PH計(jì)自動(dòng)控制在白炭黑行業(yè)的應(yīng)用和研究

王 聰，馮肖琳

（金能科技股份有限公司，山東 齊河 251100）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)白炭黑行業(yè)日益蓬勃發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化水平逐步提高，連續(xù)控制要求也越來(lái)越高。為提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，降低人工勞動(dòng)力成本，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)品年產(chǎn)能力直線提高已經(jīng)迫在眉睫，而影響白炭黑生產(chǎn)的最大障礙在于反應(yīng)釜PH 值的連續(xù)測(cè)量。傳統(tǒng)PH 值測(cè)量采用人工控制或是定時(shí)控制的方式，此生產(chǎn)為白炭黑行業(yè)的間歇式生產(chǎn)模式[1]，這種模式已不能適應(yīng)白炭黑生產(chǎn)能力的提高，選擇一種PH 值連續(xù)測(cè)量的DCS 系統(tǒng)控制方式尤為重要。

本公司目前擁有2×3 萬(wàn)噸/年生產(chǎn)能力的白炭黑生產(chǎn)車間，車間采用先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)即DCS 系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分散控制，集中管理；在線PH 值測(cè)量采用梅特勒-托利多公司過(guò)程分析儀表智能型PH 電極。下文將對(duì)白炭黑車間反應(yīng)釜在線PH 值測(cè)量的新型自動(dòng)化控制方式進(jìn)行闡述。

1 原設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)院原設(shè)計(jì)方案PH 值在線測(cè)量采用一套獨(dú)立設(shè)備（M400 控制器）[2]，PH 計(jì)電極的沖洗使用另外一套設(shè)備（Easyclean150 控制器）[3]進(jìn)行控制，也就是說(shuō)PH 值測(cè)量是采用梅特勒-托利多公司的智能型PH 電極和變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電極的沖洗則是采用沖洗控制器單獨(dú)控制。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，每測(cè)量一次PH 值，就需要人工進(jìn)行一次PH 值電極的清洗操作或設(shè)定一定的時(shí)間進(jìn)行沖洗。在白炭黑的一個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，沖洗電極操作至少需要3 ～4次，否則電極將會(huì)一直存在于反應(yīng)釜里，將會(huì)大大減少電極的使用壽命。故此設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了PH 值的測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)顯示，但與DCS 控制系統(tǒng)沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)白炭黑生產(chǎn)的連續(xù)化和自動(dòng)化控制。目前，車間生產(chǎn)裝置共有6 套PH 計(jì)在線測(cè)量裝置，現(xiàn)場(chǎng)操作人員4 名，主控室操作人員2 名。

2 原設(shè)計(jì)方案的弊端

原設(shè)計(jì)方案在生產(chǎn)使用中，PH 值測(cè)量電極的插入和拔出均需人工通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制氣缸動(dòng)作的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PH電極拔出后，仍舊是人工控制沖洗按鈕進(jìn)行電極沖洗，原因在于氣缸的動(dòng)作為連續(xù)動(dòng)作，而電極的沖洗卻是點(diǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)。目前使用中的主要弊端在于：

1）白炭黑的生產(chǎn)為連續(xù)的順控操作，由于PH 值測(cè)量的不連續(xù)性，導(dǎo)致DCS 系統(tǒng)的順控?zé)o法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制的生產(chǎn)模式，大大降低了白炭黑的生產(chǎn)能力，實(shí)際的年產(chǎn)能力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的年產(chǎn)能力。

2）現(xiàn)場(chǎng)操作全部為人工操作，白炭黑生產(chǎn)反應(yīng)一釜的時(shí)間在2h 左右，這個(gè)操作過(guò)程中，員工需要操作PH 計(jì)進(jìn)入反應(yīng)釜達(dá)3 次之多，每次均要沖洗5min 左右，每天反應(yīng)均在20 釜以上，員工的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

3）由于白炭黑生產(chǎn)順控模式不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，主控室的操作人員一人僅能最多控制兩臺(tái)反應(yīng)釜，增大了崗位人員的投入和成本。

4）現(xiàn)場(chǎng)由于電極拔出后的沖洗需要人工點(diǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，每次的操作要求電極的沖洗時(shí)間在5min 左右，員工存在偷懶的工作狀態(tài)，電極沖洗時(shí)間不足，導(dǎo)致電極本體攜帶異物較多造成PH 計(jì)電極的損壞。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每月電極由于沖洗時(shí)間不足而損壞多達(dá)5 只，生產(chǎn)成本增加。

3 新型PH計(jì)控制方式的實(shí)施

基于Emerson 公司先進(jìn)的Deltav DCS 控制系統(tǒng)平臺(tái)[4]，消除了PH 值測(cè)量中的弊端，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。新型PH 計(jì)控制方式的實(shí)施分三部分完成：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制實(shí)施、聯(lián)鎖控制實(shí)施以及連續(xù)操作自動(dòng)化的實(shí)施，具體實(shí)施過(guò)程如下：

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制實(shí)施

圖1 聯(lián)鎖控制實(shí)施的電氣接線圖Fig.1 Electrical wiring diagram of interlock control implementation

從減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度的角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制方式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，原現(xiàn)場(chǎng)操作全部實(shí)現(xiàn)了DCS 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。將原來(lái)Easy150 上控制PH 計(jì)氣缸的操作按鈕進(jìn)行了并聯(lián)處理，采用信號(hào)并聯(lián)的接線方式將其引入DCS 控制系統(tǒng)，利用DCS 系統(tǒng)的DO 卡件進(jìn)行繼電器控制氣缸的遠(yuǎn)程操作[5]，實(shí)現(xiàn)了PH 計(jì)的插入和拔出；PH 電極的水洗功能進(jìn)行回路的重新設(shè)計(jì)，增加了互鎖和保持功能，并將信號(hào)直接接入DCS 系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PH 電極水洗的DCS 系統(tǒng)控制功能。

