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    高峰 （1966-）

    男，浙江建德人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樽詣踊?，現(xiàn)就職于杭州格林香料化學(xué)有限公司。





    摘  要：本文以和利時(shí)公司HOLLiAS_MACS_DCS系統(tǒng)在精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)項(xiàng)目中的成功應(yīng)用為背景，介紹了作者如何應(yīng)用HOLLiAS MACS DCS系統(tǒng)的硬件平臺和組態(tài)工具，開發(fā)出了一套適用于在精細(xì)化工設(shè)備上進(jìn)行間歇式批量控制的軟件。生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用表明：此套批量控制軟件投運(yùn)后，軟件功能滿足間歇式批量生產(chǎn)過程的控制要求。

    關(guān)鍵詞：精細(xì)化工；間歇式批量控制；HOLLiAS_MACS_DCS；組態(tài)工具；編程語言

   Abstract: It is hard to control the Batch Sequence Control Fine Chemicals Procedure in the Fine Chemistry Industry.If adopting single process control model or special control devices used in some process steps, it would be not good to the whole project’s concentrating manage and optimizing control. Hollias_Macs_DCS control system is applied here, which can concentrate manage and optimize control of the whole process line.The application shows that Hollias_Macs_DCS control system can realize Batch Sequence Control in Fine chemical reactor easily and simply, reduce working intensity of the operators, and improve the production efficiency.

    Key words: Fine Chemicals Producing; Batch Sequence Control; Hollias_Macs_DCS; Building Tools;Programming Language

    1 引言

    精細(xì)化工因?yàn)楣に嚨奶厥庖?，?jīng)常需要進(jìn)行間歇式生產(chǎn)，由于其工藝過程復(fù)雜、繁瑣、原料品種多、而且過程控制參數(shù)也千差萬別，因此在實(shí)際生產(chǎn)中對DCS系統(tǒng)要求非常高，特別是為了方便操作人員的操作和控制，必須使用批量控制軟件。由于成熟的商品化批量控制軟件包只有國外幾家著名的DCS廠家才有，如霍尼韋爾、橫河、EMERSON、FOXBORO、ABB等公司，并且都遵循國際上ISA S88批量控制標(biāo)準(zhǔn)。而國內(nèi)DCS廠家由于起步較晚，幾乎都沒有批量軟件包，間歇式批量控制一直是國內(nèi)DCS廠家不敢涉及的方面。因此，在國產(chǎn)DCS系統(tǒng)上成功地開發(fā)出一套符合精細(xì)化工間歇式控制特點(diǎn)的批量控制軟件包就變得非常重要。

    和利時(shí)公司的HOLLiAS_MACS集散控制系統(tǒng)是基于開放的現(xiàn)場總線Profibus DP標(biāo)準(zhǔn)的第四代DCS系統(tǒng)，可以無逢連接PA儀表、帶DP通訊口的稱重儀表及變頻器，大大提高了精細(xì)化工行業(yè)的測控精度；而控制器具備多控制周期（100ms、250ms、500ms、1s等）功能，可以按精細(xì)化工工藝要求設(shè)置多種任務(wù)，以有效地滿足批量控制過程中不同裝置或控制的需要；功能完全分散的全數(shù)字化系統(tǒng)，應(yīng)用于精細(xì)化工的生產(chǎn)上就可以充分發(fā)揮它在控制精度、實(shí)時(shí)、高效；系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠各方面上所具有的強(qiáng)大優(yōu)勢；HOLLiAS MACS系統(tǒng)也提供在線無擾增量下裝功能和離線仿真調(diào)試環(huán)境，仿真調(diào)試可以在仿真模式下程序可脫離控制器單獨(dú)運(yùn)行模擬現(xiàn)場運(yùn)行情況，用戶可以在非現(xiàn)場環(huán)境中就能對程序代碼進(jìn)行調(diào)試，檢查其是否滿足要求，減少實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的修改量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因?yàn)橛辛撕屠麜r(shí)公司的HOLLiAS_MACS_DCS強(qiáng)大的系統(tǒng)平臺作保證、特別是在線無擾增量下裝和離線仿真調(diào)試功能，才能保證作者能成功地開發(fā)出符合精細(xì)化工間歇式控制特點(diǎn)的批量控制軟件包。

    2 控制特點(diǎn)

