多功能色谱分离中试装置及控制系统设计

中文摘要:

  借鉴模拟移动床(SMB) 的思想,设计一套可移动的多功能色谱分离中试装置,用于提纯柠檬酸 等多种工艺. 采用基于PROFIBUS 总线和软PLC 的控制系统,系统软件总体分工遵循两层模式,组态管理 由组态软件WinCE 实现,控制功能采用软PLC 解决方案WinAC. 采用此方案,明显简化了硬件结构,适应 了中试装置的要求,并在应用中取得了较好的效果.

英文摘要：

  Based on the idea of SMB ,this paper presents a set of middle-experiment equipment for chromatographic separation used to separate citric acid and so on. The design of control system based on PROFIBUS and soft-PLC. The configuration of the control system ,the assignment and implementation of the tasks ,the design concept of program satisfy the requirements of application. The scheme not only clearly reduces the hardware configuration and meets the requirements of the equipment ,but also helps make different technics research and acquires good effects.

　色谱是根据混合物中不同组分在两相间平衡 分配的差异提取物质的一种分离技术,它不仅可 作为分析工具使用,而且可用于大规模的工业分 离. 近30 年来,色谱技术发展很快,产生了环形色 谱、错流梯度色谱、移动床( TMB , True Moving Bed) 模拟移动床(SMB , Simulated Moving bed) 等各 种适合不同生产工艺需求的大型、连续制备色谱 技术. 在SMB 中,固、液两相的交错流动的模拟是 通过顺序开关进出料阀门来实现的. 如图1 所示, 通过液体出入口位置的不断切换实现固体的模拟 移动,从而在吸附剂的实际固定床上获得了类似 交错流动效应,而无需真正传送固体物料. SMB 的 对流操作原理,使其具有设备结构小,投资成本 低,产率高,分离能力强,能耗低,污染少,便于连 续化、大规模生产和自动控制等优点,是现代分离 技术中备受青睐的新技术,其应用面也越来越广. 但SMB 的主要缺点是所得到的产品液的浓 度低于进料液的浓度,而在生化工业中,几乎所有 发酵液中的产品浓度都很低(0. 1 %～10 %) ,这给 SMB 技术在生化领域中的应用带来了困难. Ching 和Ruthven 曾经开发了如图2 所示的可获取高浓 度产品的非等温操作SMB 系统. 在这个系统中, 为了保证移动中的区Ⅰ处于较高的温度而其他区 处于低温,必须不断交替地对床柱进行加温、冷 却,代价是系统复杂,成本增高.
2 　中试装置控制系统硬件设计
     控制系统硬件结构设计也遵循体积小、便于 拆卸和安装的原则. 如果按常规设计方法,将所有 的控制线送至集中控制柜,现场将需要有大量控 制线,不便于维护,也不适合本装置的“多功能、灵 活性”的要求. 而现场总线至今已发展得较成熟, 具有诸多优点,现场总线的设备标准化、模块化, 设计简单,易于重构,提高了系统的准确性与可靠 性,可节省安装和维护费用,这些特点对于本系统 尤为有用. PROFIBUS 作为德国国家标准和欧洲国 家标准的现场总线标准,是一种开放式通讯系统 工业标准. PROFIBUS 是目前国际上唯一一种具备 较成熟的安全方案的现场总线技术,具有非常灵 活的模块配置性能, 数据传输速度最高可达 12 Mbps/ 100 m ,故本系统采用PROFIBUS 系列中 广泛应用于现场设备的PROFIBUS - DP 总线. 由SMB 原理可知,对于某种特定工艺的分离 过程而言,每根柱各个阀门的动作顺序及工艺参数 的控制要求都是相同的,因此控制系统的硬件设计 采用了以设备为单位的思想[4] . 其结构如图4 所 示,由上位工控机和基于PROFIBUS 的现场智能节 点和I/ O 模块构成典型的现场总线控制系统. PROFIBUS2DP 现场总线的主控模块选用了 SIEMENS 的基于Windows NT 的纯软件PLC 解决 方案:WinAC. 这样系统上层为工业PC 机,既作为 PLC的软CPU ,承担远程控制功能,又作为监控、 管理计算机,同时还可进行新工艺组态,实现一机多用. 上位机和各控制单元之间通过PROFIBUS2DP 总线实现数据传送. 整个现场的系统硬件和计算 机、各设备之间采用PROFIBUS2DP 总线专用接头 连接,减少现场连线,便于维护,方便拆卸和安装, 满足了经常移动的要求.
4 　结束语
     本装置能适应多种工艺, 控制系统采用 PROFIBUS 和软PLC 等技术简化了硬件结构,便 于调试、维护、运输、安装,适应性强,已在江苏、山 东等地的柠檬酸生产和糖液脱色的新工艺改造过 程中取得了显著的效益. 采用该中试装置到现场 进行中试实验,从新工艺路线研究到实现工业化 生产只需三个月左右时间. 经过改造的新工艺可 降低生产成本,减少环境污染,改善劳动环境和强 度,提高产品的质量和产量,深受企业欢迎.