3.2 聯(lián)鎖控制實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制方式實(shí)施后，雖然把現(xiàn)場(chǎng)員工從PH 值測(cè)量的工作解放出來(lái)，但仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)PH 測(cè)量的自動(dòng)化控制，因此進(jìn)一步完善了PH 計(jì)氣缸的控制和水洗的聯(lián)鎖控制功能設(shè)計(jì)。首先，在氣缸上新安裝兩個(gè)限位開關(guān)，并將限位開關(guān)的信號(hào)接入DCS 控制系統(tǒng)，分別記錄氣缸的插入和拔出狀態(tài)（電氣接線圖如圖1 所示）；然后，在DCS 系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制功能。根據(jù)PH 計(jì)電極的沖洗要求，取氣缸的拔出信號(hào)作為水洗的條件，設(shè)計(jì)為PH計(jì)電極拔出時(shí)聯(lián)鎖觸發(fā)水洗功能的開啟，并編程實(shí)現(xiàn)水洗的計(jì)時(shí)功能，從而完美地實(shí)現(xiàn)了PH 計(jì)氣缸的控制與定時(shí)水洗功能的聯(lián)鎖。

3.3 連續(xù)操作控制實(shí)施

所謂連續(xù)操作控制的實(shí)施，是在白炭黑生產(chǎn)的DCS 控制系統(tǒng)順控程序里實(shí)現(xiàn)PH 值測(cè)量的控制功能，實(shí)現(xiàn)順控操作的連續(xù)化?；贒eltav DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行順控編程，在順控的程序里增加新的Step 操作，在Step 中編程實(shí)現(xiàn)PH 計(jì)氣缸的控制。由于聯(lián)鎖的作用會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PH 計(jì)電極的沖洗功能（圖3 為順控的DCS 系統(tǒng)程序）。操作工只需提前設(shè)定好沖洗的時(shí)間，一鍵操作就可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)操作全自動(dòng)化控制。另外，程序保護(hù)還可以實(shí)現(xiàn)PH 計(jì)氣缸的限位開關(guān)的狀態(tài)與整個(gè)順控的聯(lián)鎖保護(hù)功能，很好地保護(hù)了PH 計(jì)電極和PH 護(hù)套等設(shè)備，繼而實(shí)現(xiàn)連續(xù)順控與PH 值測(cè)量的連續(xù)化操作過(guò)程。

圖2 順控中關(guān)于PH計(jì)控制的程序Fig.2 Procedures for PH meter control in sequence control

4 效益分析

新型PH 計(jì)控制方式在白炭黑生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用，雖然只是一個(gè)很小的設(shè)備改造和聯(lián)鎖保護(hù)改造，卻帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和設(shè)備保護(hù)效益，具體分析如下：

1）實(shí)現(xiàn)了白炭黑生產(chǎn)的連續(xù)化順控操作，現(xiàn)在的生產(chǎn)由原來(lái)的20 釜/天提升為大于30 釜/天，實(shí)際的生產(chǎn)能力接近6.5 萬(wàn)噸/年，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)能力。

2）降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化了崗位。主控室操作人員由2 人變?yōu)? 人，現(xiàn)場(chǎng)操作工由4 人變?yōu)? 人（其中1 人負(fù)責(zé)取樣），極大地降低了人力資源成本。

3）極大地減少了電極因水洗不足造成的設(shè)備損壞，降低了生產(chǎn)成本。自從新型PH 計(jì)控制方式的實(shí)施以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有1 支電極因水洗不足而造成的損壞，那么年可以節(jié)省成本0.5×5×12=30 萬(wàn)元（每只電極單價(jià)約5000 元）。

4）增加了聯(lián)鎖保護(hù)，對(duì)設(shè)備起到了保護(hù)作用。

5）提高系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，解決了長(zhǎng)期以來(lái)白炭黑反應(yīng)釜間歇式生產(chǎn)的模式。

6）降低了設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著白炭黑行業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)白炭黑產(chǎn)品的需求也會(huì)日益增大，同時(shí)白炭黑的生產(chǎn)廠家的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)日益激烈。各白炭黑生產(chǎn)廠家必須實(shí)現(xiàn)全面的自動(dòng)化控制方式，不斷提高自身產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，不斷降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，才能在日趨競(jìng)爭(zhēng)激烈的社會(huì)中擁有立足之地。

在白炭黑行業(yè)里，反應(yīng)釜的PH 計(jì)電極的消耗是成本消耗里比較大的一部分，這主要是因?yàn)镻H 電極單價(jià)較高又屬于易耗物品，減少電極的消耗也是減少玻璃制品的浪費(fèi)，這正與國(guó)家提出的節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的宗旨是一致的。本公司使用梅特勒-托利多公司的PH 電極測(cè)量裝置6 套，均已實(shí)現(xiàn)了新型PH 計(jì)的自動(dòng)化控制方式，使用性能穩(wěn)定，極大地降低了電極的消耗。聯(lián)鎖功能明顯，為白炭黑的正常順控程序的執(zhí)行提供了有力的保證，實(shí)現(xiàn)了間歇式生產(chǎn)向連續(xù)化生產(chǎn)的躍變。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的自動(dòng)化控制，大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，具有良好的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。