自动化控制在外加剂生产中的应用

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自动化控制技术已广泛应用于各行各业的生产控制中，如电力、石油化工、污水处理、机械制造等，其优势主要在于：①控制精度高，人为影响因素小；②人员操作强度降低，节省人力成本；③确保生产程序准确，误操作率大大降低；④有助于保密工作开展。自动化生产尤其适用于工艺复杂、产品工艺成熟、控制精度要求高或者作业场所存在危险等工业生产中。目前，国内的混凝土外加剂行业正面临着巨大的发展机遇，多数外加剂生产厂家由原来作坊式的小厂逐步过渡到规模化的大厂。而工厂的规模化使得设备增加、流程复杂化，以及作业区域扩大，增加了生产操作难度，因此自动化控制以其独有的优势也逐步被应用到外加剂产品的生产控制中。

一、自动化生产线建设概述

1.自动化生产线的组成要素

自动化生产线的主要组成要素包括控制系统部分、动力设备部分、现场仪表部分和连接电缆。

控制系统主要有PLC和DCS两种型式，PLC出现较早，国产品牌也很多，但进口品牌的市场占有率占有绝对优势，如三菱、西门子等。DCS是近几年开发出来的一种新的控制系统，适用于较复杂的控制流程，国产品牌DCS已较成熟和稳定，其价格比进口品牌有绝对的优势，可作为建设生产线的首选。PLC和DCS两种控制系统都能做到CPU冗余、电源冗余、网络冗余，在发生特殊情况时可立即切换控制模块，不会对生产造成影响。另一方面，两种控制系统各有优势、各有千秋，DCS适用于模拟量多的控制流程中，PLC在开关量多的控制流程中表现更为出色。在外加剂生产中，模拟量还是较多的，如蒸汽压力调节、温度检测、液位监测、滴加速度控制等。在成本竞争日益激烈的今天，国产DCS可作为生产线控制系统的首选。

动力设备主要包括反应釜电机、泵、风机等，属于开关量控制范畴，这些设备的控制可由控制系统的DI和DO模块进行控制。

现场仪表主要包括温度计、绝压变送器、液位变送器、称重控制器、自控阀门等，这些仪表采集到信号，并与控制系统进行通讯，最终由程序发出指令进行控制。

连接电缆是现场仪表和控制系统通讯的桥梁，布线和接线工作是非常重要的建设环节，直接关系到仪表和控制系统通讯的准确性和可靠性。一般来说，模拟量仪表的连接可采用屏蔽电缆，而开关量仪表则可由普通电缆进行连接。

2.自动化生产线的建设程序

设计阶段。任何工程建设都要从设计开始，自动化的设计可由设计院完成，也可由专业的自动化系统公司完成。设计院擅长于工艺图、流程图的设计，但在选择现场控制方案和控制手段实现多样化方面稍有欠缺，而自动化系统公司可根据工艺流程图和现场工艺要求设计多种控制方案选择。一般可让设计院完成带控制点的工艺流程图的设计，而让自动化系统公司完成现场控制方案设计和编程。

安装阶段。该阶段包括主设备的安装就位、中控室系统安装就位、各仪表安装就位、电缆铺设、仪表接线工作、控制系统接线工作。

设备上电调试。在所有设备接线工作完成后，紧接着就是设备的上电调试，包括动力设备的启停调试、仪表现场数据与中控显示数据的核对调试、自控阀门动作和反馈是否正常等。

生产线水试。用水代替物料，所有操作按照正常生产工艺流程进行，由中控操作员在中控室手动运行，该阶段检查内容有：各设备运行情况、物料管道的渗漏情况、中控及现场操作的可行性等。

手动试生产。在确认水试没有问题后，就到了一个关键的调试阶段：使用实际的原材料由中控操作员进行手动生产。

自动化程序试生产。按照工艺生产流程和前期采集的数据编写自动化程序，这一步可提前进行，待生产时再进行数据调整和程序调整等，如果前述工作准备充分的话，这一阶段进展也会较快。自动化程序完成编写并调试后，整条生产线即可进入正式生产阶段。

