某化工項目中自動灌裝系統(tǒng)的設計淺析

（中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，化工項目日益增多，對化工生產(chǎn)的產(chǎn)能及生產(chǎn)裝置的自動化水平要求也逐年提高。很多化工企業(yè)提出了儀表計量及控制系統(tǒng)升級的要求。但受到資金和生產(chǎn)的制約，企業(yè)往往會傾向于對局部工藝工段的區(qū)域性改造，這對設計方的專業(yè)性、針對性、細節(jié)考慮等均提出了要求。

本文以某化工項目中對稱重系統(tǒng)的自動化改造為例，從設計思路和實際方案兩方面進行闡述。

1 項目情況

上海某化工廠根據(jù)生產(chǎn)需要，計劃對某加料區(qū)域進行升級改造，將原有的手動灌裝改為自動化灌裝。為此，需要設計一套自動化加料方案。

原廠加料區(qū)未設計自動化系統(tǒng)，為手動加料灌裝。在實際操作過程中，由于配料人員能力不足、環(huán)境干擾、加料時注意力不集中等原因，加之配方變化，涉及配料種類眾多，時常會發(fā)生配料錯誤，影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生嚴重后果。為此，業(yè)主提出以下需求：設置一套獨立的自動化稱重系統(tǒng),并與全廠主生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)。通過預設的不同配方，自動完成不同原料的灌裝及計量。

2 技術分析

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

稱重：常規(guī)由秤體/稱重傳感器（設置于現(xiàn)場）、稱重變送單元（設置于控制箱）、分析控制單元（設置于控制室）組成。對加料系統(tǒng)送來的原料，由現(xiàn)場的稱重檢測元件進行計量，并將重量原始信號輸送至稱重變送單元，由變送單元將其轉換為標準通訊信號后，送至控制室內(nèi)的分析控制單元，進行記錄、存儲、分析等。

3 解決方案

精細化工具有批量運行、多生產(chǎn)線、多產(chǎn)品品種等特點，根據(jù)GB 51283—2020《精細化工企業(yè)工程設計防火標準》“5.8 過程檢測及制動控制”之要求，在操作方式上需要現(xiàn)場監(jiān)控與控制室集中監(jiān)控相結合。為了能更有效、安全、合理地配置過程監(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、一體化觸摸屏等產(chǎn)品技術[1]。根據(jù)工廠生產(chǎn)的特點及需要，確定需要監(jiān)控的工藝參數(shù)，設置相應的儀表與自動控制系統(tǒng)。

本次改造的自動化加料系統(tǒng)，主要包括加料管路、壓縮空氣管路、控制系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表及閥門等。儲罐/原料容器、計量泵、加料流量記錄（質(zhì)量流量計）等均屬原有設備。

設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 人機界面），稱重區(qū)域設置現(xiàn)場防爆操作箱、稱重儀表和自動閥（灌裝閥，管道上安裝）等。

PLC 稱重控制系統(tǒng)主機安裝在現(xiàn)場安全區(qū)（現(xiàn)場控制室），現(xiàn)場的防爆稱重儀表通過Profibus-DP 通訊方式將稱重數(shù)據(jù)實時發(fā)送給安全區(qū)的PLC 控制器。操作人員通過控制室的人機界面，通過菜單式操作設定灌裝配方和批次灌裝的目標量，當稱重值達到目標量時，系統(tǒng)停止灌裝。并能通過現(xiàn)場的指示燈告知操作人員，灌裝完成。稱重控制系統(tǒng)也可經(jīng)由以太網(wǎng)通訊協(xié)議與廠區(qū)的主PLC 進行通訊，接收主PLC 的加料要求。根據(jù)獲取稱重數(shù)據(jù)的反饋信號，通過灌裝閥實現(xiàn)加料的閉環(huán)控制。相關加料系統(tǒng)的控制框圖見圖1。

