化工溶剂配料及调度自动控制系统
化工涂料生产过程中 ,需要将多种溶剂按一定的比例、 质量投入到指定的反应釜中 ,目前普遍存在的手工操作方法是,从储罐中取出溶剂 ,经称量后依次倒入反应釜中。这种方法计量精度无保证,工作效率低, 且由于难以做到封闭式操作,工人长时间处在溶剂挥发出的有害气体氛围中,危害健康 。条件较好的企业则利用电子秤实现了单个反应釜的自动灌注。对于一个较大规模的企业来说 ,拥有多个反应釜 ,生产工艺需要使用多种溶剂,如果能对各个反应釜及各种溶剂的投料顺序进行合理的在线编排( 调度) 、自动定量灌注 ,则生产效率 、产品质量必将大为提高。为此,我们设计并实现了采用高精度流量计、 基于工控机和Windows 95操作系统的自动配料调度控制系统( 以下简称配料系统) 。
1 化工溶剂自动配料调度控制原理
为了配合配料系统的实施 ,设计了溶剂输送管网。生产用溶剂由储罐区经管道网直接进入反应釜 ,全程处于封闭状态。该系统由 15 台溶剂泵 、 15 台流量计、8 个反应釜及电磁阀阵列组成 ,见图1。
1. 1计量
实现定量投料的关键技术是溶剂的计量方法( 工艺配方要求计量各种溶剂的质量) ,目前一般有 3种方法: 质量流量计法、称重法、容积式流量计法。3 种方法各有优缺点:
①质量流量计可测得准确的溶剂质量数据 ,但是价格昂贵 ,一个投料控制系统需要十多台,一般企业难以承受;
②称重法有两种方式: 其一是在每个反应釜设置称重仪 ,投资较少 , 测量的精度可以满足要求 ,缺点是同一时刻只能往同一个釜中投加一种溶剂( 如果同时投入多种溶剂, 无法分辨各种溶剂的重量) , 延长了每个反应釜的投料时间 ,限制了生产效率的提高 。其二,对每一种溶剂进行称重, 然后再注入反应釜中 ,这种装置比较复杂 ,投资增大 。称重法适用于单个反应釜的生产场合 。
③采用高精度容积式流量计配合温度补偿装置,测量精度可以满足要求, 投资与称重法相当, 仅是质量流量计的 30%, 而且由于各种溶剂独立计量, 同一时刻可以投加多种溶剂 ,生产效率大为提高。
配料系统采用了第 3种方法 。
生产工艺要求控制每一种溶剂的投加质量 ,而流量计测量的是溶剂的体积流量, 应将体积流量换算为质量流量 。两者的关系如公式( 1)
式中, W 为溶剂质量流量, kg/h; Q 为溶剂体积流量,m3 /h ; ρs 为在标定温度下的密度 ,m3 /kg ; β 为溶剂的体膨胀系数 ,1/ ℃; t 为溶剂的工作温度 , ℃; t s 为标定时溶剂温度 , ℃。
根据式( 1) , 只要在温度t s 下标定每种溶剂的密度,生产时检测溶剂的温度就可将体积流量折算为质量流量。实际工作中 ,由于溶剂进厂时质量有波动 ,单纯按式( 1) 会带来不确定的计量误差 ,因此 , 自动配料调度控制系统采用的是查表法, 即定期在实验室中对溶剂密度进行标定, 将溶剂在不同温度下的密度输入计算机,计算机检测到流量信号、溶剂温度后 ,查阅表格调出相应的密度, 对体积流量进行换算。
流量计将检测到的流量以脉冲信号( 0. 1 L/每个脉冲) 输入至计算机。监控程序定时中断以采集流量及温度数据,并作质量流量换算,则溶剂的投加量
M =∑ ( V· ρ ) ( 2)
式中, M 为累计投加量, kg ; V 为中断周期内流量计读数,m3 ; ρ 为中断周期内溶剂平均密度 ,kg/m 3 。
1. 2 优化投料调度
涂料生产过程包括配料、反应 、 包装等工序。配料系统中多个反应釜共用 15台溶剂泵进行配料, 所有反应釜的产品由一条包装线包装 。各个反应釜的每次投料量不同 ,产品的包装形式也随着批次在变动 ,故占用的时间也不同, 如果能对各种溶剂的投料顺序进行合理的编排调度, 可以减少设备的空等时间,则生产效率必将大为提高。投料顺序的编排将根据投料时间、反应时间、 包装时间决定。
①投料时间 。投料时间指所有泵机在专门为一个反应釜服务的情况下 , 完成该反应釜溶剂投料所需的时间。
②反应时间 。在本应用中, 各个反应釜所需反应时间基本恒定, 故将它归并到投料时间中。
③包装时间 。包装时间指包装设备在专门为一个反应釜服务的情况下 , 将该反应釜物料包装完毕所需的时间 。
各种溶剂在生产过程中各自的流量基本稳定, 故可以根据投加的数量推算其所需的投料时间 ,根据包装的规格推算其所需的包装时间 。按釜为单位, 设 t 1 ( i) 为第 i 号反应釜所需投料时间, t 2 ( i) 为第 i 号反应釜的产品所需包装时间。
设第 i 号反应釜( i =1, 2, 3, …, 8) 投加 j种溶剂( j =1, 2, 3, …, 15) 的量为 M ij , 流量为Q ,密度为 ρ ,投料时间为 t( i , j) ,则
各种溶剂的投加量多少有别、时间长短不一, i 号反应釜所需投料时间 t 1 ( i) 取决于该反应釜投加量最大的一种溶剂 ,即 t( i , j) 中的最大值 。