二、各要素控制的实现及设备选型

外加剂自动化生产中的控制要素包括：温度、压力、物料计量、物料滴加、容量监测、管道内流体控制和辅助控制设备等。以下分别探讨各要素的控制实现方法和相应的设备选型方案。

1.温度控制。外加剂生产中的热能供应可有两种方式实现，一种是电加热导热油，另一种是带压饱和蒸汽加热。电加热能耗较高，大部分的情况还是使用蒸汽加热方式进行升温。使用蒸汽加热的反应釜，在手动生产时是通过改变蒸汽进气阀的开度来控制进入夹套蒸汽的量与压力，在自动化生产中则需使用气动薄膜调节阀进行控制。根据中控给出的开度模拟量信号调节气缸内压缩空气压力推动阀杆来控制阀门的开度。

温度仪表用于检测釜内物料温度，压力仪表用于监测夹套蒸汽压力，都是温度控制中的重要组成部分，这方面的仪表国内已做得比较成熟，可完全采用国产品牌。

2.釜内压力控制。有的工艺可能需要反应釜内为负压状态，可由真空泵来实现，而真空泵可分为水环式真空泵、罗茨泵、旋片泵等，根据不同的负压要求可选用不同的真空泵，其中水环式真空泵可达到较高的真空度，被广泛应用，其他真空泵被应用在低真空度工艺中。

3.物料计量。物料重量的计量可采用称重模块、液位计和流量计等仪表实现。液位计的方式受物料密度和罐体变形的影响，精度难以保障，一般较少在合成生产上使用。流量计有很多种，但如果需要做到精确计量，则需使用质量流量计，过流部件材质尚需根据物料特性选择，国产质量流量计较难做到精确，最好选择进口品牌，这样成本会大幅度增加，若不是特殊情况一般不考虑使用流量计。称重模块是广泛采用的方式，在性价比上有较高的优势，最重要的一点就在于其精度高、读数直观。

4.滴加控制。化工生产中的滴加过程可由以下几种方式实现：①利用称重传感器与调节阀配合控制；②利用流量计与调节阀配合控制；③利用专用仪表与调节阀配合控制。

5.容量监测。外加剂生产中涉及到许多半成品罐和成品罐，为防止罐内物料溢出或物料抽空，监测罐内物料的充装情况也是十分重要的，一般使用液位计进行监测。

6.管道流体控制。管道内流体的控制包括流体切断、流体探测、流体流量控制等。流体切断主要通过各种阀门实现，有气动阀门、电动阀门、电磁阀等；流体探测用于探测管内是否有流体运动，可采用液位开关或流量开关实现；流体流量控制可通过调节阀实现。

自动控制阀门是自动化生产线重要组成部分之一，有气动、电动和电磁3种型式，由于外加剂生产中一般都涉及到危化品，电气设备均需防爆，而防爆型电动阀门的价格相当高，电磁阀一般也使用在管径较小的管道，而采用气动阀门最为合适。液位开关和流量开关主要起到视镜的作用，可探测到管道内是否有液体在流动。从使用效果看，因外加剂产品都有一定的黏度，液位开关的反应会滞后，而流量开关反应迅速，较适合使用。

7.辅助控制设备。作为自动化生产线的辅助设备，空压机的可靠性也是不容忽视的。现在市场上主要有活塞式和螺杆式两种，螺杆式空压机是目前广泛使用的类型，其噪音低、可连续运行时间长。

三、自动化生产线建设需注意的问题

1.称重模块的安装。安装阶段对保证称重系统的正常运行非常重要，应注意几个要点：①承载钢平台设计需结合称重模块的安装位置进行考虑，各计量罐最好能够单独支撑，互不影响。②钢平台上不得放置震动的设备，否则会造成称重数据不稳定。③称重传感器应可靠安装在竖向基本无变形的基座上，尽量避免安装在梁等易弯曲变形的构件上，这对防止称零点过度漂移有重要作用。④进行焊接作业时应远离传感器或做好接地，防止电流损坏传感器。⑤连接计量罐的各管道必须使用软连接，减小管道与罐体的内应力引起的计量误差。软连接的安装也很重要，材质可根据物料要求选用，关键是软连接一定要足够长，才能达到消除计量罐与管道之间应力的效果。

