高峰 （1966-）

    男，浙江建德人，工程師，學士學位，研究方向為自動化，現就職于杭州格林香料化學有限公司。





    摘  要：本文以和利時公司HOLLiAS_MACS_DCS系統在精細化工間歇式批量生產項目中的成功應用為背景，介紹了作者如何應用HOLLiAS MACS DCS系統的硬件平臺和組態工具，開發出了一套適用于在精細化工設備上進行間歇式批量控制的軟件。生產實際應用表明：此套批量控制軟件投運后，軟件功能滿足間歇式批量生產過程的控制要求。

    關鍵詞：精細化工；間歇式批量控制；HOLLiAS_MACS_DCS；組態工具；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

    精細化工因為工藝的特殊要求，經常需要進行間歇式生產，由于其工藝過程復雜、繁瑣、原料品種多、而且過程控制參數也千差萬別，因此在實際生產中對DCS系統要求非常高，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批量控制標準。而國內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DCS廠家不敢涉及的方面。因此，在國產DCS系統上成功地開發出一套符合精細化工間歇式控制特點的批量控制軟件包就變得非常重要。

    和利時公司的HOLLiAS_MACS集散控制系統是基于開放的現場總線Profibus DP標準的第四代DCS系統，可以無逢連接PA儀表、帶DP通訊口的稱重儀表及變頻器，大大提高了精細化工行業的測控精度；而控制器具備多控制周期（100ms、250ms、500ms、1s等）功能，可以按精細化工工藝要求設置多種任務，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字化系統，應用于精細化工的生產上就可以充分發揮它在控制精度、實時、高效；系統安全、穩定、可靠各方面上所具有的強大優勢；HOLLiAS MACS系統也提供在線無擾增量下裝功能和離線仿真調試環境，仿真調試可以在仿真模式下程序可脫離控制器單獨運行模擬現場運行情況，用戶可以在非現場環境中就能對程序代碼進行調試，檢查其是否滿足要求，減少實際生產時的修改量，保證系統穩定運行。因為有了和利時公司的HOLLiAS_MACS_DCS強大的系統平臺作保證、特別是在線無擾增量下裝和離線仿真調試功能，才能保證作者能成功地開發出符合精細化工間歇式控制特點的批量控制軟件包。

    2 控制特點

    2.1 品種的多樣性

    在同一個設備里，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過程中的控制參數值和控制步驟，來改變其生產特性，以達到生產不同產品的目地。

    2.2 不同的反應時間和反應條件，所選擇的批量配方不同

    批量配方管理數據庫中有不同的反應時間和反應條件，從而使生產設備根據選擇的條件進行生產，達到生產不同品種的目的。

    2.3 生產過程操作勞動強度大和復雜性強

    操作勞動強度和復雜性都較大的一個生產過程,從配料到結束，其時間有時達24小時左右；如果完全靠現場操作，則操作人員的勞動強度非常大，操作也太復雜，容易造成操作失誤等；如果在DCS界面手動操作，則操作人員忙于進行畫面切換、操作設備的切換，容易產生疲勞后導致操作失誤或失控，甚至于造成嚴重的生產安全事故。

    由于精細化工生產裝置中存在的這些特殊性和危險性，對DCS自動控制系統的性能和要求提出了更高的標準；如何實現整個車間設備全自動生產：包括復雜多批量配方管理、溫度和壓力的精確控制等全自動的實現，對國產DCS系統的可靠性、靈活性、軟件編程語言、具體如何實施等方面是一個嚴峻的考驗，也是一次質的提升。

    本文通過使用和利時公司HOLLiAS_MACS集散控制系統多年的經驗和對某精細化工生產工藝的反復深入研究，對整個生產過程進行了全面的分析和解剖，以工藝為軸線，進而提煉、把握其控制的關鍵點。使筆者最終設計與開發出了一套適用于在精細化工設備上進行間歇式批量控制的軟件并對生產過程中的溫度和壓力進行平穩控制。

    3 間歇式批量控制軟件和控制方案的設計思路及在編程語言上的實現

    3.1 間歇式批量控制軟件設計思路

    為了體現間歇式批量控制軟件在單個生產裝置上具有生產多品種產品的生產工藝特點和現場控制要求這一特性，通過HOLLIAS-MAC系統的人機界面軟件（FacView）設計了一整套批量控制程序，將系統要求完成的配方名表單（包括品名、進料單體名稱、進料量、相關控制參數）、工藝執行順序表單和人機交互信息表單這三個表單文件保存為DBF數據庫格式，操作人員可通過在畫面上選擇相應的配方名（品名），實現對數據庫表單相應參數的顯示、修改、下裝等功能，達到自動實現批量控制的目地。

    配方名表單，包括：品名、原料、工藝參數等相關數據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，操作人員根據現場不同的實際生產情況，并在相應權限的許可下，可以進行各種參數的調整，滿足生產控制對間歇式批量控制的要求；實時監視批量控制程序對品名的選擇、工藝過程各參數的選擇及其修改等；配方名表單操作人機界面如圖1所示。

