粉料配料自動化控制系統的實現

涉及粉料配料及生產的企業，往往是生產環境比較惡劣，充斥著粉塵甚至酸霧（如氫氟酸、磷肥等的生產），裝置控制水平較低，大多屬人工操作方式，而消耗往往較高。惡劣的環境對工人的身體健康有不良影響。對類似的企業實施自動化改造，提高其裝備水平及管理水平，改善工人勞動條件和降低勞動強度，減少對環境的污染、節能降耗，將產生巨大的經濟效益和社會效益。 由于工作環境相當惡劣，粉料配料裝置的局限性，設備在類似環境下長期工作的可靠性和可維護性差，以及需兼顧改造的經濟性與實用性，因此粉料配料自動化的實現絕非易事。 以下以1998年對白銀氟化鹽有限責任公司氫氟酸生產配料系統的改造為例，闡述粉料配料自動化系統的實現及實際運行結果。
1、系統控制方案的選取及其實現 氫氟酸生產主要由氟化鈣和硫酸按一定配料比充分混合后進入回轉窯，在高溫下反應 CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF↑ 控制方案的選取主要考慮如下因素： 1）能在惡劣的環境下長期可靠工作； 2）有良好的可操作性、可維護性； 3）改造經濟實用，滿足當今工廠對管理控制一體化的要求； 4）現場計量及執行機構穩定可靠，密封性好，易于維護； 5）便于與企業局域網聯網、全廠生產過程自動化及管理。 1.1 控制方案的確定 傳統的DCS價格昂貴，一次投入大，維護費用高；單純的儀表控制不利于生產管理和現場數據的實時傳遞，難以滿足管理控制一體化的要求，也不符合當今控制系統的發展趨勢。隨著自動化水平的發展，軟硬件費用不斷降低，經多方比較決定采用OPTO22 I/O器件+IPC工控機+AIMAX控制軟件的方案。 OPTO 22是美國OPTO公司生產的專用于工業自動化領域的I/O器件，分為模擬量I/O與數字量I/O兩大類。由于其模塊化結構、配置靈活、維護方便、價格低廉，有眾多MMI工控軟件支持，在世界范圍有廣泛地應用。其基本構成為RS-232/485轉換卡、模擬量模架板、數字量模架板、局部控制器、各類模擬量及數字量I/O模塊。每一模架板可配置1～16(8)個同類I/O模塊，總共可配各類模架板256塊，最多4096點I/O。 AIMAX是美國TA Engineering公司的人機界面（MMI）控制軟件，運行于WIN9X及WINDOWS NT平臺，全漢字界面。TA公司是美國乃至世界工控軟件的領導者。 AIMAX對世界著名儀表公司如Foxboro,Honeywell,Omron,三菱、富士、OPTO等的產品有良好的支持，而軟件費用相對低廉，性價比極高。軟件的開放性、通用性便于用戶二次開發，ODBC，OLE，MCI，DDE全面兼容。系統配置如圖1所示。 圖1 系統配置方框圖 1.2 粉料計量及給料裝置的選取 氟化鈣是典型的粉狀物料，具有粉狀物料諸多不利的因素如架橋、流態化、卷揚等。因此粉料計量裝置及給料裝置的選取是本系統可靠穩定運行的關鍵之一。多年來，國內外所使用的粉料計量設備多為皮帶秤、核子秤。由于皮帶秤密封性差，維護量大；核子秤對物料適應性差，廢棄核探頭不好處理等問題，使用均不盡如人意。我們選取了白銀有色金屬公司研究所研制開發的微機螺旋配料秤作為本系統粉料的計量裝置。該秤具有如下特點：密封性好、可靠性高及物料適應性強，便于現場維護，精度優于1%，曾在該廠有滿意的使用效果。給料裝置亦選用該研究所配套生產的螺旋給料裝置。 1.3 其他設備 本文側重粉料配料計量自動化，其他設備的選取，控制量、監測量的控制與實現在此不再贅述。
2、系統軟件的二次開發 AIMAX具有開放性、通用性的特點，并配有設備驅動開發程序，可對AIMAX未支持的自主設備進行驅動程序開發。本系統所使用的OPTO I/O裝置，AIMAX能很好地支持。 為了降低系統改造成本，本系統的控制不再設置回路控制器，而用AIMAX的Script編寫控制算法，對控制對象實施控制。針對粉料配料，傳統PID調節已能滿足控制要求，沒有用其他算法。