（中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，化工項(xiàng)目日益增多，對(duì)化工生產(chǎn)的產(chǎn)能及生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化水平要求也逐年提高。很多化工企業(yè)提出了儀表計(jì)量及控制系統(tǒng)升級(jí)的要求。但受到資金和生產(chǎn)的制約，企業(yè)往往會(huì)傾向于對(duì)局部工藝工段的區(qū)域性改造，這對(duì)設(shè)計(jì)方的專(zhuān)業(yè)性、針對(duì)性、細(xì)節(jié)考慮等均提出了要求。

本文以某化工項(xiàng)目中對(duì)稱(chēng)重系統(tǒng)的自動(dòng)化改造為例，從設(shè)計(jì)思路和實(shí)際方案兩方面進(jìn)行闡述。

1 項(xiàng)目情況

上海某化工廠根據(jù)生產(chǎn)需要，計(jì)劃對(duì)某加料區(qū)域進(jìn)行升級(jí)改造，將原有的手動(dòng)灌裝改為自動(dòng)化灌裝。為此，需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化加料方案。

原廠加料區(qū)未設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)，為手動(dòng)加料灌裝。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于配料人員能力不足、環(huán)境干擾、加料時(shí)注意力不集中等原因，加之配方變化，涉及配料種類(lèi)眾多，時(shí)常會(huì)發(fā)生配料錯(cuò)誤，影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為此，業(yè)主提出以下需求：設(shè)置一套獨(dú)立的自動(dòng)化稱(chēng)重系統(tǒng),并與全廠主生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)預(yù)設(shè)的不同配方，自動(dòng)完成不同原料的灌裝及計(jì)量。

2 技術(shù)分析

配料：根據(jù)生產(chǎn)或反應(yīng)需要，將兩種或兩種以上的原料經(jīng)由一定的比例進(jìn)行配置的過(guò)程。

稱(chēng)重：常規(guī)由秤體/稱(chēng)重傳感器（設(shè)置于現(xiàn)場(chǎng)）、稱(chēng)重變送單元（設(shè)置于控制箱）、分析控制單元（設(shè)置于控制室）組成。對(duì)加料系統(tǒng)送來(lái)的原料，由現(xiàn)場(chǎng)的稱(chēng)重檢測(cè)元件進(jìn)行計(jì)量，并將重量原始信號(hào)輸送至稱(chēng)重變送單元，由變送單元將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)后，送至控制室內(nèi)的分析控制單元，進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、分析等。

3 解決方案

精細(xì)化工具有批量運(yùn)行、多生產(chǎn)線、多產(chǎn)品品種等特點(diǎn)，根據(jù)GB 51283—2020《精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》“5.8 過(guò)程檢測(cè)及制動(dòng)控制”之要求，在操作方式上需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與控制室集中監(jiān)控相結(jié)合。為了能更有效、安全、合理地配置過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，可優(yōu)先考慮采用可編程控制器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、一體化觸摸屏等產(chǎn)品技術(shù)[1]。根據(jù)工廠生產(chǎn)的特點(diǎn)及需要，確定需要監(jiān)控的工藝參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的儀表與自動(dòng)控制系統(tǒng)。

本次改造的自動(dòng)化加料系統(tǒng)，主要包括加料管路、壓縮空氣管路、控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)儀表及閥門(mén)等。儲(chǔ)罐/原料容器、計(jì)量泵、加料流量記錄（質(zhì)量流量計(jì)）等均屬原有設(shè)備。

設(shè)置一套小型可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）及配套一體化觸摸屏（HMI 人機(jī)界面），稱(chēng)重區(qū)域設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)防爆操作箱、稱(chēng)重儀表和自動(dòng)閥（灌裝閥，管道上安裝）等。

PLC 稱(chēng)重控制系統(tǒng)主機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)安全區(qū)（現(xiàn)場(chǎng)控制室），現(xiàn)場(chǎng)的防爆稱(chēng)重儀表通過(guò)Profibus-DP 通訊方式將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給安全區(qū)的PLC 控制器。操作人員通過(guò)控制室的人機(jī)界面，通過(guò)菜單式操作設(shè)定灌裝配方和批次灌裝的目標(biāo)量，當(dāng)稱(chēng)重值達(dá)到目標(biāo)量時(shí)，系統(tǒng)停止灌裝。并能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的指示燈告知操作人員，灌裝完成。稱(chēng)重控制系統(tǒng)也可經(jīng)由以太網(wǎng)通訊協(xié)議與廠區(qū)的主PLC 進(jìn)行通訊，接收主PLC 的加料要求。根據(jù)獲取稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的反饋信號(hào)，通過(guò)灌裝閥實(shí)現(xiàn)加料的閉環(huán)控制。相關(guān)加料系統(tǒng)的控制框圖見(jiàn)圖1。

圖1 加料系統(tǒng)的控制框圖

通過(guò)控制系統(tǒng)判斷尾料狀態(tài)，在尾料加料過(guò)程中，調(diào)節(jié)加料閥開(kāi)度，使加料量按一定比率，由正常加料設(shè)定值逐漸減少至零加料，確保尾料階段加料的均勻度。

