粉料配料自动化控制系统的实现

涉及粉料配料及生产的企业，往往是生产环境比较恶劣，充斥着粉尘甚至酸雾（如氢氟酸、磷肥等的生产），装置控制水平较低，大多属人工操作方式，而消耗往往较高。恶劣的环境对工人的身体健康有不良影响。对类似的企业实施自动化改造，提高其装备水平及管理水平，改善工人劳动条件和降低劳动强度，减少对环境的污染、节能降耗，将产生巨大的经济效益和社会效益。 由于工作环境相当恶劣，粉料配料装置的局限性，设备在类似环境下长期工作的可靠性和可维护性差，以及需兼顾改造的经济性与实用性，因此粉料配料自动化的实现绝非易事。 以下以1998年对白银氟化盐有限责任公司氢氟酸生产配料系统的改造为例，阐述粉料配料自动化系统的实现及实际运行结果。
1、系统控制方案的选取及其实现 氢氟酸生产主要由氟化钙和硫酸按一定配料比充分混合后进入回转窑，在高温下反应 CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF↑ 控制方案的选取主要考虑如下因素： 1）能在恶劣的环境下长期可靠工作； 2）有良好的可操作性、可维护性； 3）改造经济实用，满足当今工厂对管理控制一体化的要求； 4）现场计量及执行机构稳定可靠，密封性好，易于维护； 5）便于与企业局域网联网、全厂生产过程自动化及管理。 1.1 控制方案的确定 传统的DCS价格昂贵，一次投入大，维护费用高；单纯的仪表控制不利于生产管理和现场数据的实时传递，难以满足管理控制一体化的要求，也不符合当今控制系统的发展趋势。随着自动化水平的发展，软硬件费用不断降低，经多方比较决定采用OPTO22 I/O器件+IPC工控机+AIMAX控制软件的方案。 OPTO 22是美国OPTO公司生产的专用于工业自动化领域的I/O器件，分为模拟量I/O与数字量I/O两大类。由于其模块化结构、配置灵活、维护方便、价格低廉，有众多MMI工控软件支持，在世界范围有广泛地应用。其基本构成为RS-232/485转换卡、模拟量模架板、数字量模架板、局部控制器、各类模拟量及数字量I/O模块。每一模架板可配置1～16(8)个同类I/O模块，总共可配各类模架板256块，最多4096点I/O。 AIMAX是美国TA Engineering公司的人机界面（MMI）控制软件，运行于WIN9X及WINDOWS NT平台，全汉字界面。TA公司是美国乃至世界工控软件的领导者。 AIMAX对世界著名仪表公司如Foxboro,Honeywell,Omron,三菱、富士、OPTO等的产品有良好的支持，而软件费用相对低廉，性价比极高。软件的开放性、通用性便于用户二次开发，ODBC，OLE，MCI，DDE全面兼容。系统配置如图1所示。 图1 系统配置方框图 1.2 粉料计量及给料装置的选取 氟化钙是典型的粉状物料，具有粉状物料诸多不利的因素如架桥、流态化、卷扬等。因此粉料计量装置及给料装置的选取是本系统可靠稳定运行的关键之一。多年来，国内外所使用的粉料计量设备多为皮带秤、核子秤。由于皮带秤密封性差，维护量大；核子秤对物料适应性差，废弃核探头不好处理等问题，使用均不尽如人意。我们选取了白银有色金属公司研究所研制开发的微机螺旋配料秤作为本系统粉料的计量装置。该秤具有如下特点：密封性好、可靠性高及物料适应性强，便于现场维护，精度优于1%，曾在该厂有满意的使用效果。给料装置亦选用该研究所配套生产的螺旋给料装置。 1.3 其他设备 本文侧重粉料配料计量自动化，其他设备的选取，控制量、监测量的控制与实现在此不再赘述。
