批量加料控制系統(tǒng)中的精確定量控制

中控儀表公司 王凱 王儉 山東瑞康精化公司 邵長(zhǎng)安

摘要：批量加料控制應(yīng)用廣泛，并有其特殊的功能要求和精度要求，本文對(duì)影響批量加料控制精度的各個(gè)因素作了分析，并提出了改進(jìn)措施和補(bǔ)償方法。我們利用C3000過(guò)程控制器實(shí)現(xiàn)了批量加料自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在山東瑞康精細(xì)化工廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的效果,計(jì)量精度始終保持在+5‰以?xún)?nèi)，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵字：批量加料控制；過(guò)程控制器；補(bǔ)償；精度；精細(xì)化工

　　1 引言

　　在化工、石化、食品、制藥等領(lǐng)域，很多生產(chǎn)過(guò)程需要進(jìn)行批量加料，就是把物料精確定量地加入到指定容器。目前為止，仍然有一部分企業(yè)是通過(guò)手工操作來(lái)完成批量加料的：⑴操作人員首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制加入計(jì)量罐的物料量，然后再將計(jì)量罐中的物料全部轉(zhuǎn)入指定容器[1]，實(shí)現(xiàn)比較精確的批量加料；⑵操作人員首先采用稱(chēng)重的方式使用容器來(lái)盛裝一定量的物料，最后將容器內(nèi)的物料手工倒入指定容器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)批量加料。采用手工操作方式不僅工作效率低，而且在第二種方式下操作人員還有可能接觸到有毒物料，存在安全隱患。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，這些企業(yè)迫切希望通過(guò)提升自動(dòng)化水平來(lái)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)自動(dòng)化水平的提升也能消除操作中存在的安全隱患。而采用自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)正是提升自動(dòng)化水平的有效手段之一。

　　在自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)中，有若干因素對(duì)加料精度有重要影響，如閥門(mén)動(dòng)作滯后、流體密度變化和閥前壓力變化等，本文對(duì)這些因素作了分析并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。生產(chǎn)實(shí)踐表明，帶補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)批量加料控制系統(tǒng)加料精度高、重復(fù)性好，同時(shí)操作簡(jiǎn)便，這種系統(tǒng)的應(yīng)用在生產(chǎn)中獲得了極好的控制效果，提高了生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率，增加了企業(yè)效益。

　　2 影響批量加料控制系統(tǒng)加料精度的因素

　　 在批量加料控制系統(tǒng)中，加料精度是重要的控制指標(biāo)，這里所說(shuō)的加料精度是指每批實(shí)際加料總量同預(yù)期加料總量的一致程度。影響加料精度的因素除了閥門(mén)動(dòng)作滯后外，主要的還有流體密度變化，閥前壓力變化等。

　　 （1）閥門(mén)動(dòng)作滯后引起的誤差

　　在不帶補(bǔ)償?shù)目刂七^(guò)程中，控制器計(jì)算實(shí)際加料量，當(dāng)實(shí)際加料量達(dá)到加料設(shè)定值時(shí)關(guān)閉加料閥，從整個(gè)動(dòng)作過(guò)程可知，閥門(mén)關(guān)閉動(dòng)作滯后必然引起加料誤差，誤差值約為滯后時(shí)間與關(guān)閉時(shí)瞬時(shí)體積流量、流體密度的乘積，其中滯后時(shí)間為從控制器輸出關(guān)閥信號(hào)到切斷閥關(guān)死之間全部時(shí)間，"即包括繼電器的動(dòng)作滯后和切斷閥的動(dòng)作滯后"[2]。

（2）閥前壓力變化對(duì)加料精度的影響

　　在批量加料控制系統(tǒng)中，滿(mǎn)罐時(shí)液位和罐中料液即將發(fā)完時(shí)液位的高度差可能很大，儲(chǔ)罐中液位高度變化引起閥前的流體壓力發(fā)生變化，而壓力變化將引起加料流量變化，而瞬時(shí)體積流量不同，則會(huì)影響執(zhí)行器動(dòng)作滯后引起的誤差值。所以，雖然執(zhí)行器動(dòng)作滯后才是引起該誤差的根本原因，但在對(duì)該誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)還必須要考慮瞬時(shí)體積流量變化的影響。