圖1 加料系統(tǒng)的控制框圖

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

控制主機接受閥門開度、加料泵的狀態(tài)反饋，當出現(xiàn)故障狀態(tài)時，停止加料并現(xiàn)場報警。

現(xiàn)場設備均采用防爆設計，滿足ExIIBT4 防爆等級要求。

3.1 控制系統(tǒng)概述

稱重控制系統(tǒng)主機安裝在安全區(qū)，采用威圖標準機柜?？刂乒裼呻娫囱b置、斷路器、PLC、接線端子排、繼電器等組成，是整個控制系統(tǒng)的核心部件。

PLC 選用西門子SIMATIC S7-1200 系列。該系列PLC 是西門子公司新一代產(chǎn)品，屬于面向簡單而高精確度自動化任務的PLC。具有模塊化、結構緊湊、功能全面、高可靠性等特點，適用于多種應用場合。此PLC 同時具有集成PROFINET 接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點，為各種工藝任務提供了簡單通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應用中完全不同的自動化需要。

PLC 采用Profibus-DP 通訊方式與稱重儀表進行通訊，使PLC 可以實時檢測當前稱重數(shù)據(jù)，并在人機界面上進行顯示。在啟動灌裝后，PLC 可以實時將當前稱重值與設定目標值進行比較，當重量達到設定值時，灌裝結束，關閉灌裝閥門，灌裝完成，指示燈亮。

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

稱重控制器安裝在防爆箱內(nèi)，控制器自帶操作面板，支持對稱重儀表進行操作。防爆指示燈共2 只，分別標注為“工作”和“完成”，在防爆箱外側掛墻安裝，用于指示當前的灌裝狀態(tài)。當啟動灌裝流程后，在灌裝進行中時，“工作”指示燈閃爍。當灌裝重量接近目標量時，該指示燈變?yōu)槌Ａ?，提示操作人員灌裝即將結束。當灌裝重量到達目標值時，“工作”指示燈滅，“完成”指示燈常亮。當操作人員將鋼瓶從秤臺移離后，“完成”指示燈滅。

控制系統(tǒng)在灌裝時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)需要通過人機界面設定。

3.2 控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)3.1 的設計，相關控制系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)包括：（1）生產(chǎn)過程監(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。

稱重系統(tǒng)主畫面顯示了加料系統(tǒng)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)畫面通過各模塊的顏色變化來表示。畫面包括對存儲裝置、輸送裝置、輸送管路、接收裝置及配套電氣元件、儀表及閥門的示意。傳輸泵及閥門的開關及故障通過不同顏色加以區(qū)分。加料管路也同樣經(jīng)由顏色變化顯示是否進行物料輸送。加料狀態(tài)信息、設定值、實際加料量、累積加料量等通過參數(shù)在畫面進行顯示。并在畫面提供了系統(tǒng)歸零、料筒清洗等操作功能模塊，選擇不同的模塊可進入不同的功能區(qū)。

在配方和參數(shù)設置界面，提供了不同原料來源（儲罐/料筒等）、加料方式選擇（單閥/雙閥）及其他參數(shù)設定等；并包括PID 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)，顯示控制系統(tǒng)曲線，對上下限、控制值、手動/自動模式切換等進行顯示和控制。

在設備狀態(tài)頁面對加料系統(tǒng)的參數(shù)及故障報警等信息進行顯示。

綜上所述，本系統(tǒng)具有操作方便、結構簡單，可實時跟蹤調(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)主的認可及好評。

4 結語

化工生產(chǎn)過程中，加料是必不可少的工藝環(huán)節(jié)。需充分考慮業(yè)主實際生產(chǎn)需求，結合國家規(guī)范及地方標準，從物料輸送、配方選擇、出料控制、故障報警、信息傳輸?shù)确矫孢M行合理合規(guī)的設計，提高生產(chǎn)的自動化水準，避免人工誤差，從而為企業(yè)的生產(chǎn)打下堅實基礎。