工控技術(shù)在某浮選制藥廠小試裝置中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜孟超 徐海陽 何尚宏 赫堂友 趙曉偉 陳 帥 陳 浪

（中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司）

某研究機(jī)構(gòu)為了研制新型浮選藥劑，在其配料的再加工階段需要將呈板帶形狀的原料通電后浸入盛有酸（堿）的溶液中進(jìn)行反應(yīng)。原工藝操作過程均是手工進(jìn)行，存在產(chǎn)量小、投料一致性差、數(shù)據(jù)可追溯性不高等缺陷。為此，委托中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司對(duì)其進(jìn)行了自動(dòng)化改造，通過增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，達(dá)到了自動(dòng)控制的目的。

1 系統(tǒng)概述

某新型浮選藥劑生產(chǎn)工藝中，設(shè)備放卷機(jī)上料后通過步進(jìn)電機(jī)緩慢投料，投料速度可供用戶自由設(shè)定；同時(shí)有2臺(tái)可調(diào)電源給物料進(jìn)行通電，且工藝需要2臺(tái)電源頻繁切換正負(fù)極；反應(yīng)槽內(nèi)的pH值及溫度由在線檢測儀表獲取，除能夠?qū)崟r(shí)反饋外，還參與對(duì)滴定管蠕動(dòng)泵的控制；以上所有檢測及控制環(huán)節(jié)都可通過移動(dòng)端及PC端實(shí)時(shí)反饋及控制，同時(shí)部分工藝發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可對(duì)工控環(huán)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改［1-2］。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

在分析研究原有工藝流程和新需求的基礎(chǔ)上，自動(dòng)化的控制核心采用西門子200SMART，人機(jī)交互界面選用配套的精彩系列面板，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)客戶要求的工控系統(tǒng)。

S7-200smart是一種集成模塊式的結(jié)構(gòu)，主要由CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通訊模塊、和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在導(dǎo)軌上，系統(tǒng)構(gòu)成和擴(kuò)展都十分方便。CPU硬件見圖1，控制系統(tǒng)硬件配置見圖2。

3 系統(tǒng)在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的控制回路

3.1 原料輸送

根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)論，原料在反應(yīng)槽中需浸泡數(shù)個(gè)小時(shí)，才能穩(wěn)定反應(yīng)，所以投料的時(shí)間需要緩慢且穩(wěn)定。同時(shí)考慮到整個(gè)設(shè)備的主體與反應(yīng)槽都是由亞克力拼接構(gòu)成，承重性能不高，送料動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)來承擔(dān)。

CPU硬件本體最多集成有3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100 kHz。配合步進(jìn)電機(jī)配套的控制器，在不需要對(duì)位置進(jìn)行精確控制的工作條件下，僅需要在IO點(diǎn)連接PUL、DIR共陰接法即可［3］，原理見圖3。

3.2 原料通電

根據(jù)工藝要求，原料通電可以加速反應(yīng)速率，選用了工業(yè)級(jí)別的可調(diào)電源。為了方便后期研究人員對(duì)反應(yīng)槽內(nèi)環(huán)境的可調(diào)，特將電源的電壓、電流、起停時(shí)間做出了開放設(shè)置，并自動(dòng)錄入配方當(dāng)中，以便后期的成品比較。

可調(diào)電源為直流穩(wěn)壓電源，接上負(fù)載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和設(shè)定的電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和設(shè)定值相等；如果輸出電壓大于設(shè)定的電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)流狀態(tài)時(shí)負(fù)載電阻大，則輸出電壓就會(huì)自動(dòng)升到電源的最大輸出電壓，只有當(dāng)負(fù)載電阻小到一定的程度，使電源輸出電流達(dá)到恒流值，電源才真正處于恒流工作狀態(tài)，隨著負(fù)載電阻值的逐步減小，輸出電壓也按規(guī)律下降，以保持輸出電流的恒定不變?？烧{(diào)電源原理見圖4。

原試驗(yàn)室使用的是帶有飛梭的電源，操作時(shí)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，而且速度慢。新式電源不僅保留了飛梭做應(yīng)急使用，更通過TCP協(xié)議將原本的調(diào)節(jié)和記錄一并完成［4］。

由于原料在反應(yīng)過程中始終處于回路當(dāng)中，且電鉗與物料傳遞杠僅有箭頭大小的接觸面積，所以電鉗及導(dǎo)線極易發(fā)熱老化。為改善這一狀況，同時(shí)滿足可反復(fù)切換電流方向的新工藝要求，裝置設(shè)置了2臺(tái)同型號(hào)電源，為防止誤操作而引發(fā)2臺(tái)電源導(dǎo)通的狀況，設(shè)置了可控的物理隔斷。

