間歇生產(chǎn)多套公用設(shè)備優(yōu)化控制的研究

溫新根 梁亞霖 高文彬 王樹會(huì) 俞文光 陳志駿

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

從上世紀(jì)80年代起，大型聚合釜的間歇式工藝生產(chǎn)就開始引入了基于ISA S88標(biāo)準(zhǔn)[1]的批量控制和批量管理等先進(jìn)控制技術(shù)，結(jié)合配方將各種設(shè)備按特定任務(wù)組合在一起，形成了一種更高級(jí)的生產(chǎn)模式[2－3]。如果能對(duì)生產(chǎn)和調(diào)度做出進(jìn)一步調(diào)整，使之具有更少的間歇時(shí)間，那么必將帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的間歇生產(chǎn)大多依賴操作員的工作經(jīng)驗(yàn)，為保證安全和防止沖突，操作員往往只允許一臺(tái)釜占用整套加料/出料系統(tǒng)。這使得完成一條生產(chǎn)線加料需花費(fèi)大量時(shí)間，大大制約了產(chǎn)能。

本文通過引入多線加料控制，結(jié)合先進(jìn)軟件算法，在控制系統(tǒng)(如DCS)平臺(tái)上，將排隊(duì)控制及自響應(yīng)功能嵌入到批量控制中，并應(yīng)用于大型間歇式工藝生產(chǎn)中，有效減少了加料設(shè)備的等待時(shí)間，從而大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 單元時(shí)間片管理

在大型聚氯乙烯生產(chǎn)中，通常情況下聚合釜有多臺(tái)。為便于管理和更好地利用公用設(shè)備，常將這些釜分成幾條線，一條線即代表一組釜，每條線公用一套加料/出料設(shè)備，每組釜都能形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)體系，使用起來干擾因素較小、簡單方便，此方法目前已被廣泛采納和應(yīng)用。在這種體系中，可將眾多公用設(shè)備劃分成若干個(gè)部分，每個(gè)部分就可以稱作為單元，根據(jù)批量控制將公用設(shè)備劃分為獨(dú)占式與非獨(dú)占式的規(guī)定，在聚氯乙烯控制單元中，可依據(jù)獨(dú)立、完整、合適的原則進(jìn)行劃分。

在聚合釜的加料中，包含涂壁、緩沖劑、脫鹽水、單體、鏈轉(zhuǎn)移劑、分散劑、引發(fā)劑等原料。如果在控制時(shí)將每種助劑都劃分成獨(dú)立的單元，那么根據(jù)工藝要求單獨(dú)為每一種助劑配置啟動(dòng)、停止、暫停、重試、忽略、復(fù)位等接口按鈕，將使程序的故障處理能力和靈活性大大提高。由此，助劑加料公用設(shè)備適用于非獨(dú)占式場(chǎng)合。在每個(gè)助劑單元中，通常包含啟停控制、讀取配方、采集檢測(cè)儀表參數(shù)等環(huán)節(jié)，每一個(gè)動(dòng)作可視為一個(gè)獨(dú)立步序。將這些步序按工藝要求組合在一起，就組成了一個(gè)助劑的加料單元。如果將這套公用設(shè)備完整的組合起來，又可以成為一個(gè)獨(dú)立的聚合加料單元。

嵌套單元系統(tǒng)的單元分得越細(xì)就越能滿足精細(xì)化的生產(chǎn)要求，但由于各步單元時(shí)間區(qū)別太大，很難作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)，也容易出現(xiàn)故障，一旦某個(gè)步序出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個(gè)順控程序無法繼續(xù)。由此，在計(jì)算時(shí)間片時(shí)以助劑為單元，將會(huì)使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰明了，符合優(yōu)化控制的要求。

對(duì)聚合釜的助劑加料而言，如何提高各單元使用率，降低助劑加料設(shè)備空置率，縮短聚合釜的生產(chǎn)周期，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的最終目的，是長期以來一直被廣泛關(guān)注的問題。掌握各單元的時(shí)間片，縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備使用率，才能實(shí)現(xiàn)更精確的管理[7－8]。

聚合釜的生產(chǎn)過程一般包括加料、聚合、出料回收三個(gè)階段。每個(gè)階段都可能存在多個(gè)單元，要計(jì)算一組釜的生產(chǎn)周期，必須了解每個(gè)單元的時(shí)間片。假設(shè)加料時(shí)包含n個(gè)單元，每個(gè)單元的時(shí)間片分別為t1，t2，…，tn;通常聚合階段只有一個(gè)單元，時(shí)間片為tj，且各個(gè)釜聚合開始時(shí)間只取決于引發(fā)劑加完時(shí)間，與其他釜的聚合時(shí)間片無關(guān);出料回收階段包含k個(gè)單元，也就有k個(gè)時(shí)間片，由于出料與加料時(shí)間片類似，并且個(gè)數(shù)通常比加料時(shí)少，所以主要討論加料時(shí)的情況。

假設(shè)一組釜的數(shù)量為N臺(tái)，每組只有一套加料設(shè)備，加料順序按釜號(hào)從低到高排列，則第一臺(tái)釜加料總時(shí)間T1為:

