氣力輸送控制系統(tǒng)及其智能控制方法的研究

翟兆凱

（澤普林固體物料技術(shù)（上海）有限公司，上海 201821）

針對目前橡膠輪胎行業(yè)面臨的實(shí)際技術(shù)狀況，通過系統(tǒng)、科學(xué)、深入、細(xì)致的產(chǎn)品技術(shù)特性分析，歸納提煉，科學(xué)歸納總結(jié)，研發(fā)生產(chǎn)的“智能化氣力輸送系統(tǒng)”產(chǎn)品系列是集科技、環(huán)保、自動檢測與控制為一體的新一代現(xiàn)代化應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)和企業(yè)供應(yīng)鏈運(yùn)營管理過程自動化控制系統(tǒng)，以及集大規(guī)模集成工業(yè)裝備和應(yīng)用技術(shù)于一體的新一代自動化高科技和數(shù)字化產(chǎn)品。解決了國內(nèi)橡膠輪胎行業(yè)粉狀物料多、物理?xiàng)l件復(fù)雜、環(huán)境污染危害最嚴(yán)重等諸多關(guān)鍵技術(shù)難題。柔性生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有“機(jī)電一體化、軟硬結(jié)合、管控并重”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)特征。

1 國內(nèi)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國橡膠輪胎行業(yè)已投入工業(yè)應(yīng)用的氣力輸送控制系統(tǒng)大多由PLC 控制。由于可編程控制器能在工業(yè)領(lǐng)域的各種復(fù)雜環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，以可編程控制器為控制系統(tǒng)核心的氣力輸送系統(tǒng)得到了國內(nèi)用戶的認(rèn)可。在國外，由于氣力輸送技術(shù)的早期發(fā)展，工業(yè)化國家對環(huán)境保護(hù)的重視，以及許多西方國家勞動力成本高，氣力輸送設(shè)備得到了充分利用，其控制系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。工業(yè)可編程控制器（PLC）和普通PC 機(jī)的雙層計(jì)算機(jī)控制模式得到了廣泛的應(yīng)用，許多智能應(yīng)用已經(jīng)在軟件中實(shí)現(xiàn)。例如，美國的空氣輸送控制系統(tǒng)采用PLC 和SCADA 兩級結(jié)構(gòu)，采用了系統(tǒng)配置使用特殊的SCADA 軟件。PLC 控制器系統(tǒng)具有設(shè)備體積小、反應(yīng)頻率快、能耗比較低、操作程序簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、集中控制功能等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，另外還具有運(yùn)算能力，在現(xiàn)代工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。

多篇文章從計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程方法和工程計(jì)算機(jī)仿真方法兩個技術(shù)層面系統(tǒng)介紹和闡述了如何考慮計(jì)算機(jī)綜合仿真，指導(dǎo)氣力輸送系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成設(shè)計(jì)仿真軟件的開發(fā)。工程模擬設(shè)計(jì)過程的目的是根據(jù)已知流體物料輸送設(shè)備的相關(guān)特性參數(shù)和具體技術(shù)參數(shù)的要求，綜合設(shè)計(jì)模擬物料輸送系統(tǒng)的設(shè)備。結(jié)合國外工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過計(jì)算模擬數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)模擬方法可以進(jìn)一步預(yù)測系統(tǒng)各運(yùn)行點(diǎn)的流量參數(shù)差異，以及流場環(huán)境中單輸管道布局的變化對氣流輸送過程的重要影響。這兩個特性的有機(jī)結(jié)合將有助于建立大型氣力輸送管道的計(jì)算機(jī)分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算系統(tǒng)。

一些研究機(jī)構(gòu)也將人工智能理論應(yīng)用于氣動提升的研究，主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對氣動提升的各種參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，并取得了良好的效果。然而，沒有使用實(shí)際的軟件或產(chǎn)品。目前對氣力輸送系統(tǒng)的智能控制研究較少。

總體而言，我國企業(yè)在氣力輸送智能控制系統(tǒng)方面與一些發(fā)達(dá)國家存在較大的理論差距。無論是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)水平，還是先進(jìn)工程應(yīng)用的實(shí)踐研究水平。

