甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計研究

鄭紅燕

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

作為汽車用燃料，甲醇汽油不僅價格低廉且清潔環(huán)保，基于甲醇、汽油、添加劑三者混合制備生成，符合國際汽油性能指標，在具體實際應用時也非常方便，可在很大程度上避免汽車裝置改動，經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性較為突出，具備顯著的節(jié)能降耗特性[1]。就我國來講，甲醇汽油發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，而且也具備一定的生產(chǎn)優(yōu)勢。這是因為我國是煤炭產(chǎn)量大國，隨著甲醇生產(chǎn)工藝逐漸得以改進與優(yōu)化，以高硫煤和煤矸石等為原料都可制備出甲醇，也進一步實現(xiàn)了大量工業(yè)垃圾的回收循環(huán)利用，從而有效降低了甲醇汽油成本，甲醇汽油作為新能源具有良好的市場發(fā)展前景[2]。而在能源危機日益突出的情勢下，探尋清潔、可再生能源便成了當前多數(shù)國家最為重視的新能源課題，此時甲醇汽油便以其獨特優(yōu)勢深受新能源行業(yè)青睞。據(jù)此，本文根據(jù)實際情況設(shè)計了甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

1 自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 生產(chǎn)工藝

制備具體方式即根據(jù)配比把甲醇、汽油、添加等所有所需原料科學合理配比，放置于混合儲物罐中，以常溫常壓狀態(tài)進行均勻拌合，并靜置反應2 d，便可制成甲醇汽油新能源。甲醇汽油新能源生產(chǎn)工藝流程[3]如圖1所示。其中，配料是整個過程的核心環(huán)節(jié)，也是本文研究的側(cè)重點。

圖1 甲醇汽油生產(chǎn)工藝流程

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在自動化產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新的趨勢下，集成自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)也愈發(fā)復雜化。而控制系統(tǒng)所需考慮的首要條件便是滿足功能性要求，需集成多種設(shè)備，并充分考慮設(shè)計、實施、測試時間以及后續(xù)運行維護。同時還需就生產(chǎn)優(yōu)化逐步擴展系統(tǒng)，對此需要進行自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計。且在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化要求提高的趨勢下，各式各樣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不斷衍生，促使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益優(yōu)化健全[4]。

作為工業(yè)應用開發(fā)的應用層協(xié)議，CIP(通用工業(yè)協(xié)議)不僅功能強大，且靈活性、實時性、可靠性與可重復性良好。利用CIP定義下層協(xié)議以生成對應網(wǎng)絡(luò)，面向各網(wǎng)絡(luò)建設(shè)自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的不同層次，其各層信息具體見表1。

表1 各層信息

信息層的主要作用是為系統(tǒng)提供車間級相關(guān)數(shù)據(jù)信息，確保管理層計算機基于以太網(wǎng)加以訪問，從而整合并監(jiān)控整個控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)；控制層負責提供于PLC間、PLC與智能控制設(shè)備可以通過個性化方式，促使系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互，控制協(xié)調(diào)，遠程在線配置等相關(guān)功能；設(shè)備層則將分布比較寬泛的底層設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相對接，以此獲取更高配置，并順利采集設(shè)備狀態(tài)，既便捷又靈活。

基于PLC在甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的響應功能，可將系統(tǒng)整體劃分為集中控制與分散控制2種系統(tǒng)。其中集中控制系統(tǒng)即分層級星形系統(tǒng)，集中系統(tǒng)[5]所有控制于同一處理器內(nèi)進行處理分析，具體如圖2所示。

圖2 集中控制系統(tǒng)

而分散控制系統(tǒng)[6]即分散布置系統(tǒng)控制和管理功能在多處理器中，分別進行處理分析。分散控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分散控制系統(tǒng)

甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)以集中控制方式為載體，集中全部控制于同一PLC內(nèi)。由于閥門、變頻器、調(diào)節(jié)閥、繼電器等受控制對象繁雜，硬件接線過于復雜，且容易出錯，維護與查錯難度較大，而且需針對6個調(diào)節(jié)閥輸入并輸出模擬量控制信號，應注意避免信號傳輸受干擾。因此，系統(tǒng)主要通過設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將受控制設(shè)備直接掛載于設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，以便于管理層迅速及時充分掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，以對接生產(chǎn)控制系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]如圖4所示。

圖4 甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 配料

高效且高精配料是甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而自動配料是精細化工生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其與甲醇汽油的最終質(zhì)量密切關(guān)聯(lián)。在確保高精配料的基礎(chǔ)上，還需促使自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)高效生產(chǎn)，而配料的精確度和效率彼此關(guān)聯(lián)且相互限制，這就要求在工藝與控制方式等角度著手，促使配料工序?qū)崿F(xiàn)高精、高效。

配料方式主要分為靜態(tài)與動態(tài)2種，其中靜態(tài)方式比較適合不要求連續(xù)配料的現(xiàn)場，對于時間的相關(guān)要求并不嚴格，是基于既定批次進行配料，各批次間可留有時間間隔；動態(tài)方式則適合要求連續(xù)配料的現(xiàn)場，對于配料連續(xù)性要求比較高，且各批次之間不允許中止或者間隔。就原理上來講，配料工序主要包含以體積為載體與以質(zhì)量為載體2種方式。以質(zhì)量為載體的配料方式可實現(xiàn)較高精確度。

甲醇汽油原料均為液態(tài)，既有液體配料工序通常選擇以體積為載體的流量控制方式，即將原料質(zhì)量配比轉(zhuǎn)換為體積配比，以管道內(nèi)原料流量控制為基礎(chǔ)持續(xù)配料，可實現(xiàn)高精確度、高效率配料。但是此方式的不足在于，通過流量控制時需進行配比轉(zhuǎn)換，容易出現(xiàn)偏差，而且液體原料密度易受溫度影響，不同原料所受影響各不相一，進而則會直接影響配料精確度。因此，甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)采取靜態(tài)稱重配料方式，根據(jù)既定批次進行原料提取、配料。盡管此方案以批次為基礎(chǔ)，中間存在一定的時間間隔，但是可以加快供料與排料速度、實現(xiàn)生產(chǎn)效率提升。

1.2.2 稱重

甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)采取以質(zhì)量為基礎(chǔ)的靜態(tài)稱重配料方式，主要分為增量法和減量法。以增量法進行稱重配料，在停止供料時，便會有定量原料已輸出供料設(shè)備并在下落，此原料會進入稱重罐，以導致質(zhì)量增多，增多的部分質(zhì)量被稱之為落差量。以增量法進行稱重配料，應最大限度度地縮小落差量，以保障配料精確度。如果供料速度快或者物料密度大，物料會沖擊稱重設(shè)備。若是物料具有黏附性，則極易導致物料點黏附于裝置，使得實際轉(zhuǎn)移物料與設(shè)定值之間存在偏差。

通過減量法進行物料傳輸，全部物料質(zhì)量均會進入生產(chǎn)設(shè)備，所以具有黏附性的物料可采用減量法。而利用增量法，可就各批次物料質(zhì)量選用合適設(shè)備，并靜態(tài)稱量結(jié)果。然而通過減量法，原料裝置內(nèi)儲存大量原料，需以大量程稱重設(shè)備，這樣一來，在配料過程中原料質(zhì)量不斷降低，會出現(xiàn)用量程過大的稱重設(shè)備進行小質(zhì)量稱量，很容易造成誤差。

稱重配料方式具體為單稱單料、單稱多料[8]。其次單稱多料就是針對多種原料配備一臺稱重裝置，根據(jù)既定順序進行稱重配料。

甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的原料黏附性比較小，各個批次原料用量過大。因此，選擇增量法進行稱重配料。而且甲醇與汽油用量大的原料選擇單稱單料方式，添加劑則選用單稱多料方式，以切實有效節(jié)約成本。雖然單稱多料速度較慢，然而添加劑比重較小，所以也不會過多影響配料效率。