i 号反应釜所需包装时间
式中 ,K 为流量系数; M 为反应釜中物料质量; m 为每个包装桶容量; N 为灌装口个数 。
由此可见, 优化投料调度的目标就是安排每一种溶剂往 8 个反应釜中投料的顺序, 使得能以最短的时间完成一批生产任务 。( 在此我们设定 : 一项投料或包装任务完成以前不允许中断而处理其他的投料 、 包装任务 。 ) 这样,面对的就是流水作业调度问题( 非优先调度) , 对于这个问题, 存在一个寻优算法 :
①对1≤i ≤ 8, 令 m i = min{ t 1 ( i) , t 2 ( i) } ;
②将 m 1 , m 2 , …,m 8 排成非递减序 ;
③依次从 m i 序列中找出最小的元素m , 如果 m i=t 1 ( i) ,则将 i 排在投料顺序的最左空位, 如果 m i =t 2 ( i) , 则将 i 排在投料顺序的最右空位 ;
④剔除 i 对应的t 1 ( i) 及 t 2 ( i) ;
⑤重复步骤③;
⑥输出投料排序队列。
根据生产计划用时, 可给出优化后的投料队列 ,见表1 。
2 配料系统硬件及软件实现
鉴于配料系统 I/O 点多且互相之间有联锁关系,因此用工控机直接控制, 操作系统选择 Windows 95。
配料系统原理见图 2,硬件部分由流量计 、脉冲变送器 、 光电隔离器、 计数器 、 温度变送器 、 数/模转换器、数字量输出控制器、继电器等组成 ; 软件部分由图形操作台程序( 提供人机界面、数据记录) 、监控程序( 流量检测、I/O 控制) 、 数据管理( 统计、查询) 、数据通信等模块组成 。其中数据通信功能为溶剂库区掌握原料消耗情况而设。在此简要介绍操作台程序 、 监控程序。
2. 1 操作台程序
操作台程序提供了图形化人机界面( 图略) ,在此,操作员为各个反应釜设定生产配方 、 包装规格 ,可预设120 项溶剂投料任务( 15 项/釜 × 8 釜) 。程序应对每个反应釜的总投料量与其容积进行校验, 防止误操作。经过优化调度计算, 为 15 种溶剂各自设定了一个投料的顺序,并储存在 15 个环形队列结构中 :
Q n ( i , M , m) : n =1, 2, 3, …, 15 为溶剂泵编号 ; i =1,2,3 , …, 8 为反应釜编号; M 为投料目标值 ; m 为当前累计已投料值。
在每一项任务前设有一个标志显示该项投料任务在相应溶剂种类中的次序以便于监视, 操作员下达开始投料的指令后 ,操作台程序便将记录着15 种溶剂投料顺序的 15个队列数据传送至监控程序。
2. 2 监控程序
监控程序处理流量数据的实时检测 、流量的温度补偿 、 电磁阀开关、 泵机的启动/停止。
流量计输出的是脉冲信号, 流量的准确检测是涉及本系统控制精度的关键环节 。尽管Windows 95 具有抢先式多任务的特点 ,任务之间的切换足够快 ,如果由软件轮询的方法读取流量计脉冲, 系统开销大 ,而且仍然可能丢失脉冲 ,影响精度。本系统使用 8254 芯片对流量计脉冲进行计数 ,再由监控程序定时从 8254的寄存器中读出,解决流量的检测问题 。因此,监控程序是本系统中的关键 ,为了保证在指定的时间间隔内都能得到执行, 将其设计为硬件中断处理程序 。利用专用8254定时器产生硬件中断 ,编写相应的虚拟设备驱动程序( VxD) 挂钩该中断 。操作台程序与监控程序通过调用API 函数 DeviceIoControl( ) 进行数据交换 ,涉及的数据就是投料队列 Qn( i ,M , m) 。
监控程序还应对一些生产过程中的异常情况进行监测处理 ,避免影响生产 。这些情况是 :
①电磁阀不能正常打开 。如出现这种异常, 发出泵机启动信号后一段时间内检测不到流量信号。
②泵机一端的止回阀不能正常关闭或密封损坏。如出现这种异常 ,停泵后一段时间内仍有流量信号( 正向或反向流量信号, 取决于脉冲发生器型号) 。
3 系统运行状况及结论
化工溶剂自动配料调度控制系统已在一化工涂料厂应用于油墨、油漆稀释剂的生产, 有 8 个反应釜; 溶剂一般流量为 150 L/min ; 流量计采用 Liquid Control 公司的产品: 分辨率为 0. 1 L、100∶ 1 的流量范围内重复测定误差 0. 05%。应用此控制系统一年多的时间证明,投料精度可达 0. 5%; 生产效率大幅度提高, 单班年产超过 10 000 t ; 由于溶剂全程处于封闭状态 ,操作人员完全脱离有害气体, 工作环境彻底改善; 采用图形用户界面使培训时间大为缩短, 完全未使用过计算机的投料操作员, 只需经过 1 h 的培训即可承担实际生产任务。
值得一提的是, 配料系统还可推广应用于化工厂的溶剂原料的自动化集中管理
文章链接：中国环保在线 http://www.hbzhan.com/Tech_news/Detail/215976.html