中控儀表公司 王凱 王儉 山東瑞康精化公司 邵長安

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，本文對影響批量加料控制精度的各個因素作了分析，并提出了改進措施和補償方法。我們利用C3000過程控制器實現(xiàn)了批量加料自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在山東瑞康精細化工廠進行了實際應(yīng)用，取得了很好的效果,計量精度始終保持在+5‰以內(nèi)，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵字：批量加料控制；過程控制器；補償；精度；精細化工

　　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)驗來控制加入計量罐的物料量，然后再將計量罐中的物料全部轉(zhuǎn)入指定容器[1]，實現(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。隨著市場競爭的日益激烈，這些企業(yè)迫切希望通過提升自動化水平來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時自動化水平的提升也能消除操作中存在的安全隱患。而采用自動批量加料控制系統(tǒng)正是提升自動化水平的有效手段之一。

　　在自動批量加料控制系統(tǒng)中，有若干因素對加料精度有重要影響，如閥門動作滯后、流體密度變化和閥前壓力變化等，本文對這些因素作了分析并提出了相應(yīng)的補償措施。生產(chǎn)實踐表明，帶補償?shù)淖詣优考恿峡刂葡到y(tǒng)加料精度高、重復性好，同時操作簡便，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，這里所說的加料精度是指每批實際加料總量同預(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）閥門動作滯后引起的誤差

　　在不帶補償?shù)目刂七^程中，控制器計算實際加料量，當實際加料量達到加料設(shè)定值時關(guān)閉加料閥，從整個動作過程可知，閥門關(guān)閉動作滯后必然引起加料誤差，誤差值約為滯后時間與關(guān)閉時瞬時體積流量、流體密度的乘積，其中滯后時間為從控制器輸出關(guān)閥信號到切斷閥關(guān)死之間全部時間，"即包括繼電器的動作滯后和切斷閥的動作滯后"[2]。

（2）閥前壓力變化對加料精度的影響

　　在批量加料控制系統(tǒng)中，滿罐時液位和罐中料液即將發(fā)完時液位的高度差可能很大，儲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，而瞬時體積流量不同，則會影響執(zhí)行器動作滯后引起的誤差值。所以，雖然執(zhí)行器動作滯后才是引起該誤差的根本原因，但在對該誤差進行補償時還必須要考慮瞬時體積流量變化的影響。

（3）密度變化對計量精度的影響

　　自動批量加料控制系統(tǒng)常以電磁切斷閥或氣動電動切斷閥為終端執(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有很大的選擇空間，有的選用科氏力質(zhì)量流量計，它具有很高的測量精度而且直接顯示質(zhì)量流量[5]，這當然有利于提高計量準確度，但是投資較高，所以目前大多數(shù)用戶仍使用渦街流量計、電磁流量計等體積流量計來采集流量信號，但在將這類流量計測量的信號轉(zhuǎn)換為物料質(zhì)量時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]，往往不是一個常數(shù)，所以當物料密度隨溫度變化較大或在加料精度要求嚴格的應(yīng)用場合，控制系統(tǒng)必須要考慮物料密度變化對精度的影響。

　　3 自動批量加料控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）自動批量加料控制系統(tǒng)精度補償措施

　　執(zhí)行器動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)為一個滯后誤差量，這個滯后誤差可從控制器的累積值顯示中準確地讀出。但是我們知道，由于閥前壓力不斷變化引起瞬時體積流量 也不斷變化，那么滯后量將不會是一個固定值，所以我們不能只是簡單地采用在控制器參數(shù)中設(shè)置一個固定提前量 ，當實際累積量等于設(shè)定累積量減去時控制器輸出信號關(guān)閉切斷閥的方式來進行補償。

（式3-1）

　　式中， ——滯后時間，s； —— 瞬時體積流量，L/s； ——流體密度，Kg/L；

　　 ——設(shè)定加料量，Kg； ——當前累積量，Kg。

　　為了實現(xiàn)更好的補償，控制器應(yīng)判斷當式2-1成立時，控制器立即輸出信號關(guān)閉切斷閥，那么在關(guān)閉過程中將約流過的物料量，使得最終總加料量與設(shè)定加料量更加一致。此方法簡單有效，只是閥門關(guān)閉的純滯后時間需在實際的裝置上具體測定，測定方法如下：