1.2.3 供料

供料方式即把原料由存儲罐面向稱重配料罐進行供料所采取的方式。而供料方式的選擇需以物料形狀和速度要求為基礎(chǔ)，其中固體干料可選用螺旋給料設(shè)備和震動給料設(shè)備，液體物料則選用以泵給料。配料過程中，供料速度的可調(diào)性是整體性能的關(guān)鍵性指標。

甲醇汽油原料都是液體物料，配料時，可選用油泵供料方式，或把原料設(shè)備放置于高位，以自流出料，2種方式對于速度的要求都很高，需要高精確控制?；谟捅眠M行供料，需通過配置變頻器以控制供料速度。自流出料則可通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)并控制速度。以上2種方式的差異在于可實現(xiàn)的最大配料速度不同，油泵變頻器控制可實現(xiàn)高速度，但是以調(diào)節(jié)閥控制可實現(xiàn)的速度相對有限。不過油泵變頻控制成本相對較高，在實際生產(chǎn)過程中，選擇供料方式需以具體需求為依據(jù)。

甲醇汽油新能源原料主要為甲醇、汽油、添加劑，其中甲醇所占比例較大，而添加劑只占據(jù)少量比例。所以，在配料效率不受影響的基礎(chǔ)上，在節(jié)約成本的角度，甲醇和汽油選擇油泵變頻控制的方式供料，添加劑則選用自流出料方式供料，利用調(diào)節(jié)閥控制速度。甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)配料方案[9]具體見表2。

表2 甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)配料方案

2 自動化生產(chǎn)控制算法

原料稱重配料是甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心階段，其精確度是保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提。

2.1 稱重過程

甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)稱重配料時，物料沖擊、過沖量、落差量等會對稱重精確度造成直接影響，物料沖擊影響最小，而過沖量和落差量的影響相對偏大。利用油泵供料時，油泵停止運行之后，受慣性作用，依舊會有少量原料進入稱重裝置中，使得稱重值持續(xù)變大，此超出量便是過沖量。

甲醇與汽油通過油泵面向稱重罐內(nèi)供料，高速供料時，稱體所承受的沖擊比較大，尤其是稱重初始環(huán)節(jié)，液體會對罐底造成直接性沖擊。在稱重罐內(nèi)液體達到既定高度時，便會有效緩沖沖擊力，此時所承受的沖擊隨之變小。結(jié)束時，選擇低速供料，稱重裝置承受的沖擊會相對偏小。但是配料結(jié)束之后，由于速度慢沖擊小，和過沖量、落差量造成的影響相融合，便會導致稱重結(jié)果相對偏大。

2.2 超量預估算法

若可以提前獲取稱重超量值，那么質(zhì)量和設(shè)定值的差值與超量值相同時，油泵停止運行，便可實現(xiàn)稱重值與設(shè)定值相同。然而超量屬于滯后隨機量，無法提前獲取精確值。但是在甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，超量應嚴格控制在規(guī)定范圍，可根據(jù)前批次超量值對后批次超量值加以預估。質(zhì)量變化具體如圖5所示。圖5中，W1為快速供料轉(zhuǎn)換成慢速供料時配料的具體質(zhì)量；W2為油泵停機時配料的具體質(zhì)量；W0為質(zhì)量最終值，理想狀況下最終值與設(shè)定值Wf相等；ΔW為超量預估值，油泵停機點質(zhì)量為W2=Wf-ΔW，取決于超量預估值，最終偏差為Δm=Wf-W0。

圖5 質(zhì)量變化示意

其中，t0～t1時間段，油泵快速供料，縮短配料時間，短時間內(nèi)配料可達到設(shè)定值大約80%；t1～t2時間段，油泵慢速供料，通過適度降低物料沖擊、過沖量、落差量，減小超量值；t2～t3，油泵停機之后，質(zhì)量持續(xù)增加，即超量階段。