              

                            圖1   配方名表單操作人機界面

    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該體現數據量大、鏈接性好、容易查找等特點。采用DBF數據庫格式來保存數據，不僅能實現大量數據的保存，更能直觀地記錄各品名、工藝過程參數的數值；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

    工藝執行順序表單（步），包括：根據具體的工藝步驟要求而排列的動作先后執行次序等相關數據的修改及其保存的方式；工藝執行順序表單（步）的修改、選擇、運行到下一步、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，操作人員根據現場不同的實際生產情況，并在相應權限的許可下，可以進行各種步的調整，例如：自動運行到下一步、掛起步、向前跳步、向后跳步、激活步、放棄步等，以滿足生產過程中靈活調整工藝流程的要求；工藝執行順序表單操作人機界面如圖3所示。

               
 
                        圖3   工藝執行順序表單人機操作界面

    工藝執行順序表單（步）的存儲方式：人機交互信息表單（步）的保存方式應該體現數據量大、鏈接性好、容易查找等特點。采用DBF數據庫格式來保存數據，不僅能實現大量數據的保存，更能直觀地記錄自動運行到下一步、掛起步、向前跳步、向后跳步、激活步、放棄步等步驟的執行情況；底層管理表單如圖4所示。

              

                           圖4   工藝執行順序表單底層管理表單

    人機交互信息表單，包括：具體動作執行時的相關信息的修改及其保存的方式；人機交互信息表單的具體動作執行時的操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據現場不同的實際生產情況，并在相應權限的許可下，可以根據人機界面的操作員當前提示信息進行操作，人機交互信息表單的人機操作界面如圖5所示。

               

                          圖5   人機交互信息表單人機操作界面

    人機交互信息表單的存儲方式：人機交互信息表單的保存方式應該體現數據量大、鏈接性好、容易查找等特點。采用DBF數據庫格式來保存數據，不僅能實現大量數據的保存，更能直觀地記錄當前步驟的具體執行情況；底層管理表單如圖6所示。

                

                         圖6   人機交互信息表單底層管理表單

    3.2 控制方案思路

    精細化工間歇式批量生產項目的工藝特點決定了其控制方案的復雜性，貫穿整個生產過程的關鍵點是對溫度和壓力穩定度的要求，要盡量避免溫度和壓力的忽高忽低或出現短暫的失控現象。從工藝情況分析，分成三個階段：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放熱升溫階段、保壓階段；③滴加完畢后的保溫階段；這三個階段的溫度和壓力穩定性控制的好壞，直接影響到產品的品質和產出率。下面我們分別從這三個階段來討論控制方案的異同點和對生產帶來的效果。

     3.2.1 程序升溫控制

    根據選擇的配方名表單（品名）下裝完成并加完原料后，緊接著就是程序升溫、拉真空。在規定的時間內，把溫度升至設定的溫度點、并把壓力降低到設定的真空值，為了防止出現超溫或壓力波動，設定溫度的升溫曲線和壓力的下降曲線尤為重要，考慮到釜內存在慣性和滯后的問題，設定的曲線應該先快后慢，即先快速升溫和拉真空降壓一段時間，然后放慢速度升溫和降壓，直至溫度和壓力接近物料反應點的溫度和真空度，這種平緩靠近反應溫度和真空度的做法，使超溫或壓力波動等問題得以解決。為了防止因為反應點的變化，產生突然反應的情況，此時在釜的外盤管已經進行冷熱水的切換，并通入了適當的冷卻循環水防止超溫。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

    當溫度達到反應溫度且釜內壓力保持穩定時，判斷反應是否發生的依據是：溫度快速上升，且其斜率曲線較陡；具體則以連續的3個變化率數值來判斷，即在連續5個周期（每個周期為0.5s）內取一個變化率值，我們連續觀測3個變化率值，如果這個值大于一個定值（此定值由經驗所得的最小值），則可以判斷已經發生反應；接下來就是迅速把循環冷卻水調節閥開至100%，再通過PID根據該品種配方名表單設定的溫度值進行自動調節。根據管徑大小及所設定的滴加完畢的時間進行初始滴加調節閥門開度的換算，即在開始滴加的時候其閥門的開度，這樣物料的加入速度在開始就能控制得比較平穩，在此基礎上進行滴加調節、控制，確保整個過程都能按照設定量滴加。滴加主要是控制計量槽內物料重量的下降速率與計算所得的下降速率，調節其閥門的大小，滴加的平穩性好（平穩勻速滴加），其釜內的溫度控制也比較平穩，如果滴加出現大幅整蕩，釜內的溫度也難以控制，且不易穩定。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

    滴加結束接下來進行保溫控制，在設定的時間內保持溫度的穩定，要求釜內溫度與設定溫度基本一致，其誤差為±1℃，溫度的設定值由配方數據表單一起管理，其值隨著配方的不同而相互不一致。為了達到工藝的精確控制要求，我們采用了多參數動態監控的方案來實現溫度的控制。

