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化工涂料生產(chǎn)過(guò)程中 ,需要將多種溶劑按一定的比例、 質(zhì)量投入到的反應(yīng)釜中 ,目前普遍存在的手工操作方法是,從儲(chǔ)罐中取出溶劑 ,經(jīng)稱量后依次倒入反應(yīng)釜中。這種方法計(jì)量精度無(wú)保證,工作效率低, 且由于難以做到封閉式操作,工人長(zhǎng)時(shí)間處在溶劑揮發(fā)出的有害氣體氛圍中,危害健康 。條件較好的企業(yè)則利用電子秤實(shí)現(xiàn)了單個(gè)反應(yīng)釜的自動(dòng)灌注。對(duì)于一個(gè)較大規(guī)模的企業(yè)來(lái)說(shuō) ,擁有多個(gè)反應(yīng)釜 ,生產(chǎn)工藝需要使用多種溶劑,如果能對(duì)各個(gè)反應(yīng)釜及各種溶劑的投料順序進(jìn)行合理的在線編排( 調(diào)度) 、自動(dòng)定量灌注 ,則生產(chǎn)效率 、產(chǎn)品質(zhì)量必將大為提高。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了采用高精度流量計(jì)、 基于工控機(jī)和Windows 95操作系統(tǒng)的自動(dòng)配料調(diào)度控制系統(tǒng)( 以下簡(jiǎn)稱配料系統(tǒng)) 。

1 化工溶劑自動(dòng)配料調(diào)度控制原理

為了配合配料系統(tǒng)的實(shí)施 ,設(shè)計(jì)了溶劑輸送管網(wǎng)。生產(chǎn)用溶劑由儲(chǔ)罐區(qū)經(jīng)管道網(wǎng)直接進(jìn)入反應(yīng)釜 ,全程處于封閉狀態(tài)。該系統(tǒng)由 15 臺(tái)溶劑泵 、 15 臺(tái)流量計(jì)、8 個(gè)反應(yīng)釜及電磁閥陣列組成 ,見(jiàn)圖1。

1. 1計(jì)量

實(shí)現(xiàn)定量投料的關(guān)鍵技術(shù)是溶劑的計(jì)量方法( 工藝配方要求計(jì)量各種溶劑的質(zhì)量) ,目前一般有 3種方法: 質(zhì)量流量計(jì)法、稱重法、容積式流量計(jì)法。3 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn):

①質(zhì)量流量計(jì)可測(cè)得準(zhǔn)確的溶劑質(zhì)量數(shù)據(jù) ,但是價(jià)格昂貴 ,一個(gè)投料控制系統(tǒng)需要十多臺(tái),一般企業(yè)難以承受;

②稱重法有兩種方式: 其一是在每個(gè)反應(yīng)釜設(shè)置稱重儀 ,投資較少 , 測(cè)量的精度可以滿足要求 ,缺點(diǎn)是同一時(shí)刻只能往同一個(gè)釜中投加一種溶劑( 如果同時(shí)投入多種溶劑, 無(wú)法分辨各種溶劑的重量) , 延長(zhǎng)了每個(gè)反應(yīng)釜的投料時(shí)間 ,限制了生產(chǎn)效率的提高 。其二,對(duì)每一種溶劑進(jìn)行稱重, 然后再注入反應(yīng)釜中 ,這種裝置比較復(fù)雜 ,投資增大 。稱重法適用于單個(gè)反應(yīng)釜的生產(chǎn)場(chǎng)合 。

③采用高精度容積式流量計(jì)配合溫度補(bǔ)償裝置,測(cè)量精度可以滿足要求, 投資與稱重法相當(dāng), 僅是質(zhì)量流量計(jì)的 30%, 而且由于各種溶劑獨(dú)立計(jì)量, 同一時(shí)刻可以投加多種溶劑 ,生產(chǎn)效率大為提高。

配料系統(tǒng)采用了第 3種方法 。

生產(chǎn)工藝要求控制每一種溶劑的投加質(zhì)量 ,而流量計(jì)測(cè)量的是溶劑的體積流量, 應(yīng)將體積流量換算為質(zhì)量流量 。兩者的關(guān)系如公式( 1)
    

