批量控制在微球成膠工序中的應用

李 峰 魯 兵 程 剛 張運濤

（中國石油蘭州石化公司設備維修公司）

某催化劑廠微球裝置成膠工序的生產過程中工藝流程存在相似的工藝設備單元，對于這些相似的單元，控制方案也是相似的。但是因為市場的需求不同，微球裝置所生產的催化裂化催化劑多達幾十種，這也就相應出現了與之對應的不同配方。由于不同物料加入的先后順序不同，加入量不同，所以不僅給DCS的工藝操作增加了工作量，而且也給DCS的程序組態(tài)帶來了較大困難。

微球裝置成膠工序采用批量控制，使用多個大容量成膠反應釜，用于提高成膠效率。但由于最初的計量罐與成膠罐是一對一的關系，如果發(fā)展為多對一甚至多對多的關系，那么如果采用傳統(tǒng)的編程方法，勢必導致相同或類似的程序重復編寫，不僅耗費人力、物力和時間，還降低了程序的可移植性。如果工藝發(fā)生變化，則有可能會大量修改程序，導致維護難度大，靈活性差。為此，筆者采用艾默生過程控制有限公司的DeltaV Batch System，來解決上述問題。

1 工藝流程

圖1 成膠工序生產工藝流程

催化劑廠微球裝置產品主要是以超穩(wěn)Y分子篩為活性組分的催化裂化催化劑。成膠工序生產工藝流程如圖1所示，計-1～計-5為5個計量罐，負責5種物料的計量。反-1/1～反-1/5為5個成膠罐，每個成膠罐都有各自的加料閥、出口閥和攪拌機。每個成膠罐的工藝過程都是相同的，物料經過計量罐收料、放料以及成膠罐加料、攪拌等過程后，在一定溫度、堿度環(huán)境下均勻混合，使活性組分充分完全分散附著到載體上，從而得到反應完全的催化劑成膠漿料。

2 控制方案

根據成膠工序生產工藝流程和DeltaV Batch System，使用批量控制來對工藝流程進行程序化解讀，并結合工藝流程將DCS控制方案分解為兩部分：底層控制方案和上層程序。

2.1 底層控制方案

DeltaV系統(tǒng)將相同或者相似的工藝流程進行綜合，提出能廣泛應用的“通用模板”，這種“通用模板”在DeltaV Batch System中被稱為類。據此可以將圖1所示的工藝流程分解為3個單元類。單元類1：計-1～計-5以及每個計量罐的進料閥和放料閥。單元類2：固體料斗。單元類3：反-1/1～反-1/5成膠罐以及每個成膠罐的進料閥和放料閥。簡化的工藝流程如圖2所示。

根據圖2和分解的3個單元類可編寫出相應的3個工藝階段（工藝階段計量罐、工藝階段固體料斗、工藝階段成膠罐），然后將這3個工藝階段作為模板再進行擴展（工藝階段計-1、工藝階段計-2、工藝階段計-3、工藝階段計-4、工藝階段計-5、工藝階段固體料斗、工藝階段反-1/1、工藝階段反-1/2、工藝階段反-1/3、工藝階段反-1/4、工藝階段反-1/5）。

圖2 簡化的工藝流程

由于各個設備的進料閥和出料閥的標識是不同的，所以在做模板時可將之先分別用統(tǒng)一標識代號 Invalve（進料閥）和 Outvalve（出料閥）代替，擴展時再將Invalve和Outvalve關聯到相應的具體設備上。

2.2 上層程序

程序即為產品配方，也即加料的過程，在程序中產品的加工是按配方規(guī)定的順序和操作參數進行的。配方中的程序由上至下可以分為程序、單元程序、操作和工藝階段4個層次。其中，工藝階段是程控模型中最基本的構建，它包含對現場元器件的各種操作?？梢圆捎脠D3所示的設計原則來組態(tài)程序。

圖3 程序控制模型

簡單來說，工藝階段就是需要對設備進行單個操作過程；操作是將一個設備作為一個整體，其中包含這個設備所有操作過程，即包含多個工藝階段；單元程序則是一段工藝過程包含多個涉及的設備，即包含多個操作；程序就是指整個工藝流程，其中包含多個單元程序。

2.3 人機交互

人機交互是操作員通過操作程序完成一個工藝流程，即通過程序→單元程序→操作→工藝階段的層層調用方式來完成操作（圖4、5）。

圖4 人機交互操作界面

圖5 程序的層層調用

從圖5可以看出，程序就是將這些單元程序級別類似“積木”的模塊按照流程搭建而成，每個模塊都代表下一層的工藝過程直到工藝階段級的模塊為止。如果加料順序不同或工藝發(fā)生改變，只需在相應的級別內改變模塊的順序，即改變“積木”模塊的順序即可滿足生產要求。

3 存在的問題及解決方案

3.1 設備競爭

構建過程中最普遍的問題就是設備競爭問題，所謂的競爭問題即指設備A和設備B同時需要設備C時，誰先使用的問題。例如：在正常生產中5個成膠罐都在成膠，當兩個或兩個以上的成膠罐都需要加同一種物料時就會出現競爭問題。

3.2 解決方案

要解決競爭問題，需要先了解什么是設備仲裁。

所有在批量控制中組態(tài)的設備都具有唯一的設備ID，系統(tǒng)利用此ID分配設備，并滿足所有者的任何請求。在程序不同階段中，如何擁有和釋放帶有設備ID的設備單元，就需要對這些設備單元進行判斷、分配，此時就產生了所謂的設備仲裁。

3.2.1 由批量軟件內部程序進行仲裁

由批量軟件內部程序進行仲裁的前提條件為：所需設備是獨立的設備單元和ID號。根據設備仲裁分配設備的原則：先申請后使用，先到先得。

例如：有設備A、C，設備A想對設備C進行操作。設備A使用命令Request：=40nn（nn為設備C的ID號）向批量軟件內部程序來確認設備C是否能被操作；若能操作則Request=0，設備C被設備A申請到；若不能操作則Request≠0，設備C被其他設備使用；設備A排隊申請直到Request=0。使用完設備C后使用命令Request：=42nn來釋放設備C以便其他設備繼續(xù)申請操作設備C。

3.2.2 通過編寫程序語句判斷進行仲裁

所需的設備雖然有ID號，但它附屬于其他設備，即由其他設備所占用，所以無法通過內部程序申請使用該設備，只能通過編寫語句進行判斷仲裁。

雖然無法通過批量內部程序申請使用該設備，但是該設備的單元程序是有時間先后順序的，因此利用在程序中內置計時器，將需要使用該設備而等待時間較長的優(yōu)先通過特定語句獲取操作該設備。例如：5個反應釜要同時使用A物料時，可由請求使用A的時間來判斷，哪個反應釜的等待時間最長，哪個釜優(yōu)先使用A物料。但是由于內部程序計時原因，等待時間不能超過8h，如果超過8h，則需要對計時器復位重新計時。復位一次計數一次，同時通過復位次數和計時時間來判斷優(yōu)先使用順序。

4 結束語

在工業(yè)生產過程中，工藝流程是多樣化的，但分解為控制方案時可能會很類似，通過DeltaV Batch System的批量程序將這些類似的方案綜合簡化，簡易的調整就能改變工藝生產過程，達到生產不同產品的目的。