    釜內溫度具有滯后、積聚的特點，當溫度出現上升或下降時，如果我們采用常規PID回路來調節，超調或遲緩往往經常發生，致使溫度難于調節，無法滿足工藝的要求。經過不斷的實踐摸索發現，當溫度無論是正向偏離設定值還是負向偏離設定值，只要出現變化的趨勢，調節閥必須馬上跟著動作，調節冷卻循環水的大小，以適應這種變化，防止溫度隨著正向偏離越來越多產生積聚效應，使反應急劇放量增快，越往后越難以控制，即使把冷卻循環水控制閥開足100%也壓制不住這種積聚反應，嚴重的將造成釜內物料溢出，甚至爆炸等；同時，如果溫度負向偏離的時候，冷卻循環水控制調節偏慢或調節幅度偏大，將使反應釜溫度負向偏離越來越多，最后反應釜因為溫度過低，達不到反應的溫度，使反應變慢或停止反應，這樣將造成產出量低，反應不完全，品質不能滿足要求。

    通過對工藝的分析和實際生產的情況來看，我們把釜內溫度分為六個階段：

     ·釜溫度高于設定值+0.5，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度高于設定值+0.5，溫度處在下降階段；

     ·釜溫度低于設定值-0.5，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度低于設定值-0.5，溫度處在下降階段；

     ·釜溫度處在設定值的±0.5范圍之內，溫度處在上升階段；

     ·釜溫度處在設定值的±0.5范圍之內，溫度處在下降階段。

    在這個控制過程中，采用了釜內溫度的變化率來控制冷卻循環水的大小，以冷卻循環水的溫度作為參考指標，這樣，只要反應釜溫度產生正向或負向偏離，冷卻循環水控制閥就開大或開小，開度變化的大小根據釜內溫度的變化率、反應釜的實際溫度、冷卻循環水的溫度三個參數量動態監測、運算，實現自動尋找對應的閥門開度值。這種動態模型的建立實現了反應釜溫度控制穩定的第一步，緊接著在調試過程，摸索各種實際工況的參數，在生產過程中的總結各種經驗值都是至關重要的，在筆者不斷的總結和探索下，最終實現了溫度的平穩控制，滿足了生產的精確控制要求。如圖9所示。

             

                                圖9   釜內溫度實際曲線

    多參數動態監控模式的自動控制是否能夠順利投入運行，關鍵在于自動程序是否緊跟現場實際需要，是否很好地理解了其生產工藝特點；如果工藝控制條件的隨意性大，將給編程增加很大的難度，也給經驗參數的摸索帶來一定的困難；經過現場兩年的運行證明，其編程思路是可靠的，其控制方案是可行的；多參數動態監控模式的投入大大降低了操作工人的勞動強度，產品穩定性也得到了很大的提高。

    3.3 控制方案的編程語言的實現

    下位機控制器的編程采用符合IEC61131-3可編程控制器編程語言標準的ST、LD、FBD、SFC四種編程語言，通過自由組合方式混合編制實現，再通過編譯、下裝到現場控制站中的控制器中去執行，從而達到精細化工間歇式批量生產工藝所需要的控制要求。上位機的SCADA人機交互界面程序則根據操作員實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制代碼后和配方名表單、工藝執行順序表單、人機交互信息表單等DBF數據庫一起在Windows Server 2008 系統的配方服務器上運行。上下位機通過預先定義的全局變量實時地進行數據交換、傳遞和校驗，保證上下位程序能夠同步執行。下位機控制器編程語言環境的典型示例如圖10所示。

             

                          圖10   下位機控制器編程語言環境

    而上位機的SCADA人機交互界面程序的編程語言環境典型示例如圖11所示。

             

                  圖11   上位機的SCADA人機交互界面程序的編程語言環境

    4 結語

    精細化工間歇式批量生產的全自動控制由于受工藝、設備、編程方式等多方面的因素制約，一直是自動控制系統的難點；國外大多數DCS廠家都是單獨開發相應的批量控制軟件包，并且單獨計算費用；HOLLIAS-MAC_DCS系統在精細化工間歇式批量生產項目中的成功應用，利用其自身具有的靈活性和可靠性，達到了自動控制的要求，為企業節約了時間，避免了額外費用的開支；該項目的成功運行為其他間歇式生產提供了可行的編程思路，HOLLIAS-MAC_DCS系統為間歇生產工藝提供了可靠、靈活的硬件和編程軟件。

    參考文獻：

    [1] 王常力，廖道文. 集散控制系統設計與應用[M]. 北京: 清華大學出版社，1993.

    [2] 王常力，羅安. 分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M]. 北京: 電子工業出版社，2004.

    [3] 何衍慶，黎冰，黃海燕. 可編程控制器編程語言及應用[M]. 北京: 電子工業出版社，2006.

    [4] ISA S88批量管理標準.


                                                      ——轉自《自動化博覽》