式中, W 為溶劑質(zhì)量流量, kg/h; Q 為溶劑體積流量,m³ /h ; ρ_s 為在標(biāo)定溫度下的密度 ,m³ /kg ; β 為溶劑的體膨脹系數(shù) ,1/ ℃; t 為溶劑的工作溫度 , ℃; t s 為標(biāo)定時(shí)溶劑溫度 , ℃。

根據(jù)式( 1) , 只要在溫度t s 下標(biāo)定每種溶劑的密度,生產(chǎn)時(shí)檢測(cè)溶劑的溫度就可將體積流量折算為質(zhì)量流量。實(shí)際工作中 ,由于溶劑進(jìn)廠時(shí)質(zhì)量有波動(dòng) ,單純按式( 1) 會(huì)帶來(lái)不確定的計(jì)量誤差 ,因此 , 自動(dòng)配料調(diào)度控制系統(tǒng)采用的是查表法, 即定期在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)溶劑密度進(jìn)行標(biāo)定, 將溶劑在不同溫度下的密度輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)檢測(cè)到流量信號(hào)、溶劑溫度后 ,查閱表格調(diào)出相應(yīng)的密度, 對(duì)體積流量進(jìn)行換算。

流量計(jì)將檢測(cè)到的流量以脈沖信號(hào)( 0. 1 L/每個(gè)脈沖) 輸入至計(jì)算機(jī)。監(jiān)控程序定時(shí)中斷以采集流量及溫度數(shù)據(jù),并作質(zhì)量流量換算,則溶劑的投加量

M =∑ ( V· ρ )               ( 2)

式中, M 為累計(jì)投加量, kg ; V 為中斷周期內(nèi)流量計(jì)讀數(shù),m³ ; ρ 為中斷周期內(nèi)溶劑平均密度 ,kg/m ³ 。

1. 2 　 優(yōu)化投料調(diào)度

涂料生產(chǎn)過(guò)程包括配料、反應(yīng) 、 包裝等工序。配料系統(tǒng)中多個(gè)反應(yīng)釜共用 15臺(tái)溶劑泵進(jìn)行配料, 所有反應(yīng)釜的產(chǎn)品由一條包裝線包裝 。各個(gè)反應(yīng)釜的每次投料量不同 ,產(chǎn)品的包裝形式也隨著批次在變動(dòng) ,故占用的時(shí)間也不同, 如果能對(duì)各種溶劑的投料順序進(jìn)行合理的編排調(diào)度, 可以減少設(shè)備的空等時(shí)間,則生產(chǎn)效率必將大為提高。投料順序的編排將根據(jù)投料時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、 包裝時(shí)間決定。

①投料時(shí)間 。投料時(shí)間指所有泵機(jī)在專門為一個(gè)反應(yīng)釜服務(wù)的情況下 , 完成該反應(yīng)釜溶劑投料所需的時(shí)間。

②反應(yīng)時(shí)間 。在本應(yīng)用中, 各個(gè)反應(yīng)釜所需反應(yīng)時(shí)間基本恒定, 故將它歸并到投料時(shí)間中。

③包裝時(shí)間 。包裝時(shí)間指包裝設(shè)備在專門為一個(gè)反應(yīng)釜服務(wù)的情況下 , 將該反應(yīng)釜物料包裝完畢所需的時(shí)間 。

各種溶劑在生產(chǎn)過(guò)程中各自的流量基本穩(wěn)定, 故可以根據(jù)投加的數(shù)量推算其所需的投料時(shí)間 ,根據(jù)包裝的規(guī)格推算其所需的包裝時(shí)間 。按釜為單位, 設(shè) t ₁ ( i) 為第 i 號(hào)反應(yīng)釜所需投料時(shí)間, t ₂ ( i) 為第 i 號(hào)反應(yīng)釜的產(chǎn)品所需包裝時(shí)間。

設(shè)第 i 號(hào)反應(yīng)釜( i =1, 2, 3, …, 8) 投加 j種溶劑( j =1, 2, 3, …, 15) 的量為 M _ij , 流量為Q ,密度為 ρ ,投料時(shí)間為 t( i , j) ,則