　　首先在控制器中設(shè)定一個數(shù)值很小的設(shè)定加料量，當累積量達到設(shè)定加料量時控制器輸出信號關(guān)閉切斷閥并讀取瞬時體積流量，當閥完全關(guān)閉以后，"總是會發(fā)現(xiàn)實際加料量大于設(shè)定量"[2]，則可按式2-2計算滯后時間，經(jīng)過多次測定將得到平均值并存儲在表內(nèi)使用。

（式3-2）

　　 式中， ——最終實際加料量，Kg

　　需要指出的是,在此我們是通過計算滯后時間 的方式來對執(zhí)行器動作滯后和閥前壓力變化引起的誤差進行補償,但能對此誤差進行補償?shù)姆绞讲⒉幌抻谶@一種,還可以通過控制大小閥的方式[2]來實現(xiàn),對其它方式本文不再詳述。

　　最后，我們還需要對流體密度進行補償，它隨著溫度的變化而變化，我們可以采集流體的溫度信號作為補償參數(shù)，根據(jù)物料溫度與物料密度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系對密度進行補償。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確的流體密度值。

　　 （2) 自動批量加料控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　C3000過程控制器是浙江中控自動化儀表有限公司生產(chǎn)的采用工業(yè)級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，它集成了測量、顯示、記錄、控制、報警、通訊、運算等多種功能，可以實現(xiàn)單回路控制、串級控制、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)部方便地實現(xiàn)上節(jié)所述的補償算法，對執(zhí)行器動作滯后和物料密度變化等因素作出有效補償。一個典型的批量加料系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖如圖1所示：

圖1 整體設(shè)計示意圖

　　C3000控制器通過熱電偶采集物料溫度信號，并利用內(nèi)置的溫度密度對應(yīng)折線表得到當前溫度下的物料密度；控制器通過流量計得到當前的瞬時流量，結(jié)合物料密度并利用控制器內(nèi)累積功能模塊運算可得當前的累積加料量；當控制器判斷式3-1條件成立時，將輸出開關(guān)量信號關(guān)閉外圍的加料泵和開關(guān)閥來停止加料，等閥完全關(guān)閉后實際流經(jīng)閥門的加料量將被控制在 。

　　C3000過程控制器內(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過程控制器的模擬量輸入通道，它可以測量電壓、電流、電阻等各種信號；DI是C3000過程控制器的開關(guān)量輸入通道，它可以測量外部開關(guān)信號；VA是C3000過程控制器的內(nèi)部運算模塊，它可以實現(xiàn)各種浮點運算和邏輯運算；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作來實現(xiàn)外圍設(shè)備的開啟或閉合；批量控制模塊是核心模塊，用于計算確定泵和閥的開關(guān)時間。

　　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和停止按鈕，保證了操作簡便可靠。同時，系統(tǒng)在具備自動控制功能的同時，還具備手動功能，在需要時，操作人員可手動實現(xiàn)對現(xiàn)場閥門的啟閉。最后，系統(tǒng)將自動紀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)需要打印出報表或發(fā)送到上位機作統(tǒng)計分析?！?

　　4 應(yīng)用實例

　　所設(shè)計的基于C3000的具有補償功能的自動批量加料控制系統(tǒng)，應(yīng)用于山東瑞康精細化工廠染料生產(chǎn)車間實現(xiàn)對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級的電磁流量計[4]。在完成對參數(shù)的測定和存儲后，該自動加料控制系統(tǒng)補償效果顯著，不僅控制精度高而且操作簡便可靠，獲得了滿意的控制效果，計量精度始終保持在+5‰以內(nèi)。

　　本文介紹的是單個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)，實現(xiàn)各車間批量加料系統(tǒng)之間的連鎖功能，并用上位機實現(xiàn)對整個加料系統(tǒng)的遠程監(jiān)控[3]和管理。

　　參考文獻：

　　[1]胡真. 補料分批發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[J]. 化工自動化及儀表,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