在調節初始階段，加入了快速調節算法，在接近給定值±10%以內投入PID調節，算法如下： P(K) = PP(K) + P1(K) + PD(K) = KPE(K) + K1[E(K) + E(K-1)] + KD[E(K) - E(K-1)] 式中P(K)——調節輸出常數； KP——比例常數； K1——積分常數； KD——微分常數； E(K)——采樣時刻K時的偏差值； E(K-1)——采樣時刻(K-1)時的偏差值。 程序框圖如圖2所示。 圖2 程序框圖 二次開發軟件特別設置了關鍵故障監控及故障綜合判斷處理程序。此程序對系統安全運行及提高可維護性起到了明顯的作用。 AIMAX所特有的圖形化拖曳配置技術、虛擬器件及設備技術、各廠家標準器件、設備圖庫，使硬件的配置、界面及流程圖設計更直觀而易于使用。詳細組態與多數MMI工控軟件類似，不再贅述。
3、系統可靠性及可維護性 系統設計除遵循一般可靠性設計原則外，為提高系統的可維護性，采取了設置關鍵故障監控點的辦法，對系統設備進行監測。通過邏輯綜合推理判斷出故障點及其類型，并以文字提示的方式顯示出來。關鍵故障點的設置充分利用了OPTO 22開關量模塊價廉的優勢；AIMAX二次開發的易實現及MMI直觀的特點。事實證明，此一獨到措施為整個系統安全運行起到了良好的作用，為系統維護及事故處理帶來了極大方便。
4、系統的主要功能 1）三維動態工藝流程； 2）實時趨勢、歷史趨勢曲線及Foxpro數據庫； 3）配方管理及配方下載； 4）超限及失調掃警，故障保護； 5）事件記錄及數據庫可記錄下所有操作情況，以資分析使用； 6）報表生成及打印； 7）配料精度優于1%； 8）采用TCP/IP協議標準，可以與企業局域網（INTRANET）聯接； 9）五級口令保護，以避免誤操作或非法退出控制系統。
5、傳統老企業實現低成本DCS改造的可能性 5.1 傳統老企業的現狀 由于多年實施計劃經濟等客觀原因，國內有大量的老企業，尤其是國有企業，它們設備陳舊，生產管理落后，技術含量低，在社會主義市場經濟下，競爭力差，面臨關停并轉的困境。而實施技術改造，實現管理控制一體化，用傳統方式需要投入大量資金。以低成本實現老企業管理控制一體化，提高其技術含量、自動化水平、管理水平、產品質量、市場競爭力、節能降耗成了我國自動化界的一個課題。它的解決將使大量走入困境的企業起死回生。 5.2 低成本DCS改造的可能性 白銀氟化鹽有限公司是中國有色行業的特大型國有老企業，其現狀與前述類似。在多年的自動化改造實踐工作中，總結出一些心得以供參考。 隨著世界自動化水平的進步及微電子技術的飛速發展，已有許多非常優秀、可靠性極高而價格適中的產品可供選擇。控制軟件方面，如TA公司的AIMAX MMI控制軟件，CIT公司的Citect MMI控制軟件，皆有開放性、通用性，支持世界大多數知名儀表公司設備，可擴展為大型系統，二次開發及驅動程序開發簡單等特點，且功能堪與許多大型系統相媲美。其他如OPTO公司、研華、Omron等專配其產品系列的軟件亦價格低廉，可擴充性強，支持第三方產品。硬件方面，OPTO公司的OPTO系列、研華的ADAM系列，其他公司的控制器、現場儀表、PLC都有價格適中的產品。 我們推薦如下的DCS模式： 1）IPC+I/O器件或回路控制器或PLC+AIMAX或Citect； 2）IPC+I/O器件+回路控制器+AIMAX或Citect； 3）IPC+PLC+回路控制器+AIMAX或Citect； 4）IPC+回路控制器+現場儀表+AIMAX或Citect。 以上模式具有普通DCS的所有功能，管控一體化的特點，與INTRANET聯用能力，而成本只有通常DCS的一半或略多些。
6 結論 氟化鹽有限公司的配料控制系統，經過兩年多的生產運行，經濟、技術指標大大提高，已處于全國同類企業先進行列，取得了顯著的經濟效益和社會效益。 1）粉狀物料的此種控制方式及所選用的軟硬件，能在極惡劣環境下長期穩定運行，完全能滿足生產管理控制一體化的需要。 2）螺旋秤是粉狀動態計量的較理想設備。 3）設備關鍵故障點監控對系統安全運行有明顯裨益，并能提供方便有效的維護指導。 4）應用當今世界較先進的軟硬件設備對老設備進行DCS改造，方案的選取得當，可以在滿足實用性、管理控制一體化要求的前提下，以低成本實現，并具有普通DCS的所有功能。對老企業實施技術改造，提高企業競爭力有廣泛的借鑒意義及推廣意義