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化工涂料生產過程中 ,需要將多種溶劑按一定的比例、 質量投入到的反應釜中 ,目前普遍存在的手工操作方法是,從儲罐中取出溶劑 ,經稱量后依次倒入反應釜中。這種方法計量精度無保證,工作效率低, 且由于難以做到封閉式操作,工人長時間處在溶劑揮發出的有害氣體氛圍中,危害健康 。條件較好的企業則利用電子秤實現了單個反應釜的自動灌注。對于一個較大規模的企業來說 ,擁有多個反應釜 ,生產工藝需要使用多種溶劑,如果能對各個反應釜及各種溶劑的投料順序進行合理的在線編排( 調度) 、自動定量灌注 ,則生產效率 、產品質量必將大為提高。為此,我們設計并實現了采用高精度流量計、 基于工控機和Windows 95操作系統的自動配料調度控制系統( 以下簡稱配料系統) 。

1 化工溶劑自動配料調度控制原理

為了配合配料系統的實施 ,設計了溶劑輸送管網。生產用溶劑由儲罐區經管道網直接進入反應釜 ,全程處于封閉狀態。該系統由 15 臺溶劑泵 、 15 臺流量計、8 個反應釜及電磁閥陣列組成 ,見圖1。

1. 1計量

實現定量投料的關鍵技術是溶劑的計量方法( 工藝配方要求計量各種溶劑的質量) ,目前一般有 3種方法: 質量流量計法、稱重法、容積式流量計法。3 種方法各有優缺點:

①質量流量計可測得準確的溶劑質量數據 ,但是價格昂貴 ,一個投料控制系統需要十多臺,一般企業難以承受;

②稱重法有兩種方式: 其一是在每個反應釜設置稱重儀 ,投資較少 , 測量的精度可以滿足要求 ,缺點是同一時刻只能往同一個釜中投加一種溶劑( 如果同時投入多種溶劑, 無法分辨各種溶劑的重量) , 延長了每個反應釜的投料時間 ,限制了生產效率的提高 。其二,對每一種溶劑進行稱重, 然后再注入反應釜中 ,這種裝置比較復雜 ,投資增大 。稱重法適用于單個反應釜的生產場合 。

③采用高精度容積式流量計配合溫度補償裝置,測量精度可以滿足要求, 投資與稱重法相當, 僅是質量流量計的 30%, 而且由于各種溶劑獨立計量, 同一時刻可以投加多種溶劑 ,生產效率大為提高。

配料系統采用了第 3種方法 。

生產工藝要求控制每一種溶劑的投加質量 ,而流量計測量的是溶劑的體積流量, 應將體積流量換算為質量流量 。兩者的關系如公式( 1)
    

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

根據式( 1) , 只要在溫度t s 下標定每種溶劑的密度,生產時檢測溶劑的溫度就可將體積流量折算為質量流量。實際工作中 ,由于溶劑進廠時質量有波動 ,單純按式( 1) 會帶來不確定的計量誤差 ,因此 , 自動配料調度控制系統采用的是查表法, 即定期在實驗室中對溶劑密度進行標定, 將溶劑在不同溫度下的密度輸入計算機,計算機檢測到流量信號、溶劑溫度后 ,查閱表格調出相應的密度, 對體積流量進行換算。

流量計將檢測到的流量以脈沖信號( 0. 1 L/每個脈沖) 輸入至計算機。監控程序定時中斷以采集流量及溫度數據,并作質量流量換算,則溶劑的投加量

M =∑ ( V· ρ )               ( 2)

式中, M 為累計投加量, kg ; V 為中斷周期內流量計讀數,m³ ; ρ 為中斷周期內溶劑平均密度 ,kg/m ³ 。

1. 2 　 優化投料調度

涂料生產過程包括配料、反應 、 包裝等工序。配料系統中多個反應釜共用 15臺溶劑泵進行配料, 所有反應釜的產品由一條包裝線包裝 。各個反應釜的每次投料量不同 ,產品的包裝形式也隨著批次在變動 ,故占用的時間也不同, 如果能對各種溶劑的投料順序進行合理的編排調度, 可以減少設備的空等時間,則生產效率必將大為提高。投料順序的編排將根據投料時間、反應時間、 包裝時間決定。

①投料時間 。投料時間指所有泵機在專門為一個反應釜服務的情況下 , 完成該反應釜溶劑投料所需的時間。

②反應時間 。在本應用中, 各個反應釜所需反應時間基本恒定, 故將它歸并到投料時間中。

③包裝時間 。包裝時間指包裝設備在專門為一個反應釜服務的情況下 , 將該反應釜物料包裝完畢所需的時間 。

各種溶劑在生產過程中各自的流量基本穩定, 故可以根據投加的數量推算其所需的投料時間 ,根據包裝的規格推算其所需的包裝時間 。按釜為單位, 設 t ₁ ( i) 為第 i 號反應釜所需投料時間, t ₂ ( i) 為第 i 號反應釜的產品所需包裝時間。

設第 i 號反應釜( 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 ,投料時間為 t( i , j) ,則

