批量加料控制系統中的精確定量控制

中控儀表公司 王凱 王儉 山東瑞康精化公司 邵長安

摘要：批量加料控制應用廣泛，并有其特殊的功能要求和精度要求，本文對影響批量加料控制精度的各個因素作了分析，并提出了改進措施和補償方法。我們利用C3000過程控制器實現了批量加料自動控制系統，該系統在山東瑞康精細化工廠進行了實際應用，取得了很好的效果,計量精度始終保持在+5‰以內，具有很高的推廣應用價值。

　　關鍵字：批量加料控制；過程控制器；補償；精度；精細化工

　　1 引言

　　在化工、石化、食品、制藥等領域，很多生產過程需要進行批量加料，就是把物料精確定量地加入到指定容器。目前為止，仍然有一部分企業是通過手工操作來完成批量加料的：⑴操作人員首先根據經驗來控制加入計量罐的物料量，然后再將計量罐中的物料全部轉入指定容器[1]，實現比較精確的批量加料；⑵操作人員首先采用稱重的方式使用容器來盛裝一定量的物料，最后將容器內的物料手工倒入指定容器，以此來實現批量加料。采用手工操作方式不僅工作效率低，而且在第二種方式下操作人員還有可能接觸到有毒物料，存在安全隱患。隨著市場競爭的日益激烈，這些企業迫切希望通過提升自動化水平來提高生產效率和產品質量，同時自動化水平的提升也能消除操作中存在的安全隱患。而采用自動批量加料控制系統正是提升自動化水平的有效手段之一。

　　在自動批量加料控制系統中，有若干因素對加料精度有重要影響，如閥門動作滯后、流體密度變化和閥前壓力變化等，本文對這些因素作了分析并提出了相應的補償措施。生產實踐表明，帶補償的自動批量加料控制系統加料精度高、重復性好，同時操作簡便，這種系統的應用在生產中獲得了極好的控制效果，提高了生產安全性和生產效率，增加了企業效益。

　　2 影響批量加料控制系統加料精度的因素

　　 在批量加料控制系統中，加料精度是重要的控制指標，這里所說的加料精度是指每批實際加料總量同預期加料總量的一致程度。影響加料精度的因素除了閥門動作滯后外，主要的還有流體密度變化，閥前壓力變化等。

　　 （1）閥門動作滯后引起的誤差

　　在不帶補償的控制過程中，控制器計算實際加料量，當實際加料量達到加料設定值時關閉加料閥，從整個動作過程可知，閥門關閉動作滯后必然引起加料誤差，誤差值約為滯后時間與關閉時瞬時體積流量、流體密度的乘積，其中滯后時間為從控制器輸出關閥信號到切斷閥關死之間全部時間，"即包括繼電器的動作滯后和切斷閥的動作滯后"[2]。

（2）閥前壓力變化對加料精度的影響

　　在批量加料控制系統中，滿罐時液位和罐中料液即將發完時液位的高度差可能很大，儲罐中液位高度變化引起閥前的流體壓力發生變化，而壓力變化將引起加料流量變化，而瞬時體積流量不同，則會影響執行器動作滯后引起的誤差值。所以，雖然執行器動作滯后才是引起該誤差的根本原因，但在對該誤差進行補償時還必須要考慮瞬時體積流量變化的影響。

（3）密度變化對計量精度的影響

　　自動批量加料控制系統常以電磁切斷閥或氣動電動切斷閥為終端執行元件，以流量傳感器來完成流量采集。流量傳感器或變送器的型號有很大的選擇空間，有的選用科氏力質量流量計，它具有很高的測量精度而且直接顯示質量流量[5]，這當然有利于提高計量準確度，但是投資較高，所以目前大多數用戶仍使用渦街流量計、電磁流量計等體積流量計來采集流量信號，但在將這類流量計測量的信號轉換為物料質量時需要乘以物料的密度系數。但是，物料密度是隨溫度變化的[6]，往往不是一個常數，所以當物料密度隨溫度變化較大或在加料精度要求嚴格的應用場合，控制系統必須要考慮物料密度變化對精度的影響。

　　3 自動批量加料控制系統設計

（1）自動批量加料控制系統精度補償措施

　　執行器動作滯后和閥前壓力變化引起的誤差往往結合在一起而統一表現為一個滯后誤差量，這個滯后誤差可從控制器的累積值顯示中準確地讀出。但是我們知道，由于閥前壓力不斷變化引起瞬時體積流量 也不斷變化，那么滯后量將不會是一個固定值，所以我們不能只是簡單地采用在控制器參數中設置一個固定提前量 ，當實際累積量等于設定累積量減去時控制器輸出信號關閉切斷閥的方式來進行補償。