    2.1 品種的多樣性

    在同一個(gè)設(shè)備里，可以選擇不同的批量配方，通過選擇不同的批量配方來改變生產(chǎn)過程中的控制參數(shù)值和控制步驟，來改變其生產(chǎn)特性，以達(dá)到生產(chǎn)不同產(chǎn)品的目地。

    2.2 不同的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)條件，所選擇的批量配方不同

    批量配方管理數(shù)據(jù)庫中有不同的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)條件，從而使生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)選擇的條件進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到生產(chǎn)不同品種的目的。

    2.3 生產(chǎn)過程操作勞動強(qiáng)度大和復(fù)雜性強(qiáng)

    操作勞動強(qiáng)度和復(fù)雜性都較大的一個(gè)生產(chǎn)過程,從配料到結(jié)束，其時(shí)間有時(shí)達(dá)24小時(shí)左右；如果完全靠現(xiàn)場操作，則操作人員的勞動強(qiáng)度非常大，操作也太復(fù)雜，容易造成操作失誤等；如果在DCS界面手動操作，則操作人員忙于進(jìn)行畫面切換、操作設(shè)備的切換，容易產(chǎn)生疲勞后導(dǎo)致操作失誤或失控，甚至于造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。

    由于精細(xì)化工生產(chǎn)裝置中存在的這些特殊性和危險(xiǎn)性，對DCS自動控制系統(tǒng)的性能和要求提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)；如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間設(shè)備全自動生產(chǎn)：包括復(fù)雜多批量配方管理、溫度和壓力的精確控制等全自動的實(shí)現(xiàn)，對國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的可靠性、靈活性、軟件編程語言、具體如何實(shí)施等方面是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也是一次質(zhì)的提升。

    本文通過使用和利時(shí)公司HOLLiAS_MACS集散控制系統(tǒng)多年的經(jīng)驗(yàn)和對某精細(xì)化工生產(chǎn)工藝的反復(fù)深入研究，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行了全面的分析和解剖，以工藝為軸線，進(jìn)而提煉、把握其控制的關(guān)鍵點(diǎn)。使筆者最終設(shè)計(jì)與開發(fā)出了一套適用于在精細(xì)化工設(shè)備上進(jìn)行間歇式批量控制的軟件并對生產(chǎn)過程中的溫度和壓力進(jìn)行平穩(wěn)控制。

    3 間歇式批量控制軟件和控制方案的設(shè)計(jì)思路及在編程語言上的實(shí)現(xiàn)

    3.1 間歇式批量控制軟件設(shè)計(jì)思路

    為了體現(xiàn)間歇式批量控制軟件在單個(gè)生產(chǎn)裝置上具有生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和現(xiàn)場控制要求這一特性，通過HOLLIAS-MAC系統(tǒng)的人機(jī)界面軟件（FacView）設(shè)計(jì)了一整套批量控制程序，將系統(tǒng)要求完成的配方名表單（包括品名、進(jìn)料單體名稱、進(jìn)料量、相關(guān)控制參數(shù)）、工藝執(zhí)行順序表單和人機(jī)交互信息表單這三個(gè)表單文件保存為DBF數(shù)據(jù)庫格式，操作人員可通過在畫面上選擇相應(yīng)的配方名（品名），實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表單相應(yīng)參數(shù)的顯示、修改、下裝等功能，達(dá)到自動實(shí)現(xiàn)批量控制的目地。

    配方名表單，包括：品名、原料、工藝參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的修改及其保存的方式；

    配方名表單（品名）的修改、選擇、操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據(jù)現(xiàn)場不同的實(shí)際生產(chǎn)情況，并在相應(yīng)權(quán)限的許可下，可以進(jìn)行各種參數(shù)的調(diào)整，滿足生產(chǎn)控制對間歇式批量控制的要求；實(shí)時(shí)監(jiān)視批量控制程序?qū)ζ访倪x擇、工藝過程各參數(shù)的選擇及其修改等；配方名表單操作人機(jī)界面如圖1所示。

              

                            圖1   配方名表單操作人機(jī)界面

    配方名表單（品名）的存儲方式：批量配方名表單的保存方式應(yīng)該體現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、鏈接性好、容易查找等特點(diǎn)。采用DBF數(shù)據(jù)庫格式來保存數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的保存，更能直觀地記錄各品名、工藝過程參數(shù)的數(shù)值；配方名表單（品名）的保存方式底層管理表單如圖2所示。