2 項(xiàng)目實(shí)例

2.1 萬華350KTA HDPE 黑料氣力輸送項(xiàng)目

項(xiàng)目簡介：本項(xiàng)目是通過氣力輸送方式，把由擠壓機(jī)生產(chǎn)出的HDPE 黑料輸送至摻混料倉，利用AUQ 氣力輸送密相技術(shù)把物料輸送至摻混料倉；物料摻混均勻后，再通過AQU 氣力輸送、密相輸送，輸送至包裝料倉。

項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)：靜電消除器消線效果不佳；國外廠商提供的AQU 接線圖紙和現(xiàn)場實(shí)物嚴(yán)重不符。AQU 密相輸送無國外技術(shù)支持。

項(xiàng)目解決方案：通過以下方式改變靜電消除器的消電效果：優(yōu)化儀表風(fēng)持續(xù)供應(yīng)，單獨(dú)提供連續(xù)的儀表風(fēng)源。增加法拉第杯的取樣頻率。根據(jù)測量的荷質(zhì)比和靜電狀態(tài)，調(diào)整系數(shù)，調(diào)整正負(fù)離子的量。

由于AQU 密相全自動輸送的技術(shù)在國外有一些設(shè)備廠商也僅僅只是簡單提供技術(shù)給做了一些配套的設(shè)備，沒有給予實(shí)質(zhì)性技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)支持，在研究利用該這套技術(shù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)密相自動輸送裝置國產(chǎn)化的設(shè)計(jì)開發(fā)及研究應(yīng)用中，解決了以下基本問題：通過分析流量變送器、調(diào)節(jié)閥、限位開關(guān)、壓力變送器、開關(guān)閥儀表參數(shù)，與AUQ 控制原理圖紙，更改AQU 實(shí)物接線并測試，逐一排查，成功解決；AQU廠商沒有提供針對該項(xiàng)目的控制邏輯，所以DCS 部分的控制邏輯需要通過AUQ 裝置的樣本資料，再通過具體項(xiàng)目分析，提出可運(yùn)用于該項(xiàng)目的控制邏輯，并通過多次DCS 與AQU 控制器之間的控制方案優(yōu)化，形成了完整的密相輸送AQU 控制方案；通過調(diào)整控制流量，改變物料的輸送狀態(tài)，避免物料沙丘流等不穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物料的密相輸送。

項(xiàng)目成效：該項(xiàng)目在國外技術(shù)支持的情況下，成功地完成了密相開車，突破了眾多的技術(shù)壁壘，為密相輸送技術(shù)國產(chǎn)化做了經(jīng)驗(yàn)積累。

2.2 延長300KTA LDPE/EVA 氣力輸送項(xiàng)目

項(xiàng)目簡介：本項(xiàng)目是通過氣力輸送方式，把高壓管式法生產(chǎn)的LDPE 粒料、EVA 粒料輸送至脫氣倉；并通過改變脫氣流量、脫氣時間對脫氣倉中對不同牌號的產(chǎn)品進(jìn)行脫氣，當(dāng)脫氣效果達(dá)標(biāo)后，把脫氣倉中的物料輸送至包裝倉，進(jìn)行包裝；該項(xiàng)目利用了PLC和SPLC 控制方案，實(shí)現(xiàn)了由PLC 和SPLC 系統(tǒng)控制高壓工藝輸送的新方法。

項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)：流量變送器測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，同一直管段下的渦街流量變送器、畢托管流量變送器測量數(shù)據(jù)無法對應(yīng)；高壓工藝輸送系統(tǒng)首次使用PLC/SPLC 系統(tǒng)控制；導(dǎo)波雷達(dá)不便于維護(hù)，誤報頻繁。