各種溶劑的投加量多少有別、時(shí)間長(zhǎng)短不一, i 號(hào)反應(yīng)釜所需投料時(shí)間 t ₁ ( i) 取決于該反應(yīng)釜投加量zui大的一種溶劑 ,即 t( i , j) 中的zui大值 。

i 號(hào)反應(yīng)釜所需包裝時(shí)間

式中 ,K 為流量系數(shù); M 為反應(yīng)釜中物料質(zhì)量; m 為每個(gè)包裝桶容量; N 為灌裝口個(gè)數(shù) 。

由此可見(jiàn), 優(yōu)化投料調(diào)度的目標(biāo)就是安排每一種溶劑往 8 個(gè)反應(yīng)釜中投料的順序, 使得能以zui短的時(shí)間完成一批生產(chǎn)任務(wù) 。( 在此我們?cè)O(shè)定 : 一項(xiàng)投料或包裝任務(wù)完成以前不允許中斷而處理其他的投料 、 包裝任務(wù) 。 ) 這樣,面對(duì)的就是流水作業(yè)調(diào)度問(wèn)題( 非優(yōu)先調(diào)度) , 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題, 存在一個(gè)尋優(yōu)算法 :

①對(duì)1≤i ≤ 8, 令 m i = min{ t ₁ ( i) , t ₂ ( i) } ;

②將 m ₁ , m ₂ , …,m ₈ 排成非遞減序 ;

③依次從 m i 序列中找出zui小的元素m , 如果 m i=t 1 ( i) ,則將 i 排在投料順序的zui左空位, 如果 m _i =t ₂ ( i) , 則將 i 排在投料順序的zui右空位 ;

④剔除 i 對(duì)應(yīng)的t 1 ( i) 及 t 2 ( i) ;

⑤重復(fù)步驟③;

⑥輸出投料排序隊(duì)列。

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃用時(shí), 可給出優(yōu)化后的投料隊(duì)列 ,見(jiàn)表1 。

2 　 配料系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)

鑒于配料系統(tǒng) I/O 點(diǎn)多且互相之間有聯(lián)鎖關(guān)系,因此用工控機(jī)直接控制, 操作系統(tǒng)選擇 Windows 95。

配料系統(tǒng)原理見(jiàn)圖 2,硬件部分由流量計(jì) 、脈沖變送器 、 光電隔離器、 計(jì)數(shù)器 、 溫度變送器 、 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字量輸出控制器、繼電器等組成 ; 軟件部分由圖形操作臺(tái)程序( 提供人機(jī)界面、數(shù)據(jù)記錄) 、監(jiān)控程序( 流量檢測(cè)、I/O 控制) 、 數(shù)據(jù)管理( 統(tǒng)計(jì)、查詢) 、數(shù)據(jù)通信等模塊組成 。其中數(shù)據(jù)通信功能為溶劑庫(kù)區(qū)掌握原料消耗情況而設(shè)。在此簡(jiǎn)要介紹操作臺(tái)程序 、 監(jiān)控程序。

2. 1 　 操作臺(tái)程序

操作臺(tái)程序提供了圖形化人機(jī)界面( 圖略) ,在此,操作員為各個(gè)反應(yīng)釜設(shè)定生產(chǎn)配方 、 包裝規(guī)格 ,可預(yù)設(shè)120 項(xiàng)溶劑投料任務(wù)( 15 項(xiàng)/釜 × 8 釜) 。程序應(yīng)對(duì)每個(gè)反應(yīng)釜的總投料量與其容積進(jìn)行校驗(yàn), 防止誤操作。經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算, 為 15 種溶劑各自設(shè)定了一個(gè)投料的順序,并儲(chǔ)存在 15 個(gè)環(huán)形隊(duì)列結(jié)構(gòu)中 :

Q _n ( i , M , m) : n =1, 2, 3, …, 15 為溶劑泵編號(hào) ; i =1,2,3 , …, 8 為反應(yīng)釜編號(hào); M 為投料目標(biāo)值 ; m 為當(dāng)前累計(jì)已投料值。