（3）密度變化對(duì)計(jì)量精度的影響

　　自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)常以電磁切斷閥或氣動(dòng)電動(dòng)切斷閥為終端執(zhí)行元件，以流量傳感器來(lái)完成流量采集。流量傳感器或變送器的型號(hào)有很大的選擇空間，有的選用科氏力質(zhì)量流量計(jì)，它具有很高的測(cè)量精度而且直接顯示質(zhì)量流量[5]，這當(dāng)然有利于提高計(jì)量準(zhǔn)確度，但是投資較高，所以目前大多數(shù)用戶(hù)仍使用渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等體積流量計(jì)來(lái)采集流量信號(hào)，但在將這類(lèi)流量計(jì)測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為物料質(zhì)量時(shí)需要乘以物料的密度系數(shù)。但是，物料密度是隨溫度變化的[6]，往往不是一個(gè)常數(shù)，所以當(dāng)物料密度隨溫度變化較大或在加料精度要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，控制系統(tǒng)必須要考慮物料密度變化對(duì)精度的影響。

　　3 自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)精度補(bǔ)償措施

　　執(zhí)行器動(dòng)作滯后和閥前壓力變化引起的誤差往往結(jié)合在一起而統(tǒng)一表現(xiàn)為一個(gè)滯后誤差量，這個(gè)滯后誤差可從控制器的累積值顯示中準(zhǔn)確地讀出。但是我們知道，由于閥前壓力不斷變化引起瞬時(shí)體積流量 也不斷變化，那么滯后量將不會(huì)是一個(gè)固定值，所以我們不能只是簡(jiǎn)單地采用在控制器參數(shù)中設(shè)置一個(gè)固定提前量 ，當(dāng)實(shí)際累積量等于設(shè)定累積量減去時(shí)控制器輸出信號(hào)關(guān)閉切斷閥的方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

（式3-1）

　　式中， ——滯后時(shí)間，s； —— 瞬時(shí)體積流量，L/s； ——流體密度，Kg/L；

　　 ——設(shè)定加料量，Kg； ——當(dāng)前累積量，Kg。

　　為了實(shí)現(xiàn)更好的補(bǔ)償，控制器應(yīng)判斷當(dāng)式2-1成立時(shí)，控制器立即輸出信號(hào)關(guān)閉切斷閥，那么在關(guān)閉過(guò)程中將約流過(guò)的物料量，使得最終總加料量與設(shè)定加料量更加一致。此方法簡(jiǎn)單有效，只是閥門(mén)關(guān)閉的純滯后時(shí)間需在實(shí)際的裝置上具體測(cè)定，測(cè)定方法如下：

　　首先在控制器中設(shè)定一個(gè)數(shù)值很小的設(shè)定加料量，當(dāng)累積量達(dá)到設(shè)定加料量時(shí)控制器輸出信號(hào)關(guān)閉切斷閥并讀取瞬時(shí)體積流量，當(dāng)閥完全關(guān)閉以后，"總是會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際加料量大于設(shè)定量"[2]，則可按式2-2計(jì)算滯后時(shí)間，經(jīng)過(guò)多次測(cè)定將得到平均值并存儲(chǔ)在表內(nèi)使用。

（式3-2）

　　 式中， ——最終實(shí)際加料量，Kg

　　需要指出的是,在此我們是通過(guò)計(jì)算滯后時(shí)間 的方式來(lái)對(duì)執(zhí)行器動(dòng)作滯后和閥前壓力變化引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,但能對(duì)此誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞讲⒉幌抻谶@一種,還可以通過(guò)控制大小閥的方式[2]來(lái)實(shí)現(xiàn),對(duì)其它方式本文不再詳述。

　　最后，我們還需要對(duì)流體密度進(jìn)行補(bǔ)償，它隨著溫度的變化而變化，我們可以采集流體的溫度信號(hào)作為補(bǔ)償參數(shù)，根據(jù)物料溫度與物料密度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)密度進(jìn)行補(bǔ)償。在控制器內(nèi)部可以設(shè)置折線表格，將物料溫度和密度的曲線關(guān)系根據(jù)精度要求不同而轉(zhuǎn)化為不同段數(shù)的折線[7]，精度要求越高則設(shè)置折線段數(shù)越多，這樣由采集到的溫度值再結(jié)合折線表格就能得到準(zhǔn)確的流體密度值。

