流化床反应器自控系统的设计

刘长春 吴 俊 孙宏国

(盐城工学院电气工程学院)

流化床反应器自控系统的设计

刘长春 吴 俊 孙宏国

(盐城工学院电气工程学院)

针对影响流化床反应器运行质量的3个重要指标(原料气流速、温度和反应器内的压差)的测量电路、控制电路和报警电路进行设计。原料气温度测量采用K型热电偶与K型热电偶的专用模数转换芯片MAX6675的组合，不再进行冷端温度补偿；采用卡曼涡旋式空气流量传感器，实现对原料气流量的测量；反应器内压差的测量采用由PY209构成的数字气压计实现。Proteus软件仿真结果验证了该设计的可行性。

自控系统 流化床反应器 电路设计

流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。实现流化床反应器的自动控制，由复杂繁琐不易操作的手动控制转变为简单便利易操作的自动控制，弥补了生产劳动力的不足，同时也彻底解决了由于手动操作不当致使反应器发生过热或气体泄漏，对工人造成伤害的问题；可提高生产效率，实现资源的充分利用；同时，加快了企业生产链的改革，淘汰落后低效高能耗的手动控制流化床，采用高效节能的自动化流化床反应器，间接地减少了废渣的产生和废气的排放，有利于保护生态环境[1，2]。本课题对流化床反应器的原料气流速、原料入口温度和反应器压差进行测量和控制，以期根据不同生产对象进行自动调整，实现生产过程的自动化。

1 硬件电路设计

流化床反应器自控系统的硬件电路(图1)由MCU主控电路、温度测量电路、流量测量电路、压差测量电路、键盘和显示电路、温度调节电路和流量调节电路组成。MCU主控电路以单片机为核心，利用温度传感器和流量传感器测量原料气的温度和流量，数字气压计测量流化床反应器中的压差。根据不同的反应，3个参数需合理地控制在一定范围内，一旦出现超出范围，即利用温度调节和速度调节对原料气进行控制，将流化床反应器中的压差调整到合适范围。简易键盘和LCD显示电路对不同反应类型的参数进行设置并进行实时显示。

图1 系统硬件电路结构框图

1.1 温度测量电路

温度测量电路(图2)采用K型热电偶与K型热电偶的专用模数转换芯片MAX6675的组合，不再进行冷端温度补偿[3]。该模块采用单总线接口，占用单片机I/O口资源少，能方便地与单片机通信，测量范围0～1 600℃，测温精度12位。

图2 温度测量电路

温度调节电路主要由光电耦合器和继电器两个元件组成。光电耦合器的作用是隔离输入输出信号，并且只能单向传递信号，具有很高的抗干扰性[4]。继电器用来控制加热炉的开断，当反应器温度过高时，P1.3端口变为低电平，电路导通，继电器的触点闭合，加热炉停止工作。

1.2 流速测量电路

流速测量电路(图3)利用卡曼涡旋式空气流量传感器，实现对流量的测量且以电子信号(频率)的形式输出，在给系统的控制电路传输信号时，可以省去AD转换器。液晶屏上可以显示流速的大小，并且可以根据不同的应用场合，实现原料气流速的自动调节。气流速度调节电路由一个简单的电机闭环控制系统构成，即当测量得到的气流速度过高时，单片机通过控制电机的转速来降低气流速度，反之提高气流的速度[5]。

图3 流速测量电路

1.3 压差测量电路

压差测量电路(图4)由信息采集、数据转换、信息处理和数据显示模块4部分构成。信息采集由PY209构成的数字气压计实现，完成压差向电信号的转换，最终在液晶显示器上显示出正确的气压读数。设计系统具体电路时，需要考虑整体的稳定性、复杂程度、性价比及调试时要考虑的难易程度等因素。

图4 压差测量电路

PY209气体压差传感器的测压范围-100～100kPa；相应的输出电压0～5V(DC)；精度为±0.1%；工作温度范围-20～300℃。

1.4 报警电路

如图5所示，上下限设定电路由5个按键组成——确认键、-键、+键、设置温度键、设置压差键和设置流速键。设定报警上下限时，先按“设置温度”、“设置压差”或“设置流速”键，进入温度、压差或流速报警设定界面，通过+、-键设定报警上下限值[6]。当温度、压差低于下限(或高于上限)时蜂鸣器发声报警。