在每一項(xiàng)任務(wù)前設(shè)有一個(gè)標(biāo)志顯示該項(xiàng)投料任務(wù)在相應(yīng)溶劑種類中的次序以便于監(jiān)視, 操作員下達(dá)開(kāi)始投料的指令后 ,操作臺(tái)程序便將記錄著15 種溶劑投料順序的 15個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控程序。

2. 2 　 監(jiān)控程序

監(jiān)控程序處理流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè) 、流量的溫度補(bǔ)償 、 電磁閥開(kāi)關(guān)、 泵機(jī)的啟動(dòng)/停止。

流量計(jì)輸出的是脈沖信號(hào), 流量的準(zhǔn)確檢測(cè)是涉及本系統(tǒng)控制精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。盡管Windows 95 具有搶先式多任務(wù)的特點(diǎn) ,任務(wù)之間的切換足夠快 ,如果由軟件輪詢的方法讀取流量計(jì)脈沖, 系統(tǒng)開(kāi)銷大 ,而且仍然可能丟失脈沖 ,影響精度。本系統(tǒng)使用 8254 芯片對(duì)流量計(jì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ,再由監(jiān)控程序定時(shí)從 8254的寄存器中讀出,解決流量的檢測(cè)問(wèn)題 。因此,監(jiān)控程序是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵 ,為了保證在的時(shí)間間隔內(nèi)都能得到執(zhí)行, 將其設(shè)計(jì)為硬件中斷處理程序 。利用8254定時(shí)器產(chǎn)生硬件中斷 ,編寫相應(yīng)的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序( VxD) 掛鉤該中斷 。操作臺(tái)程序與監(jiān)控程序通過(guò)調(diào)用API 函數(shù) DeviceIoControl( ) 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ,涉及的數(shù)據(jù)就是投料隊(duì)列 Qn( i ,M , m) 。

監(jiān)控程序還應(yīng)對(duì)一些生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理 ,避免影響生產(chǎn) 。這些情況是 :

①電磁閥不能正常打開(kāi) 。如出現(xiàn)這種異常, 發(fā)出泵機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到流量信號(hào)。

②泵機(jī)一端的止回閥不能正常關(guān)閉或密封損壞。如出現(xiàn)這種異常 ,停泵后一段時(shí)間內(nèi)仍有流量信號(hào)( 正向或反向流量信號(hào), 取決于脈沖發(fā)生器型號(hào)) 。

3 　 系統(tǒng)運(yùn)行狀況及結(jié)論

化工溶劑自動(dòng)配料調(diào)度控制系統(tǒng)已在一化工涂料廠應(yīng)用于油墨、油漆稀釋劑的生產(chǎn), 有 8 個(gè)反應(yīng)釜; 溶劑一般流量為 150 L/min ; 流量計(jì)采用 Liquid Control 公司的產(chǎn)品: 分辨率為 0. 1 L、100∶ 1 的流量范圍內(nèi)重復(fù)測(cè)定誤差 0. 05%。應(yīng)用此控制系統(tǒng)一年多的時(shí)間證明,投料精度可達(dá) 0. 5%; 生產(chǎn)效率大幅度提高, 單班年產(chǎn)超過(guò) 10 000 t ; 由于溶劑全程處于封閉狀態(tài) ,操作人員*脫離有害氣體, 工作環(huán)境*改善; 采用圖形用戶界面使培訓(xùn)時(shí)間大為縮短, *未使用過(guò)計(jì)算機(jī)的投料操作員, 只需經(jīng)過(guò) 1 h 的培訓(xùn)即可承擔(dān)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)。

值得一提的是, 配料系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用于化工廠的溶劑原料的自動(dòng)化集中管理 。

參考文獻(xiàn)

1　 曹新譜編著. 算法設(shè)計(jì)與分析. 湖南: 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1984

{C}2           {C}程賀編著. 流量測(cè)量及補(bǔ)償. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1995

作者簡(jiǎn)介: 饒朝學(xué) , 男, 37 歲, 工程師, 從事工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)、儀器儀表應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

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