項(xiàng)目解決方案：對渦街流量變送器進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，在流量變送器的表頭上設(shè)置為工況流量參數(shù)輸出，利用柏努利方程原理把工況下的流量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量；畢托管流量變送器表頭設(shè)置為差壓值參數(shù)的輸出，經(jīng)過溫差補(bǔ)償公式進(jìn)行溫度和壓力的補(bǔ)償；通過補(bǔ)償后的流量可以穩(wěn)定輸出，并且能相互對應(yīng)。高壓工藝輸送系統(tǒng)使用PLC/SPLC 系統(tǒng)控制，解決了以下問題：①使用PLC 的計(jì)數(shù)模塊FM350 代替速度轉(zhuǎn)化模塊KFD-UFC-EX 1.D，節(jié)省了機(jī)柜安裝空間，信號輸出準(zhǔn)確穩(wěn)定；②利用PLC 與SPLC 代替DCS 與SIS 對高壓工藝輸送進(jìn)行控制，系統(tǒng)間利用西門子獨(dú)有的S7 通訊，替代了DCS 與SIS 之間的硬線連接，在保證安全性的同時，保證信號往來穩(wěn)定不丟失，節(jié)省了巨額的硬件、軟件及安裝布線成本。利用高頻非接觸式雷達(dá)變送器代替導(dǎo)播雷達(dá)變送器，解決了由于物料掛壁產(chǎn)生的誤報問題，同時，高頻雷達(dá)對于低介電常數(shù)的物料反饋比低頻雷達(dá)溫度可靠，易于維護(hù)。

項(xiàng)目成效：該項(xiàng)目成功地運(yùn)用了PLC 和SPLC 對高壓工藝輸送控制，為高壓輸送的控制方式提供了一種新的解決途徑，并且解決了高壓氣力輸送過程中的眾多難題。

2.3 神馬100KTA PC 氣力輸送項(xiàng)目

項(xiàng)目簡介：本項(xiàng)目是通過氣力輸送方式，把由擠壓機(jī)生產(chǎn)出的PC 粒料輸送至摻混料倉，利用國產(chǎn)自主研發(fā)的ACU 密相技術(shù)把物料輸送至摻混料倉；物料摻混均勻后，再通過ACU 密相輸送，輸送至包裝料倉。

項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)：壓縮機(jī)站控制方案設(shè)計(jì)；國產(chǎn)ACU 密相輸送技術(shù)引用。

項(xiàng)目解決方案：通過以下方式設(shè)計(jì)壓縮機(jī)站方案：由于壓縮機(jī)冬天夏天的氣量是變化的，所以壓縮機(jī)站的設(shè)計(jì)需要考慮冬天的排氣量（氣量大，排不掉，容易憋壓停車）、夏天的需求量（氣量小，滿足不了數(shù)量氣量的要求）；啟動累計(jì)運(yùn)行時間最短的壓縮機(jī)，停止運(yùn)行周期時間周期最長時的壓縮機(jī)，均可以畫定壓縮機(jī)最長的停止運(yùn)行周期時間，保證了壓縮機(jī)可以長久、高性能連續(xù)地運(yùn)行；壓縮機(jī)增加維修狀態(tài)信號，便于壓縮機(jī)的檢維修，以及增加操作的便利性；調(diào)整壓縮機(jī)站出口氣罐的PID 調(diào)節(jié)的靈敏性，以便能靈敏的排除余量的氣體；調(diào)整各條輸送線之間的氣量需要，輸送狀態(tài)與空吹狀態(tài)之間的用氣量平衡。

該項(xiàng)目研究開發(fā)目的之一是針對ACU 是目前具有國內(nèi)首個完全的自主的知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)和設(shè)計(jì)開發(fā)的閥門成套控制設(shè)備，單獨(dú)或者批量地采購開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、流量變送器，通過自主研發(fā)的控制方案與邏輯，維持ACU 密相輸送的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)粒料密相輸送的國產(chǎn)化。

項(xiàng)目成效：該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了ACU 密相輸送技術(shù)的國產(chǎn)化，擺脫了需要國外技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)密相輸送的難題，同時，大幅降低了硬件軟件的成本，優(yōu)化了控制方案，使控制更簡潔。

3 PLC 控制方案

PLC 的總線邏輯控制方案是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般是用可編程邏輯控制可編程的總線控制器芯片模塊（PLC）來作為其總線控制器部分，包括完成整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制過程的輸入及輸出和人機(jī)界面，通常是需要通過在PLC 電路中相應(yīng)的控制輸入或輸出控制點(diǎn)、驅(qū)動的控制輸出按鈕和控制狀態(tài)指示燈按鈕等模塊來完成。為了有效、準(zhǔn)確地顯示整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)控制器采用模擬屏燈直接置于主控柜水平面上的運(yùn)行方式。指示燈應(yīng)用于直觀地指示系統(tǒng)主要部件的功能和運(yùn)行狀態(tài)信號。目前，輪胎工業(yè)中使用的大多數(shù)基本參數(shù)氣動控制系統(tǒng)都采用這種控制系統(tǒng)。

