1 引言

       在化工、石化、食品、制藥等領(lǐng)域，很多生產(chǎn)過程需要進(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)是通過手工操作來完成批量加料的：⑴操作人員首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來控制加入計(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重的方式使用容器來盛裝一定量的物料，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)迫切希望通過提升自動(dòng)化水平來提高生產(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）閥門動(dòng)作滯后引起的誤差

        在不帶補(bǔ)償?shù)目刂七^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)作過程可知，閥門關(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)用戶仍使用渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等體積流量計(jì)來采集流量信號(hào)，但在將這類流量計(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)

       需要指出的是,在此我們是通過計(jì)算滯后時(shí)間的方式來對(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,還可以通過控制大小閥的方式[2]來實(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

圖2 內(nèi)部邏輯圖

        上圖中，AI是C3000過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過程控制器的開關(guān)量輸入通道，它可以測(cè)量外部開關(guān)信號(hào)；VA是C3000過程控制器的內(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過程控制器的開關(guān)量輸出通道，它通過控制繼電器動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的開啟或閉合；批量控制模塊是核心模塊，用于計(jì)算確定泵和閥的開關(guān)時(shí)間。

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，獲得了滿意的控制效果，計(jì)量精度始終保持在+5‰以內(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)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開發(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過程控制器說明書。

[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