2、系统软件的二次开发 AIMAX具有开放性、通用性的特点，并配有设备驱动开发程序，可对AIMAX未支持的自主设备进行驱动程序开发。本系统所使用的OPTO I/O装置，AIMAX能很好地支持。 为了降低系统改造成本，本系统的控制不再设置回路控制器，而用AIMAX的Script编写控制算法，对控制对象实施控制。针对粉料配料，传统PID调节已能满足控制要求，没有用其他算法。在调节初始阶段，加入了快速调节算法，在接近给定值±10%以内投入PID调节，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)——调节输出常数； KP——比例常数； K1——积分常数； KD——微分常数； E(K)——采样时刻K时的偏差值； E(K-1)——采样时刻(K-1)时的偏差值。 程序框图如图2所示。 图2 程序框图 二次开发软件特别设置了关键故障监控及故障综合判断处理程序。此程序对系统安全运行及提高可维护性起到了明显的作用。 AIMAX所特有的图形化拖曳配置技术、虚拟器件及设备技术、各厂家标准器件、设备图库，使硬件的配置、界面及流程图设计更直观而易于使用。详细组态与多数MMI工控软件类似，不再赘述。
3、系统可靠性及可维护性 系统设计除遵循一般可靠性设计原则外，为提高系统的可维护性，采取了设置关键故障监控点的办法，对系统设备进行监测。通过逻辑综合推理判断出故障点及其类型，并以文字提示的方式显示出来。关键故障点的设置充分利用了OPTO 22开关量模块价廉的优势；AIMAX二次开发的易实现及MMI直观的特点。事实证明，此一独到措施为整个系统安全运行起到了良好的作用，为系统维护及事故处理带来了极大方便。
4、系统的主要功能 1）三维动态工艺流程； 2）实时趋势、历史趋势曲线及Foxpro数据库； 3）配方管理及配方下载； 4）超限及失调扫警，故障保护； 5）事件记录及数据库可记录下所有操作情况，以资分析使用； 6）报表生成及打印； 7）配料精度优于1%； 8）采用TCP/IP协议标准，可以与企业局域网（INTRANET）联接； 9）五级口令保护，以避免误操作或非法退出控制系统。
5、传统老企业实现低成本DCS改造的可能性 5.1 传统老企业的现状 由于多年实施计划经济等客观原因，国内有大量的老企业，尤其是国有企业，它们设备陈旧，生产管理落后，技术含量低，在社会主义市场经济下，竞争力差，面临关停并转的困境。而实施技术改造，实现管理控制一体化，用传统方式需要投入大量资金。以低成本实现老企业管理控制一体化，提高其技术含量、自动化水平、管理水平、产品质量、市场竞争力、节能降耗成了我国自动化界的一个课题。它的解决将使大量走入困境的企业起死回生。 5.2 低成本DCS改造的可能性 白银氟化盐有限公司是中国有色行业的特大型国有老企业，其现状与前述类似。在多年的自动化改造实践工作中，总结出一些心得以供参考。 随着世界自动化水平的进步及微电子技术的飞速发展，已有许多非常优秀、可靠性极高而价格适中的产品可供选择。控制软件方面，如TA公司的AIMAX MMI控制软件，CIT公司的Citect MMI控制软件，皆有开放性、通用性，支持世界大多数知名仪表公司设备，可扩展为大型系统，二次开发及驱动程序开发简单等特点，且功能堪与许多大型系统相媲美。其他如OPTO公司、研华、Omron等专配其产品系列的软件亦价格低廉，可扩充性强，支持第三方产品。硬件方面，OPTO公司的OPTO系列、研华的ADAM系列，其他公司的控制器、现场仪表、PLC都有价格适中的产品。 我们推荐如下的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+现场仪表+AIMAX或Citect。 以上模式具有普通DCS的所有功能，管控一体化的特点，与INTRANET联用能力，而成本只有通常DCS的一半或略多些。
6 结论 氟化盐有限公司的配料控制系统，经过两年多的生产运行，经济、技术指标大大提高，已处于全国同类企业先进行列，取得了显著的经济效益和社会效益。 1）粉状物料的此种控制方式及所选用的软硬件，能在极恶劣环境下长期稳定运行，完全能满足生产管理控制一体化的需要。 2）螺旋秤是粉状动态计量的较理想设备。 3）设备关键故障点监控对系统安全运行有明显裨益，并能提供方便有效的维护指导。 4）应用当今世界较先进的软硬件设备对老设备进行DCS改造，方案的选取得当，可以在满足实用性、管理控制一体化要求的前提下，以低成本实现，并具有普通DCS的所有功能。对老企业实施技术改造，提高企业竞争力有广泛的借鉴意义及推广意义