3.3 溶液pH值及溫度一次性采集

反應(yīng)槽中的溶液是原料是否正常轉(zhuǎn)化的必要條件，故對(duì)其pH值的監(jiān)測比較嚴(yán)格。與此同時(shí)還必須兼顧通電溶液發(fā)熱問題，將溶液pH值與溶液溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)當(dāng)中，便于試驗(yàn)人員獲得更加切合實(shí)際的氫離子活度。設(shè)計(jì)時(shí)選用工業(yè)級(jí)的在線化學(xué)分析儀表，該儀表由pH電極和分析儀組成。

pH值電極測量為原電池原理，由2個(gè)半電池構(gòu)成。其中，1個(gè)半電池作為測量電池，其電位與氫離子活度有關(guān)；1個(gè)為參比半電池，一般是與溶液相通，且與分析儀相連。通過電極內(nèi)部原電池反應(yīng)產(chǎn)生的電勢差傳遞到分析器中，對(duì)應(yīng)算法變送輸出pH值。

分析儀的選取需考慮試驗(yàn)人員的可操作性與專業(yè)屬性，為使其能更加專注于試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果的分析與優(yōu)化，降低后期維護(hù)工作，采用隔離變送輸出，最大限度的減小干擾對(duì)讀取數(shù)據(jù)的影響；使用RTU協(xié)議一次性采集并向系統(tǒng)輸出溫度與pH值。通訊數(shù)據(jù)及寄存器地址見表1。

同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合能斯脫公式分析并組態(tài)了可手動(dòng)、自動(dòng)控制的溫度補(bǔ)償算法。

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3.4 溶液酸堿控制

在原料的反應(yīng)過程中，pH值是表征溶液是否具備理想反應(yīng)條件的重要參數(shù)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，可有效抑制各種擾動(dòng)的影響，使溶液的被控pH值趨近于給定pH值。

通過pH值計(jì)協(xié)議讀取pH值，通過溫度的補(bǔ)償后，直接將數(shù)字量寫入系統(tǒng)PLC的算法當(dāng)中，參與下一步的PID運(yùn)算。PID將實(shí)測值與pH值的給定值進(jìn)行比較后，其誤差通過PROFINET協(xié)議控制酸泵或堿泵的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值的閉環(huán)控制［5］。pH值的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

pH值計(jì)中的讀數(shù)通過滴定曲線使步進(jìn)電機(jī)調(diào)整滴定管，滴定曲線見圖6。

3.5 遠(yuǎn)程維護(hù)及遠(yuǎn)程控制

該試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制點(diǎn)較多，借助PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是必然選擇；然而高端的自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)所需要的人力維護(hù)成本不容忽視，一旦出現(xiàn)故障或運(yùn)行軌跡錯(cuò)誤，將影響整個(gè)試驗(yàn)的工作進(jìn)度，帶來不可避免的損失。

遠(yuǎn)程維護(hù)與控制系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)控平臺(tái)組成，基于以太網(wǎng)、WiFi、4G網(wǎng)絡(luò)高覆蓋，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)將試驗(yàn)裝置作為信息節(jié)點(diǎn)，通過控制器的自有協(xié)議和遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，最終融入到整合化信息管理中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)地為整個(gè)信息系統(tǒng)提供及時(shí)、有效、真實(shí)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方與本地之間的信息交流和協(xié)同工作；下發(fā)準(zhǔn)確的操作、維護(hù)指令構(gòu)建1個(gè)現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警推送、遠(yuǎn)程調(diào)試和數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，滿足生產(chǎn)、維護(hù)所需的數(shù)據(jù)采集與管理需求，有效降低運(yùn)維成本［6］。同時(shí)，支持手機(jī)APP對(duì)試驗(yàn)裝置的運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警、監(jiān)控。該裝置的終端使用者能隨時(shí)隨地觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提高其運(yùn)行的可靠性，避免因故障帶來不必要的損失；也能通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排除故障，提高維修的時(shí)效性。

遠(yuǎn)程控制由設(shè)備通過TCP與監(jiān)控終端交互完成，遠(yuǎn)程維護(hù)由工業(yè)路由完成。遠(yuǎn)程監(jiān)控可直觀查看裝置的當(dāng)前情況，以及各個(gè)參數(shù)的當(dāng)前值，有無超限情況，還可查看當(dāng)前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)趨勢變化，便于對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效追蹤。

4 應(yīng)用情況

設(shè)備自運(yùn)行以來穩(wěn)定正常，數(shù)據(jù)采集滿足試驗(yàn)要求，從一定程度上提高了試驗(yàn)效率及人員工作效率；但也存在一些問題，例如，傳感器出現(xiàn)瞬間波動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異?；虿粶?zhǔn)確，需要在換算函數(shù)中自動(dòng)過濾異常數(shù)據(jù)（加快采集頻次的同時(shí)，3次采集報(bào)錯(cuò)算作異常）；出現(xiàn)干擾源時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，則采用添加臨時(shí)堆棧通過濾波得以提高用戶體驗(yàn)。

5 結(jié)語

某研究機(jī)構(gòu)通過研究，針對(duì)制藥廠或類似傳統(tǒng)試驗(yàn)室提出了一種智能化非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用，功能、流程和步驟相對(duì)簡單，具備了接口靈活、跨平臺(tái)等特性，滿足了試驗(yàn)人員對(duì)數(shù)據(jù)的基本管理和分析要求。