快速轉(zhuǎn)換到慢速的轉(zhuǎn)折點重力是由慢速所決定的，與設(shè)定值無關(guān)，而等于設(shè)定值減去與慢速相關(guān)的值，此值需超出設(shè)定慢速超量，為保障安全，應盡量設(shè)置較大的超量。針對甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，快速為油泵可提供最大供料速度，慢速為其1/5。而停泵點重力為達到停泵指令發(fā)出時的重力，變頻器控制油泵在10 s之內(nèi)停運。

超量預估值可通過試驗獲取，但是需在生產(chǎn)過程中實時修正超量預估值。也就是通過試驗獲得初始超量預估值再乘以W，并計算首批次關(guān)斷點重力，穩(wěn)定后，以設(shè)定值和穩(wěn)定值得出偏差值，然后就偏差大小進行評估，以明確后續(xù)批次超量預估值。

甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)時，超量預估值方法理論上能夠解決超量相關(guān)問題。但是生產(chǎn)時的隨機干擾很容易造成某一批次最終偏差突變，如果采用上述算法，便會將其帶入其他批次超量預估值中，需以有效措施去除隨機干擾。超量預估值修正算法流程，如圖6所示。

圖6 超量預估值修正算法流程

以此算法可針對試驗的初始超量預估值加以修正，并防止由于偶然干擾造成的不利影響，以確保配料精確度。系統(tǒng)長時間運行后，需要重新試驗，再獲取初始超量預估值。此修正算法流程簡潔、實用，可基于PLC加以完成。

3 系統(tǒng)測試

3.1 上位機畫面實現(xiàn)

以組態(tài)軟件RS View32設(shè)計上位機監(jiān)控畫面，其中采用的多數(shù)標簽均與PLC標簽對應，基于系統(tǒng)思路與PLC提前定義標簽，利用RS Logix5000生成.CSV文件，通過簡單修整，導入RS View32應用程序。

以標簽數(shù)據(jù)庫設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控畫面，并設(shè)置告警和數(shù)據(jù)權(quán)限等，以呈現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備分布狀態(tài)與生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)?；谧詣幽Ｊ较碌纳a(chǎn)控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面如圖7所示。

在未設(shè)定上位機遠程手動操作指令時，手動模式下，可通過Animation功能進入手動操作界面，以單一性操作啟動、停止設(shè)備運行，并設(shè)置具體參數(shù)。甲醇供料變頻泵VFP1手動操作界面如圖8所示。

3.2 上位機監(jiān)控畫面實現(xiàn)

RS View32基于OPC方式訪問RS Linux，需于RS Linx內(nèi)配備OPC topic，在topic內(nèi)對應虛擬控制器，RS View32通過topic可訪問內(nèi)部變量。于RS View32內(nèi)構(gòu)建節(jié)點指向RS Linux OPC Server，將標簽指向節(jié)點，并將標簽地址指向控制器標簽，以此可于畫面內(nèi)按照正常在線研發(fā)使用標簽，從而實現(xiàn)畫面調(diào)試。基于上述方式模擬調(diào)試PLC控制程序與上位機監(jiān)控畫面，可促使程序就工藝流程有序執(zhí)行，而上位機監(jiān)控畫面可以準確呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行具體操作。

4 結(jié)論

綜上所述，基于甲醇汽油新能源生產(chǎn)工藝特性，設(shè)計了甲醇汽油新能源自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。通過甲醇汽油新能源生產(chǎn)工藝提出了基于稱重的配料方式，并就用量不同針對不同原料選擇相應稱重與供料方式；同時分析生產(chǎn)控制系統(tǒng)稱重配料特點，該系統(tǒng)能夠在滿足配料速度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高精確度，所提出的超量預估修正算法可以準確預估超過量。