称重是所有化工生产中的重要环节，对产品质量的稳定性有重要影响，称重仪表的安装及维护是自动化生产线可靠运行的关键控制点。

2.电缆选型及铺设。电缆的可靠性直接影响现场仪表与中控系统之间的通讯准确度。

首先根据仪表的接线方法选择电缆芯数，仪表接线方法有二线制、三线制和四线制，不同接线方法需要不同的电缆芯数，可考虑多预留一芯电缆作为备用；然后根据仪表信号类型选择电缆种类，不同的信号传输对电缆种类的要求不同：开关量信号不怕周边信号干扰，要求较低，普通电缆即可，开关量信号控制的设备有泵、电机、气动开关阀、液位开关等；模拟设量型号易受干扰、易衰减，应选用屏蔽电缆，并且尽量选择短的路线铺设，相应设备有液位计、压力表、调节阀等；另外，温度计的电阻信号电缆最好也选择屏蔽电缆，铺设路线也应尽量短。如果线路铺设过长，需与厂家确认是否可行，如不可行则要采取补救措施，一般做法是增加信号中继器以延长信号传输距离。

外加剂的生产场所一般都有防爆要求，在电缆铺设时应符合防爆要求，另外，电缆在铺设时最重要的一点是电缆线两头必须做好可靠的标记，不易脱落、污损，为中控系统顺利接线奠定坚实的基础。

3.管道吹扫很重要。管道安装好后，按规范应对管道进行吹扫，将其内部铁屑、杂质等赶出。对物料管道而言，若有杂质留存在管道内，可能会对泵、阀门等设备造成严重损伤；对空气管道而言，会损伤气动阀门的配件，造成过滤减压阀堵塞、电磁阀灵敏度降低、气缸内部划伤等后果，使得设备带伤运行，寿命降低或直接损坏。所以，在管道安装完毕后先不要急着安装设备，使用压缩空气对管道进行吹扫除渣，若管道过长则应分段进行，清理得越干净，今后生产中设备运行越稳定。

四、自动化生产线的运行及管理

1.实行生产线巡查制度。为防止现场仪表或连接电缆出现问题，建立可靠的巡查制度是非常必要的。因为自动化生产线的人员较少，现场的情况只能依靠仪表进行了解，一旦仪表误报，对生产控制是致命的，如液位仪表报错可能导致罐内物料溢出，称重仪表或温度计误报可能导致物料计量错误或温度控制偏差。仪表误报可能导致生产失败、物料报废等严重后果，因此，定期核对现场仪表数据和中控数据必不可少。

2.完善的维护保养制度。自动化设备比手动设备复杂、精密度高，其价值也较高，因此，需指派专人对自动化设备进行维护保养，定期检查设备运行情况，发现问题立即纠正，各监测仪表需定期自校或检定，以保证其正确运行。

3.严密的员工操作培训制度。自动化生产线中，无论是在现场还是在中控，其操作方法与传统生产都存在很大差异，对操作员的素质要求更高。因此，必须建立一套完善的培训制度。不管是现场操作员、现场巡查员，还是中控操作员，都必须能够及时发现状况，妥善处理突发事件，减少风险，降低损失，这一点对自动化生产线的正常运行来说非常重要。

外加剂的生产，从以前的小作坊发展到今天的规模化自动化工厂，其中需要探索和改进的东西还有很多，因为这涉及到多类专业的结合，如机械、化工、仪表、自动化、工艺设计等，我们需要去了解各类专业知识，将其融合运用到外加剂生产中，不断改进和创新，这样方可实现自动化生产控制的最优化和企业效益最大化。