控制主機(jī)接受閥門(mén)開(kāi)度、加料泵的狀態(tài)反饋，當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，停止加料并現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均采用防爆設(shè)計(jì)，滿足ExIIBT4 防爆等級(jí)要求。

3.1 控制系統(tǒng)概述

稱(chēng)重控制系統(tǒng)主機(jī)安裝在安全區(qū)，采用威圖標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。控制柜由電源裝置、斷路器、PLC、接線端子排、繼電器等組成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件。

PLC 選用西門(mén)子SIMATIC S7-1200 系列。該系列PLC 是西門(mén)子公司新一代產(chǎn)品，屬于面向簡(jiǎn)單而高精確度自動(dòng)化任務(wù)的PLC。具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、高可靠性等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。此PLC 同時(shí)具有集成PROFINET 接口、強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為各種工藝任務(wù)提供了簡(jiǎn)單通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動(dòng)化需要。

PLC 采用Profibus-DP 通訊方式與稱(chēng)重儀表進(jìn)行通訊，使PLC 可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。在啟動(dòng)灌裝后，PLC 可以實(shí)時(shí)將當(dāng)前稱(chēng)重值與設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行比較，當(dāng)重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌裝結(jié)束，關(guān)閉灌裝閥門(mén)，灌裝完成，指示燈亮。

現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重設(shè)備主要由現(xiàn)場(chǎng)防爆操作箱（帶含操作面板的稱(chēng)重控制器）、就地稱(chēng)重傳感器、防爆指示燈、原料管道上安裝的自動(dòng)閥等組成。

稱(chēng)重控制器安裝在防爆箱內(nèi)，控制器自帶操作面板，支持對(duì)稱(chēng)重儀表進(jìn)行操作。防爆指示燈共2 只，分別標(biāo)注為“工作”和“完成”，在防爆箱外側(cè)掛墻安裝，用于指示當(dāng)前的灌裝狀態(tài)。當(dāng)啟動(dòng)灌裝流程后，在灌裝進(jìn)行中時(shí)，“工作”指示燈閃爍。當(dāng)灌裝重量接近目標(biāo)量時(shí)，該指示燈變?yōu)槌Ａ?，提示操作人員灌裝即將結(jié)束。當(dāng)灌裝重量到達(dá)目標(biāo)值時(shí)，“工作”指示燈滅，“完成”指示燈常亮。當(dāng)操作人員將鋼瓶從秤臺(tái)移離后，“完成”指示燈滅。

控制系統(tǒng)在灌裝時(shí)支持凈重式灌裝和毛重式灌裝兩種灌裝模式。用戶可以根據(jù)需要通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定。

3.2 控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)3.1 的設(shè)計(jì)，相關(guān)控制系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)包括：（1）生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控；（2）配方管理（包括配方參數(shù)的管理、查詢、保存和修改等）；（3）與主PLC 控制系統(tǒng)的接口。

稱(chēng)重系統(tǒng)主畫(huà)面顯示了加料系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)畫(huà)面通過(guò)各模塊的顏色變化來(lái)表示。畫(huà)面包括對(duì)存儲(chǔ)裝置、輸送裝置、輸送管路、接收裝置及配套電氣元件、儀表及閥門(mén)的示意。傳輸泵及閥門(mén)的開(kāi)關(guān)及故障通過(guò)不同顏色加以區(qū)分。加料管路也同樣經(jīng)由顏色變化顯示是否進(jìn)行物料輸送。加料狀態(tài)信息、設(shè)定值、實(shí)際加料量、累積加料量等通過(guò)參數(shù)在畫(huà)面進(jìn)行顯示。并在畫(huà)面提供了系統(tǒng)歸零、料筒清洗等操作功能模塊，選擇不同的模塊可進(jìn)入不同的功能區(qū)。

在配方和參數(shù)設(shè)置界面，提供了不同原料來(lái)源（儲(chǔ)罐/料筒等）、加料方式選擇（單閥/雙閥）及其他參數(shù)設(shè)定等；并包括PID 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)，顯示控制系統(tǒng)曲線，對(duì)上下限、控制值、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換等進(jìn)行顯示和控制。

在設(shè)備狀態(tài)頁(yè)面對(duì)加料系統(tǒng)的參數(shù)及故障報(bào)警等信息進(jìn)行顯示。

綜上所述，本系統(tǒng)具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)，保證按不同配方、不同比例精確添加，有效避免了原生產(chǎn)過(guò)程中的人為誤差，較好地滿足了業(yè)主的改造需求，獲得了業(yè)主的認(rèn)可及好評(píng)。

4 結(jié)語(yǔ)

化工生產(chǎn)過(guò)程中，加料是必不可少的工藝環(huán)節(jié)。需充分考慮業(yè)主實(shí)際生產(chǎn)需求，結(jié)合國(guó)家規(guī)范及地方標(biāo)準(zhǔn)，從物料輸送、配方選擇、出料控制、故障報(bào)警、信息傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行合理合規(guī)的設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水準(zhǔn)，避免人工誤差，從而為企業(yè)的生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。