              


                               圖2   配方名表單底層管理表單

    工藝執(zhí)行順序表單（步），包括：根據(jù)具體的工藝步驟要求而排列的動作先后執(zhí)行次序等相關(guān)數(shù)據(jù)的修改及其保存的方式；工藝執(zhí)行順序表單（步）的修改、選擇、運(yùn)行到下一步、掛起步、跳步、激活步和放棄步的操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據(jù)現(xiàn)場不同的實(shí)際生產(chǎn)情況，并在相應(yīng)權(quán)限的許可下，可以進(jìn)行各種步的調(diào)整，例如：自動運(yùn)行到下一步、掛起步、向前跳步、向后跳步、激活步、放棄步等，以滿足生產(chǎn)過程中靈活調(diào)整工藝流程的要求；工藝執(zhí)行順序表單操作人機(jī)界面如圖3所示。

               
 
                        圖3   工藝執(zhí)行順序表單人機(jī)操作界面

    工藝執(zhí)行順序表單（步）的存儲方式：人機(jī)交互信息表單（步）的保存方式應(yīng)該體現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、鏈接性好、容易查找等特點(diǎn)。采用DBF數(shù)據(jù)庫格式來保存數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的保存，更能直觀地記錄自動運(yùn)行到下一步、掛起步、向前跳步、向后跳步、激活步、放棄步等步驟的執(zhí)行情況；底層管理表單如圖4所示。

              

                           圖4   工藝執(zhí)行順序表單底層管理表單

    人機(jī)交互信息表單，包括：具體動作執(zhí)行時(shí)的相關(guān)信息的修改及其保存的方式；人機(jī)交互信息表單的具體動作執(zhí)行時(shí)的操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據(jù)現(xiàn)場不同的實(shí)際生產(chǎn)情況，并在相應(yīng)權(quán)限的許可下，可以根據(jù)人機(jī)界面的操作員當(dāng)前提示信息進(jìn)行操作，人機(jī)交互信息表單的人機(jī)操作界面如圖5所示。

               

                          圖5   人機(jī)交互信息表單人機(jī)操作界面

    人機(jī)交互信息表單的存儲方式：人機(jī)交互信息表單的保存方式應(yīng)該體現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、鏈接性好、容易查找等特點(diǎn)。采用DBF數(shù)據(jù)庫格式來保存數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的保存，更能直觀地記錄當(dāng)前步驟的具體執(zhí)行情況；底層管理表單如圖6所示。

                

                         圖6   人機(jī)交互信息表單底層管理表單

    3.2 控制方案思路

    精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)項(xiàng)目的工藝特點(diǎn)決定了其控制方案的復(fù)雜性，貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵點(diǎn)是對溫度和壓力穩(wěn)定度的要求，要盡量避免溫度和壓力的忽高忽低或出現(xiàn)短暫的失控現(xiàn)象。從工藝情況分析，分成三個(gè)階段：①原料加完后開始程序升溫、拉真空、隨后再次加熱升溫使釜溫升高、壓力下降；②程序升溫完畢后的滴加反應(yīng)放熱升溫階段、保壓階段；③滴加完畢后的保溫階段；這三個(gè)階段的溫度和壓力穩(wěn)定性控制的好壞，直接影響到產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)出率。下面我們分別從這三個(gè)階段來討論控制方案的異同點(diǎn)和對生產(chǎn)帶來的效果。

     3.2.1 程序升溫控制

    根據(jù)選擇的配方名表單（品名）下裝完成并加完原料后，緊接著就是程序升溫、拉真空。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，把溫度升至設(shè)定的溫度點(diǎn)、并把壓力降低到設(shè)定的真空值，為了防止出現(xiàn)超溫或壓力波動，設(shè)定溫度的升溫曲線和壓力的下降曲線尤為重要，考慮到釜內(nèi)存在慣性和滯后的問題，設(shè)定的曲線應(yīng)該先快后慢，即先快速升溫和拉真空降壓一段時(shí)間，然后放慢速度升溫和降壓，直至溫度和壓力接近物料反應(yīng)點(diǎn)的溫度和真空度，這種平緩靠近反應(yīng)溫度和真空度的做法，使超溫或壓力波動等問題得以解決。為了防止因?yàn)榉磻?yīng)點(diǎn)的變化，產(chǎn)生突然反應(yīng)的情況，此時(shí)在釜的外盤管已經(jīng)進(jìn)行冷熱水的切換，并通入了適當(dāng)?shù)睦鋮s循環(huán)水防止超溫。其升溫曲線如圖7所示。