PLC 分布式控制模塊的設(shè)計(jì)方案不僅具有自身結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn)，而且具有各種分布式控制單元輸入控制器或輸出分布式控制單元模塊，可以通過直接總線和現(xiàn)場總線通信技術(shù)直接連接，省去了以往大量復(fù)雜的布線硬件和現(xiàn)場綜合布線（如圖1）?；旧峡梢酝耆珴M足當(dāng)今各種中小型工廠大規(guī)模生產(chǎn)中現(xiàn)代化管理應(yīng)用的需求。因此，它已被較為成熟、廣泛、有效和實(shí)用的現(xiàn)代生產(chǎn)管理行業(yè)所應(yīng)用。然而，隨著企業(yè)工廠建設(shè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，大規(guī)模生產(chǎn)控制自動化和管理控制自動化等，對現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝設(shè)備的要求也逐漸進(jìn)一步提高。PLC 作為整個生產(chǎn)過程中的輔助設(shè)備，其設(shè)計(jì)方法本身不可避免地會面臨一些技術(shù)上的劣勢和缺陷，這些劣勢和缺陷會逐漸暴露和展現(xiàn)出來。目前，PLC 控制方案系統(tǒng)本身還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場大批量生產(chǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動實(shí)時信息存儲、記錄查詢和自動實(shí)時數(shù)據(jù)顯示與記錄的功能，無法滿足用戶對復(fù)雜系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)實(shí)時、快速、深入分析處理能力的苛刻性能要求。

圖1 現(xiàn)場總線型控制系統(tǒng)

4 工控機(jī)控制方案

工控機(jī)控制方案是指利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為控制器來控制氣力輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。工控機(jī)通過在主板插槽上安裝數(shù)字或模擬輸入輸出板來采集現(xiàn)場信號。由于主板插槽的數(shù)量非常有限，輸入和輸出點(diǎn)相對較少，工控機(jī)只能用于中小型控制系統(tǒng)。另外，工控機(jī)的抗干擾能力很低。由于大多數(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)使用微軟Windows 操作系統(tǒng)，其運(yùn)行模式?jīng)Q定了其無故障工作時間與PLC 掃描模式之間的平均時間仍有很大差距。這也限制了工業(yè)計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，由于工業(yè)計(jì)算機(jī)通常使用Windows 操作系統(tǒng)，可用的軟件資源非常豐富。此外，工業(yè)計(jì)算機(jī)本身有一個大容量硬盤作為存儲設(shè)備和一個高分辨率顯示器作為顯示設(shè)備，這對于處理大量數(shù)據(jù)非常有用。這些特點(diǎn)決定了目前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在橡膠輪胎行業(yè)的氣力輸送控制系統(tǒng)中很少單獨(dú)使用，而更多用于實(shí)驗(yàn)室操作的氣力輸送控制系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

文章根據(jù)項(xiàng)目實(shí)例探討了氣力輸送控制系統(tǒng)的智能控制方法，實(shí)際上，后一個系統(tǒng)可能比上述模擬系統(tǒng)更復(fù)雜，它將配備許多其他輔助自動化設(shè)施，如換熱器、過濾器、手動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)給料機(jī)系統(tǒng)的氮?dú)夥创悼刂茊卧瓦^濾器控制系統(tǒng)等。筒倉位置和自動傳送路徑系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方法也可能相對復(fù)雜。筆者介紹的是氣動機(jī)械輸送與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)的最簡單可行的基本方法、技術(shù)和一般思路，以及近年來在實(shí)際工程項(xiàng)目中總結(jié)出來的一些實(shí)用技巧。希望對大家實(shí)際進(jìn)行工程液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)施有一些有效的學(xué)習(xí)、借鑒和實(shí)際幫助。