示运行状态和操作状态；验证数据记录等保障性功能是否正常。
5.4对新工艺和新控制方法进行模拟运行，查找可能的异常现象或故障信息以及解决方案；根据模拟运行和实际运行结果对比，分析系统运行状态，设备运行情况和可能的潜在危险因素；
5.5可通过软件调试工具和配套功能块，对泵、加热器等进行PID整定的设备参数，方便后期实操；
5.6对操作人员和运维人员进行培训，加深对设备和控制系统的熟悉度，丰富使用经验。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于，包括：
S7-1513中央控制单元：用于执行控制程序，按周期采集、处理现场输入装置的状态或数据，产生控制信号；
子控制系统：与S7-1513中央控制单元通过Modbus网络连接，用于控制有机废液处理的反应过程，实现控制逻辑；
CP1543通信模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过CP1543通信模块实现S7-1513中央控制单元与子控制系统实现Modbus通信；
AI/AO/DI/DO输入输出模块：与S7-1513中央控制单元连接，通过AI/AO/DI/DO输入输出模块采集和输出模拟量与数字量控制信号；
驱动系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于根据S7-1513中央控制单元的控制指令驱动、控制电动机运行；
人机交互系统：与S7-1513中央控制单元连接，以流程图、表格、曲线和文字等方式，执行操作指令和反馈设备状态信息；
上位机系统：与S7-1513中央控制单元连接，用于监控与控制各个设备的运行状况，当出现问题时，在显示屏上能够表达出来，便于及时发现问题并且给出相应的解决方法；起到控制管理与决策的作用。
2.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：还包括视频监控系统，用于对设备环境进行视频监控。
3.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统中，急停按钮、传感器全部选用常闭式开关量信号，防止因断线、虚接等影响系统对故障的响应时间和逻辑判断结果；急停信号、传感器开关量信号均通过继电器扩展为双回路或多回路，同时接入软件和硬件连锁回路。
4.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统将采集到的电信号还原为物理量信号，同时对预警、报警、故障、零值等开源输入和按工况需求使能判断，将传感器输出与系统判断结果进行对比。
5.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统中，将时间继电器和扩展继电器常开回路分别接入危险源和保护性部件的运行回路。
6.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统的控制包括PID控制、公式法控制、规律性控制和联合控制。
7.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统具备检修模式、手动模式、自动运行模式和单步实验模式。
8.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统通过Modbus协议与子控制系统按设定周期轮询通信，故障信息、操作员操作记录等历史数据、实时通信和轮询通信读取的数据筛选后的以Excl格式存储于上位机Logs文件内。
9.根据权利要求1所述的有机废液处理设备的电气控制系统，其特征在于：控制系统通还包括无纸化记录仪：独立采集、处理、记录和输出设备信息、数据。
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