               

                                 圖7   程序升溫控制曲線

    3.2.2 滴加控制

    當(dāng)溫度達(dá)到反應(yīng)溫度且釜內(nèi)壓力保持穩(wěn)定時(shí)，判斷反應(yīng)是否發(fā)生的依據(jù)是：溫度快速上升，且其斜率曲線較陡；具體則以連續(xù)的3個(gè)變化率數(shù)值來判斷，即在連續(xù)5個(gè)周期（每個(gè)周期為0.5s）內(nèi)取一個(gè)變化率值，我們連續(xù)觀測3個(gè)變化率值，如果這個(gè)值大于一個(gè)定值（此定值由經(jīng)驗(yàn)所得的最小值），則可以判斷已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)；接下來就是迅速把循環(huán)冷卻水調(diào)節(jié)閥開至100%，再通過PID根據(jù)該品種配方名表單設(shè)定的溫度值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。根據(jù)管徑大小及所設(shè)定的滴加完畢的時(shí)間進(jìn)行初始滴加調(diào)節(jié)閥門開度的換算，即在開始滴加的時(shí)候其閥門的開度，這樣物料的加入速度在開始就能控制得比較平穩(wěn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滴加調(diào)節(jié)、控制，確保整個(gè)過程都能按照設(shè)定量滴加。滴加主要是控制計(jì)量槽內(nèi)物料重量的下降速率與計(jì)算所得的下降速率，調(diào)節(jié)其閥門的大小，滴加的平穩(wěn)性好（平穩(wěn)勻速滴加），其釜內(nèi)的溫度控制也比較平穩(wěn)，如果滴加出現(xiàn)大幅整蕩，釜內(nèi)的溫度也難以控制，且不易穩(wěn)定。其滴加曲線如圖8所示。

           

                                圖8   滴加控制曲線

    3.2.3 保溫控制

    滴加結(jié)束接下來進(jìn)行保溫控制，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)保持溫度的穩(wěn)定，要求釜內(nèi)溫度與設(shè)定溫度基本一致，其誤差為±1℃，溫度的設(shè)定值由配方數(shù)據(jù)表單一起管理，其值隨著配方的不同而相互不一致。為了達(dá)到工藝的精確控制要求，我們采用了多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控的方案來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

    釜內(nèi)溫度具有滯后、積聚的特點(diǎn)，當(dāng)溫度出現(xiàn)上升或下降時(shí)，如果我們采用常規(guī)PID回路來調(diào)節(jié)，超調(diào)或遲緩?fù)?jīng)常發(fā)生，致使溫度難于調(diào)節(jié)，無法滿足工藝的要求。經(jīng)過不斷的實(shí)踐摸索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度無論是正向偏離設(shè)定值還是負(fù)向偏離設(shè)定值，只要出現(xiàn)變化的趨勢，調(diào)節(jié)閥必須馬上跟著動作，調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)水的大小，以適應(yīng)這種變化，防止溫度隨著正向偏離越來越多產(chǎn)生積聚效應(yīng)，使反應(yīng)急劇放量增快，越往后越難以控制，即使把冷卻循環(huán)水控制閥開足100%也壓制不住這種積聚反應(yīng)，嚴(yán)重的將造成釜內(nèi)物料溢出，甚至爆炸等；同時(shí)，如果溫度負(fù)向偏離的時(shí)候，冷卻循環(huán)水控制調(diào)節(jié)偏慢或調(diào)節(jié)幅度偏大，將使反應(yīng)釜溫度負(fù)向偏離越來越多，最后反應(yīng)釜因?yàn)闇囟冗^低，達(dá)不到反應(yīng)的溫度，使反應(yīng)變慢或停止反應(yīng)，這樣將造成產(chǎn)出量低，反應(yīng)不完全，品質(zhì)不能滿足要求。

    通過對工藝的分析和實(shí)際生產(chǎn)的情況來看，我們把釜內(nèi)溫度分為六個(gè)階段：

     ·釜溫度高于設(shè)定值+0.5，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度高于設(shè)定值+0.5，溫度處在下降階段；

     ·釜溫度低于設(shè)定值-0.5，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度低于設(shè)定值-0.5，溫度處在下降階段；