　　 （2) 自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　C3000過(guò)程控制器是浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的采用工業(yè)級(jí)32位ARM7微處理器和5.6英寸TFT彩色液晶顯示屏的多回路控制器，它集成了測(cè)量、顯示、記錄、控制、報(bào)警、通訊、運(yùn)算等多種功能，可以實(shí)現(xiàn)單回路控制、串級(jí)控制、分程控制、比值控制、程序曲線控制、批量控制等多種控制方案，在多種工業(yè)控制領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用案例。

　　利用C3000靈活的表達(dá)式編程功能和內(nèi)部功能模塊，可在控制器內(nèi)部方便地實(shí)現(xiàn)上節(jié)所述的補(bǔ)償算法，對(duì)執(zhí)行器動(dòng)作滯后和物料密度變化等因素作出有效補(bǔ)償。一個(gè)典型的批量加料系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示：

圖1 整體設(shè)計(jì)示意圖

　　C3000控制器通過(guò)熱電偶采集物料溫度信號(hào)，并利用內(nèi)置的溫度密度對(duì)應(yīng)折線表得到當(dāng)前溫度下的物料密度；控制器通過(guò)流量計(jì)得到當(dāng)前的瞬時(shí)流量，結(jié)合物料密度并利用控制器內(nèi)累積功能模塊運(yùn)算可得當(dāng)前的累積加料量；當(dāng)控制器判斷式3-1條件成立時(shí)，將輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)關(guān)閉外圍的加料泵和開(kāi)關(guān)閥來(lái)停止加料，等閥完全關(guān)閉后實(shí)際流經(jīng)閥門(mén)的加料量將被控制在 。

　　C3000過(guò)程控制器內(nèi)部的組態(tài)邏輯圖如圖2所示：

圖2 內(nèi)部邏輯圖

　　上圖中，AI是C3000過(guò)程控制器的模擬量輸入通道，它可以測(cè)量電壓、電流、電阻等各種信號(hào)；DI是C3000過(guò)程控制器的開(kāi)關(guān)量輸入通道，它可以測(cè)量外部開(kāi)關(guān)信號(hào)；VA是C3000過(guò)程控制器的內(nèi)部運(yùn)算模塊，它可以實(shí)現(xiàn)各種浮點(diǎn)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；DO是C3000過(guò)程控制器的開(kāi)關(guān)量輸出通道，它通過(guò)控制繼電器動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的開(kāi)啟或閉合；批量控制模塊是核心模塊，用于計(jì)算確定泵和閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

　　設(shè)定加料值可以在控制器的設(shè)定值窗口更改，配合控制器外圍的啟動(dòng)和停止按鈕，保證了操作簡(jiǎn)便可靠。同時(shí)，系統(tǒng)在具備自動(dòng)控制功能的同時(shí)，還具備手動(dòng)功能，在需要時(shí)，操作人員可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的啟閉。最后，系統(tǒng)將自動(dòng)紀(jì)錄并顯示每次加料的閥位狀態(tài)、加料量、物料流量等各種數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要打印出報(bào)表或發(fā)送到上位機(jī)作統(tǒng)計(jì)分析。　

　　4 應(yīng)用實(shí)例

　　所設(shè)計(jì)的基于C3000的具有補(bǔ)償功能的自動(dòng)批量加料控制系統(tǒng)，應(yīng)用于山東瑞康精細(xì)化工廠染料生產(chǎn)車(chē)間實(shí)現(xiàn)對(duì)濃硫酸的批量加料控制。考慮到介質(zhì)特性，系統(tǒng)中采用了精度是0.5級(jí)的電磁流量計(jì)[4]。在完成對(duì)參數(shù)的測(cè)定和存儲(chǔ)后，該自動(dòng)加料控制系統(tǒng)補(bǔ)償效果顯著，不僅控制精度高而且操作簡(jiǎn)便可靠，獲得了滿(mǎn)意的控制效果，計(jì)量精度始終保持在+5‰以?xún)?nèi)。

　　本文介紹的是單個(gè)單元的批量加料系統(tǒng)，而在一些具有大量批量應(yīng)用的場(chǎng)合，則可以利用C3000的網(wǎng)絡(luò)通訊功能組成批量控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各車(chē)間批量加料系統(tǒng)之間的連鎖功能，并用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加料系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]和管理。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]胡真. 補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表,1999,第26卷第5期.

　　[2]浙江中控C3000過(guò)程控制器說(shuō)明書(shū)。

　　[3]Jalel N A, Leigh J I, Fiacco M, Leigh, J R. Real-time monitoring of an industrial batch process [J]. Computers & Chemical Engineering ,2006 ,30 (10/12) :1476-1481