（式3-1）

　　式中， ——滯后時間，s； —— 瞬時體積流量，L/s； ——流體密度，Kg/L；

　　 ——設定加料量，Kg； ——當前累積量，Kg。

　　為了實現更好的補償，控制器應判斷當式2-1成立時，控制器立即輸出信號關閉切斷閥，那么在關閉過程中將約流過的物料量，使得最終總加料量與設定加料量更加一致。此方法簡單有效，只是閥門關閉的純滯后時間需在實際的裝置上具體測定，測定方法如下：

　　首先在控制器中設定一個數值很小的設定加料量，當累積量達到設定加料量時控制器輸出信號關閉切斷閥并讀取瞬時體積流量，當閥完全關閉以后，"總是會發現實際加料量大于設定量"[2]，則可按式2-2計算滯后時間，經過多次測定將得到平均值并存儲在表內使用。

（式3-2）

　　 式中， ——最終實際加料量，Kg

　　需要指出的是,在此我們是通過計算滯后時間 的方式來對執行器動作滯后和閥前壓力變化引起的誤差進行補償,但能對此誤差進行補償的方式并不限于這一種,還可以通過控制大小閥的方式[2]來實現,對其它方式本文不再詳述。

　　最后，我們還需要對流體密度進行補償，它隨著溫度的變化而變化，我們可以采集流體的溫度信號作為補償參數，根據物料溫度與物料密度之間的轉換關系對密度進行補償。在控制器內部可以設置折線表格，將物料溫度和密度的曲線關系根據精度要求不同而轉化為不同段數的折線[7]，精度要求越高則設置折線段數越多，這樣由采集到的溫度值再結合折線表格就能得到準確的流體密度值。

　　 （2) 自動批量加料控制系統的實現

　　C3000過程控制器是浙江中控自動化儀表有限公司生產的采用工業級32位ARM7微處理器和5.6英寸TFT彩色液晶顯示屏的多回路控制器，它集成了測量、顯示、記錄、控制、報警、通訊、運算等多種功能，可以實現單回路控制、串級控制、分程控制、比值控制、程序曲線控制、批量控制等多種控制方案，在多種工業控制領域都有成功的應用案例。

　　利用C3000靈活的表達式編程功能和內部功能模塊，可在控制器內部方便地實現上節所述的補償算法，對執行器動作滯后和物料密度變化等因素作出有效補償。一個典型的批量加料系統整體設計示意圖如圖1所示：

圖1 整體設計示意圖

　　C3000控制器通過熱電偶采集物料溫度信號，并利用內置的溫度密度對應折線表得到當前溫度下的物料密度；控制器通過流量計得到當前的瞬時流量，結合物料密度并利用控制器內累積功能模塊運算可得當前的累積加料量；當控制器判斷式3-1條件成立時，將輸出開關量信號關閉外圍的加料泵和開關閥來停止加料，等閥完全關閉后實際流經閥門的加料量將被控制在 。

　　C3000過程控制器內部的組態邏輯圖如圖2所示：

圖2 內部邏輯圖

　　上圖中，AI是C3000過程控制器的模擬量輸入通道，它可以測量電壓、電流、電阻等各種信號；DI是C3000過程控制器的開關量輸入通道，它可以測量外部開關信號；VA是C3000過程控制器的內部運算模塊，它可以實現各種浮點運算和邏輯運算；DO是C3000過程控制器的開關量輸出通道，它通過控制繼電器動作來實現外圍設備的開啟或閉合；批量控制模塊是核心模塊，用于計算確定泵和閥的開關時間。

　　設定加料值可以在控制器的設定值窗口更改，配合控制器外圍的啟動和停止按鈕，保證了操作簡便可靠。同時，系統在具備自動控制功能的同時，還具備手動功能，在需要時，操作人員可手動實現對現場閥門的啟閉。最后，系統將自動紀錄并顯示每次加料的閥位狀態、加料量、物料流量等各種數據，并可根據需要打印出報表或發送到上位機作統計分析。　

　　4 應用實例

　　所設計的基于C3000的具有補償功能的自動批量加料控制系統，應用于山東瑞康精細化工廠染料生產車間實現對濃硫酸的批量加料控制。考慮到介質特性，系統中采用了精度是0.5級的電磁流量計[4]。在完成對參數的測定和存儲后，該自動加料控制系統補償效果顯著，不僅控制精度高而且操作簡便可靠，獲得了滿意的控制效果，計量精度始終保持在+5‰以內。

　　本文介紹的是單個單元的批量加料系統，而在一些具有大量批量應用的場合，則可以利用C3000的網絡通訊功能組成批量控制網絡，實現各車間批量加料系統之間的連鎖功能，并用上位機實現對整個加料系統的遠程監控[3]和管理。

　　參考文獻：

　　[1]胡真. 補料分批發酵過程計算機控制系統的開發和應用[J]. 化工自動化及儀表,1999,第26卷第5期.

　　[2]浙江中控C3000過程控制器說明書。

　　[3]Jalel N A, Leigh J I, Fiacco M, Leigh, J R. Real-time monitoring of an industrial batch process [J]. Computers & Chemical Engineering ,2006 ,30 (10/12) :1476-1481