图5 报警电路

2 软件设计

系统软件设计流程如图6所示。系统开始运行后，进行相关参数的设置。输入报警数据的范围，系统读取后设置上下限。反应物进行反应时，数据采集装置(即温度、流速、压差传感器)开始读取数据并显示在LCD屏上。此时系统判断采集数据是否在设置范围内，若超出范围则启动报警系统，同时继续采集数据。报警系统启动后，进行流速、温度和压差相关量的控制。调节后再重复上述过程，直至反应过程结束。

图6 系统软件总体流程

3 仿真

3.1 显示部分

系统的仿真用电位器和可调电源来模拟温度和压差的变化。按下“温度设置”键后进入温度报警设置界面，“up”的后面可设置最高温度报警值，“down”的后面可设置最低温度报警值。速度和压差报警设置方法相同。显示屏中的“T”值表示温度，“P”值表示压差，“S”值表示流速。

针对不同情况进行仿真得出不同结果，温度、流速和压差的仿真显示结果如图7所示。温度“T”显示由88℃变为92℃，流速“S”显示由133m3/h变为146m3/h，压差“P”显示由151Pa变为159Pa。该仿真模拟出不同情况下的各参数测量情况，初步验证了本设计在参数测量方面的可靠性。

图7 LCD屏数值显示的仿真结果

3.2 报警部分

按下相应的报警参数值设置按钮，根据规定的报警数值进行设定。下面以温度报警为例具体说明：按下“设置温度”按钮进入温度报警设置界面“up”后设定温度上限值，“down”后设置温度下限值。按下“温度报警参数设置键”后光标默认在上限值“up”位置处，操作“+”、“-”键可进行上限值设置；再按一次“温度报警参数设置”键后光标移至下限值“down”位置处，操作“+”、“-”键可进行下限值设置。再按一次“上报警参数设置键”即可继续对上限值修改，下限值可重复此操作进行多次修改。上限值修改好后按“确认键”即可保存报警参数值。仿真过程的温度报警值上限设定为60℃，下限设置为20℃。

设定好报警参数后进行报警仿真，如果所测参数超出报警值上下限，蜂鸣器高电平得电发声报警，同时LCD显示屏闪烁提醒相关操作人员，实现了声光同时报警，这样能够及时提醒操作人员进行相关处理，减少事故发生的可能性，从而保证流化床反应器生产过程的安全可靠，并保障车间人员的安全。

4 结束语

流化床反应器自控系统利用单片机作为控制核心，对流化床反应器的温度、流速和压差3个参数进行自动测量和调节，当3个参数超过设定范围时，报警电路会发出报警提醒工作人员进行现场处理。整个反应过程控制更加智能化，可有效提高生产效率，同时也能起到监控预防的作用，以免发生事故造成不必要的损失。

[1] 李明生.一种气固流化床自动控制加料装置[J].氯碱工业,2012,48(10):40～42.

[2] 谢腾腾.浅谈循环流化床锅炉系统的仪表选型设计[J].石油化工自动化,2016,52(2): 71～72.

[3] 于希宁,王慧,王东风,等.模糊控制在循环流化床锅炉床温控制中的应用[J].华北电力大学学报(自然科学版),2005,32(3):43～46.

[4] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 赵聪聪.气体流速的测定方法[J].化工自动化及仪表,2013,40(4):471～473.

[6] 赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版,2007.

DesignofAuto-controlSystemforFluidizedBedReactor

LIU Chang-chun, WU Jun, SUN Hong-guo
(CollegeofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology)

Considering three important indicators such as the flow velocity, feed gas temperature and the differential pressure that affecting the operating quality of the fluidized bed reactor, their measuring circuit, control circuit and alarm circuit were designed. As for measuring the feed gas temperature, the combination of K-

TH862

A

1000-3932(2017)09-0864-05

2017-02-26，

2017-06-27)

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刘长春(1995-)，本科生，从事电气工程及其自动化的研究。

联系人孙宏国(1967-)，教授，从事电力电子技术及微机应用的研究,s_hguo@163.com。