各種溶劑的投加量多少有別、時間長短不一, i 號反應釜所需投料時間 t ₁ ( i) 取決于該反應釜投加量zui大的一種溶劑 ,即 t( i , j) 中的zui大值 。

i 號反應釜所需包裝時間

式中 ,K 為流量系數; M 為反應釜中物料質量; m 為每個包裝桶容量; N 為灌裝口個數 。

由此可見, 優化投料調度的目標就是安排每一種溶劑往 8 個反應釜中投料的順序, 使得能以zui短的時間完成一批生產任務 。( 在此我們設定 : 一項投料或包裝任務完成以前不允許中斷而處理其他的投料 、 包裝任務 。 ) 這樣,面對的就是流水作業調度問題( 非優先調度) , 對于這個問題, 存在一個尋優算法 :

①對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 對應的t 1 ( i) 及 t 2 ( i) ;

⑤重復步驟③;

⑥輸出投料排序隊列。

根據生產計劃用時, 可給出優化后的投料隊列 ,見表1 。

2 　 配料系統硬件及軟件實現

鑒于配料系統 I/O 點多且互相之間有聯鎖關系,因此用工控機直接控制, 操作系統選擇 Windows 95。

配料系統原理見圖 2,硬件部分由流量計 、脈沖變送器 、 光電隔離器、 計數器 、 溫度變送器 、 數/模轉換器、數字量輸出控制器、繼電器等組成 ; 軟件部分由圖形操作臺程序( 提供人機界面、數據記錄) 、監控程序( 流量檢測、I/O 控制) 、 數據管理( 統計、查詢) 、數據通信等模塊組成 。其中數據通信功能為溶劑庫區掌握原料消耗情況而設。在此簡要介紹操作臺程序 、 監控程序。

2. 1 　 操作臺程序

操作臺程序提供了圖形化人機界面( 圖略) ,在此,操作員為各個反應釜設定生產配方 、 包裝規格 ,可預設120 項溶劑投料任務( 15 項/釜 × 8 釜) 。程序應對每個反應釜的總投料量與其容積進行校驗, 防止誤操作。經過優化調度計算, 為 15 種溶劑各自設定了一個投料的順序,并儲存在 15 個環形隊列結構中 :

Q _n ( i , M , m) : n =1, 2, 3, …, 15 為溶劑泵編號 ; i =1,2,3 , …, 8 為反應釜編號; M 為投料目標值 ; m 為當前累計已投料值。

在每一項任務前設有一個標志顯示該項投料任務在相應溶劑種類中的次序以便于監視, 操作員下達開始投料的指令后 ,操作臺程序便將記錄著15 種溶劑投料順序的 15個隊列數據傳送至監控程序。

2. 2 　 監控程序

監控程序處理流量數據的實時檢測 、流量的溫度補償 、 電磁閥開關、 泵機的啟動/停止。

流量計輸出的是脈沖信號, 流量的準確檢測是涉及本系統控制精度的關鍵環節 。盡管Windows 95 具有搶先式多任務的特點 ,任務之間的切換足夠快 ,如果由軟件輪詢的方法讀取流量計脈沖, 系統開銷大 ,而且仍然可能丟失脈沖 ,影響精度。本系統使用 8254 芯片對流量計脈沖進行計數 ,再由監控程序定時從 8254的寄存器中讀出,解決流量的檢測問題 。因此,監控程序是本系統中的關鍵 ,為了保證在的時間間隔內都能得到執行, 將其設計為硬件中斷處理程序 。利用8254定時器產生硬件中斷 ,編寫相應的虛擬設備驅動程序( VxD) 掛鉤該中斷 。操作臺程序與監控程序通過調用API 函數 DeviceIoControl( ) 進行數據交換 ,涉及的數據就是投料隊列 Qn( i ,M , m) 。

監控程序還應對一些生產過程中的異常情況進行監測處理 ,避免影響生產 。這些情況是 :

①電磁閥不能正常打開 。如出現這種異常, 發出泵機啟動信號后一段時間內檢測不到流量信號。

②泵機一端的止回閥不能正常關閉或密封損壞。如出現這種異常 ,停泵后一段時間內仍有流量信號( 正向或反向流量信號, 取決于脈沖發生器型號) 。

3 　 系統運行狀況及結論

化工溶劑自動配料調度控制系統已在一化工涂料廠應用于油墨、油漆稀釋劑的生產, 有 8 個反應釜; 溶劑一般流量為 150 L/min ; 流量計采用 Liquid Control 公司的產品: 分辨率為 0. 1 L、100∶ 1 的流量范圍內重復測定誤差 0. 05%。應用此控制系統一年多的時間證明,投料精度可達 0. 5%; 生產效率大幅度提高, 單班年產超過 10 000 t ; 由于溶劑全程處于封閉狀態 ,操作人員*脫離有害氣體, 工作環境*改善; 采用圖形用戶界面使培訓時間大為縮短, *未使用過計算機的投料操作員, 只需經過 1 h 的培訓即可承擔實際生產任務。

值得一提的是, 配料系統還可推廣應用于化工廠的溶劑原料的自動化集中管理 。

參考文獻

1　 曹新譜編著. 算法設計與分析. 湖南: 湖南科學技術出版社, 1984

{C}2           {C}程賀編著. 流量測量及補償. 北京: 化學工業出版社, 1995

作者簡介: 饒朝學 , 男, 37 歲, 工程師, 從事工業自動化測控技術、儀器儀表應用開發。

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