     ·釜溫度處在設(shè)定值的±0.5范圍之內(nèi)，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度處在設(shè)定值的±0.5范圍之內(nèi)，溫度處在下降階段。

    在這個(gè)控制過程中，采用了釜內(nèi)溫度的變化率來控制冷卻循環(huán)水的大小，以冷卻循環(huán)水的溫度作為參考指標(biāo)，這樣，只要反應(yīng)釜溫度產(chǎn)生正向或負(fù)向偏離，冷卻循環(huán)水控制閥就開大或開小，開度變化的大小根據(jù)釜內(nèi)溫度的變化率、反應(yīng)釜的實(shí)際溫度、冷卻循環(huán)水的溫度三個(gè)參數(shù)量動態(tài)監(jiān)測、運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自動尋找對應(yīng)的閥門開度值。這種動態(tài)模型的建立實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜溫度控制穩(wěn)定的第一步，緊接著在調(diào)試過程，摸索各種實(shí)際工況的參數(shù)，在生產(chǎn)過程中的總結(jié)各種經(jīng)驗(yàn)值都是至關(guān)重要的，在筆者不斷的總結(jié)和探索下，最終實(shí)現(xiàn)了溫度的平穩(wěn)控制，滿足了生產(chǎn)的精確控制要求。如圖9所示。

             

                                圖9   釜內(nèi)溫度實(shí)際曲線

    多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控模式的自動控制是否能夠順利投入運(yùn)行，關(guān)鍵在于自動程序是否緊跟現(xiàn)場實(shí)際需要，是否很好地理解了其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)；如果工藝控制條件的隨意性大，將給編程增加很大的難度，也給經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的摸索帶來一定的困難；經(jīng)過現(xiàn)場兩年的運(yùn)行證明，其編程思路是可靠的，其控制方案是可行的；多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控模式的投入大大降低了操作工人的勞動強(qiáng)度，產(chǎn)品穩(wěn)定性也得到了很大的提高。

    3.3 控制方案的編程語言的實(shí)現(xiàn)

    下位機(jī)控制器的編程采用符合IEC61131-3可編程控制器編程語言標(biāo)準(zhǔn)的ST、LD、FBD、SFC四種編程語言，通過自由組合方式混合編制實(shí)現(xiàn)，再通過編譯、下裝到現(xiàn)場控制站中的控制器中去執(zhí)行，從而達(dá)到精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)工藝所需要的控制要求。上位機(jī)的SCADA人機(jī)交互界面程序則根據(jù)操作員實(shí)際的操作需求采用類C語言編制而成，再編譯成最終的二進(jìn)制代碼后和配方名表單、工藝執(zhí)行順序表單、人機(jī)交互信息表單等DBF數(shù)據(jù)庫一起在Windows Server 2008 系統(tǒng)的配方服務(wù)器上運(yùn)行。上下位機(jī)通過預(yù)先定義的全局變量實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、傳遞和校驗(yàn)，保證上下位程序能夠同步執(zhí)行。下位機(jī)控制器編程語言環(huán)境的典型示例如圖10所示。

             

                          圖10   下位機(jī)控制器編程語言環(huán)境

    而上位機(jī)的SCADA人機(jī)交互界面程序的編程語言環(huán)境典型示例如圖11所示。

             

                  圖11   上位機(jī)的SCADA人機(jī)交互界面程序的編程語言環(huán)境

    4 結(jié)語

    精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)的全自動控制由于受工藝、設(shè)備、編程方式等多方面的因素制約，一直是自動控制系統(tǒng)的難點(diǎn)；國外大多數(shù)DCS廠家都是單獨(dú)開發(fā)相應(yīng)的批量控制軟件包，并且單獨(dú)計(jì)算費(fèi)用；HOLLIAS-MAC_DCS系統(tǒng)在精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，利用其自身具有的靈活性和可靠性，達(dá)到了自動控制的要求，為企業(yè)節(jié)約了時(shí)間，避免了額外費(fèi)用的開支；該項(xiàng)目的成功運(yùn)行為其他間歇式生產(chǎn)提供了可行的編程思路，HOLLIAS-MAC_DCS系統(tǒng)為間歇生產(chǎn)工藝提供了可靠、靈活的硬件和編程軟件。

    參考文獻(xiàn)：

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    [4] ISA S88批量管理標(biāo)準(zhǔn).


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》