基于PLC的超临界CO2萃取控制系统的研究与应用

徐凯+孙永超

摘要：采用SIEMENS PLC控制技术，设计出一套超临界二氧化碳萃取杜仲籽油的工业控制系统，实现了对现场设备压力和温度的精确控制，并且采用WinCC组态软件对现场的压力、温度等重要参数进行实时监控、记录和报警。经现场调试和运行，该系统满足现场实际需要，完全实现了设计要求，进一步提高了杜仲籽油的萃取率和萃取质量。

关键词：超临界；萃取；压力；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0013-02

1 引言

近些年来，超临界二氧化碳萃取技术作为一种新型的萃取技术取得了较快的发展。新的设备和工艺对控制系统提出了更高的要求。在超临界萃取过程中，实现对设备压力及温度的精确控制确实存在一定困难。本文提供了以杜仲籽为原料，采用控制站、操作站构成超临界二氧化碳萃取杜仲籽油的自控系统，其中程序控压、程序控温部分设计方法独特，处于同行业领先水平。

2 工艺介绍

本套超临界二氧化碳萃取装置配备供气、超临界CO2流体发生、夹带剂、萃取分离和CO2循环回收等系统。装置设计压力0～40Mpa，设计温度100℃。杜仲籽油经除杂和粉碎等一系列预先处理过程，然后装入萃取器，给系统萃取充入超临界二氧化碳并加压，原料在超临界二氧化碳作用下，可溶成分和超临界二氧化碳相溶，流出萃取器的混合物经过减压和调温，可将萃取物的各种成分选择性的分离出，之后，二氧化碳再经调温和压缩回到萃取以达到器循环使用的目的，整个过程是连续的，本次超临界二氧化碳萃取杜仲籽油的生产装置见图1。

3 控制系统设计

整套装置自控系统完全按照工业化现场需求设计，通过PLC连接计算机，操作人员可通过计算机设定和修改系统参数，控制设备的操作和运行，实现程序控压和控温。

3.1 控制系统硬件组成

控制系统由控制站：SIEMENS S7-200系列PLC和操作站：研华工业控制计算机两部分组成。

根据现场控制要求，控制站采用了一个CPU226 DC/DC/DC模块、两个EM231 8*IN模块、三个EM222 8*24VDV模块、一个EM231 4*OUT模块，对现场8个模拟量输入信号，3个模拟量输出信号，20个数字量输出信号进行控制。操作站与控制站通过以太网进行通讯，实现信息资源共享。

3.2 软件使用

为实现操作站的监控功能，现场使用WinCC组态软件，该软件人机操作界面功能強大，便于操作人员监控和操作。另根据实际需要安装Microsoft SQL Server 2000、Message Queuing等。

对PLC控制站的硬件组态、网络组态以及控制程序的编写，采用STEP-7软件，实现现场变送器输出信号的工程量化、现场电气设备的控制以及根据报警上＼下限对系统重要参数进行监控报警等功能。

4 控制系统设计

本节主要介绍工艺控制中的两个最重要参数的控制方法—压力控制和温度控制。

4.1 压力控制

压力控制是本次设计最重要的环节，能否对其进行精确控制直接影响杜仲籽油的萃取率和萃取质量。本套设备有两台增压泵用来给设备加压，当压力超过设定压力的时候，通过PLC控制步进电机正转实现调节阀打开，当压力小于设定压力时，步进电机反转实现阀门关闭。经大量数据分析得出压力在28Mpa左右最为合适，否则会影响杜仲籽油的萃取率。在正常工况下需要使其稳定在28±0.5Mpa范围内，这对自控系统提出了一个很高的要求，需要压力不足时关紧阀门，超压的时候立马泄压。

一般步进电机的速度特性可通过其运动方程（二阶微分方程）来描述，设Td为步进电机产生的电磁转矩，J为系统总转动惯量；θ为转子转角；β为阻尼系数；Tz为摩擦阻尼矩及其它与θ无关的阻尼矩之和，方程式表示如下：

由上式可知系统的惯性扭矩：

由步进电机和驱动器原理可知：

（1）步进电机的旋转角度与来自驱动器的脉冲信号数成正比

θ：电机输出轴的旋转角度；

θs：步距角

A：脉冲数

（2）步进电机的转速与驱动器的脉冲频率成正比

N：电动机输出轴的转速[r/min]；

：脉冲频率[Hz ].

通过控制脉冲的个数来控制步进电机角位移量，实现准确定位；通过控制脉冲频率来控制步进电机的速度和加速度，实现调速。由此看出：控制步进电机最重要的就是要产出符合要求的控制脉冲。步进电动机的转速、位移和转向是受绕组的电脉冲的频率、个数和通电顺序决定的，西门子PLC具有脉冲输出和控制功能，可以通过编程来设置控制字和参数，实现对输出脉冲的控制。采取编制数据块程序法，通过多段脉冲串及有效逻辑计算，实现步进电机运行增减速的精准控制。采用多段PTO操作的一个显著特色就是能够通过指定每段脉冲的数量来增加或减少周期，实现步进电机调速的控制。

目前，在很多领域步进电机的控制一般采用直接启动，由于转子惯性的影响，导致步进电机可能失步；同样，步进电机在运行时，如果出现驱动脉冲突然停止的情况，也会发生冲过终点的现象，造成点位控制发生偏差，所以控制步进电机的加/减速等特性非常重要。

与一般控制方法相比，本次设计采用S7-200系列PLC的高速脉冲输出功能，给步进电机发送进给脉冲，用编程来控制脉冲频率的变化，将此功能成功应用在工业现场调节阀，实现精确控制，从而实现控制要求，在一定程度上大大提高了杜仲籽油的产量和质量，得到现场人员的一致认可。

4.2 温度控制

温度的精确控制也是本次设计的重要环节。当压力比临界压力大许多时，CO2密度高，可压缩性小，升温时CO2密度降低较少，但提高了混合物的蒸汽压和扩散系数，溶解能力提高；在CO2临界点附近，CO2的可压缩性大，升温时CO2密度急剧下降，虽然提高了分离组分的挥发度和扩散系数，但是难以补偿CO2密度降低所造的溶解能力下降，经分析萃取杜仲籽油时，温度在45℃萃取率较高，所以温度维持在45±0.5℃。

5 结语

本次设计的超临界二氧化碳萃取杜仲籽油控制系统应用于河南灵宝金地杜仲产业有限公司的超临界CO2萃取生产装置，对其设备压力、温度进行了精确的控制，整套控制系统可以实现工艺流程图显示、数据控制、报警记录、实时曲线记录、电气设备起/停控制、参数修改等功能，完全实现了生产设备的自动控制，取得了非常理想的效果，极大地提高了杜仲籽油的萃取率和萃取质量，取得了良好的社会效益和经济效益，可以为相关行业提供技术支持和借鉴，具有较好的推广和应用价值。

参考文献

[1]朱勇.基于PLC步进电机控制系统研究[J].企业技术开发，2014，38（08）：79-80.

[2]王丰.机电传动控制[M].北京：清华大学出版社，2011.