從第二臺(tái)釜開始，當(dāng)ti＞ti－1時(shí)需要等待。為便于計(jì)算，假設(shè)在加第一種助劑前還存在另一種助劑，其加料時(shí)間t0=0，那么加料總時(shí)間T2為:

在式(2)中，當(dāng) ti≤ti－1時(shí)，說明系統(tǒng)無需排隊(duì)，直接開始加料，在多項(xiàng)式中應(yīng)略去。對(duì)這組釜中的第m臺(tái)釜而言，加完料的總時(shí)間Tm為:

在聚合釜生產(chǎn)中，由于各種助劑加料時(shí)間是可知的，則根據(jù)式(3)可推導(dǎo)出加料總時(shí)間。一般來說，當(dāng)一條線的最后一臺(tái)釜加料完成時(shí)，第一臺(tái)釜還沒聚合完成，也沒出料回收，那么在啟動(dòng)第二輪加料之前，這些助劑設(shè)備會(huì)有很長一段時(shí)間處于空閑狀態(tài)。如果能將這段時(shí)間利用起來，作為備線給其他線的聚合釜加料，將有效提高助劑設(shè)備使用率，并縮短生產(chǎn)周期。

2 排隊(duì)與多線加料效率分析

在聚合釜的助劑加料中，如果能在軟件編程和硬件設(shè)備方面作合適的調(diào)整和完善，就能夠解決助劑設(shè)備空置率高的問題，并有效地提高各單元的使用率。

2.1 多線加料分析

一般情況下，一套加料系統(tǒng)只對(duì)幾臺(tái)同一條線的聚合釜負(fù)責(zé)，另一條線的聚合釜由另一套加料系統(tǒng)負(fù)責(zé)。這樣比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)清晰，操作起來較簡便。但通過前文分析可知，某套加料設(shè)備空閑時(shí)可以作為備線給其他線聚合釜加料，即多套加料系統(tǒng)互為備用、互相切換，具有相同的優(yōu)先級(jí)。

在多線加料系統(tǒng)中，假設(shè)有N1組聚合釜，即有N1條生產(chǎn)線;對(duì)于某種助劑來說，每一組釜有N2套加料管道(通常N1=N2)，其中(N2－1)套是備線，在單線加料中(無主備線加料)，N2=1;每一組釜有N3臺(tái)聚合釜;每一臺(tái)釜需要加N4種助劑。以第N種助劑加料為例，多組聚合釜加料結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，實(shí)線表示某套加料系統(tǒng)的主管線，虛線表示對(duì)應(yīng)的備線。

圖1 聚合釜加料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the feeding process for polymerizer

在單線加料中，以某一組釜的某種助劑為研究對(duì)象，任意一臺(tái)釜只有一個(gè)加料單元與之對(duì)應(yīng)，即同一時(shí)間只能給一臺(tái)釜加料，對(duì)于某一臺(tái)聚合釜而言，任意一種助劑設(shè)備的使用率P用和空置率P空分別為:

在多線切換加料中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)比的同時(shí)也說明備線應(yīng)用率，那么研究對(duì)象應(yīng)與單線一致，也以某一組釜為單位。對(duì)于具有N2套加料管道的某種助劑來說，這組釜的使用率P'用和空置率P'空分別為:

對(duì)于整套加料助劑來說，如果聚合釜一共要加N4種助劑，每一組釜有N2套加料管道，那么在多線加料時(shí)，這組釜的加料系統(tǒng)使用率比單線加料高出P倍，則有:

由式(8)可知，對(duì)某一組釜而言，某種助劑設(shè)備的使用率隨加料管道套數(shù)的增加而增加，且呈現(xiàn)倍數(shù)上升的趨勢(shì);對(duì)于這組釜的整套加料系統(tǒng)來說，使用率與單線加料相比呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢(shì)。

2.2 排隊(duì)作用分析

當(dāng)系統(tǒng)采用單線加料時(shí)，如不引入排隊(duì)控制，整套加料系統(tǒng)一次只能滿足一臺(tái)釜的加料，如果出現(xiàn)其他釜也加料的情況，由于不同助劑占用時(shí)間不同，很可能出現(xiàn)不同釜爭(zhēng)相加同一種料的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)混亂，產(chǎn)生故障。即使人工干預(yù)(暫停、停止等)，也會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，而多釜數(shù)更是容易出現(xiàn)差錯(cuò)，無法達(dá)到滿意的效果，故加料系統(tǒng)只能響應(yīng)一臺(tái)釜的請(qǐng)求。假設(shè)釜需要加N4種助劑，則對(duì)某臺(tái)釜而言某種助劑設(shè)備使用率P0為:

當(dāng)系統(tǒng)在單線間歇生產(chǎn)中引入排隊(duì)控制時(shí)，通過檢測(cè)、排隊(duì)、響應(yīng)等功能可以保證每種助劑設(shè)備都處于工作狀態(tài)，即都在給某一臺(tái)釜加料，則這臺(tái)釜加料設(shè)備使用率P1為:

當(dāng)系統(tǒng)在多線間歇生產(chǎn)中引入排隊(duì)控制時(shí)，不僅能保證每種助劑都在加料，而且能保證每種助劑的每套管道都處于工作狀態(tài)，則某一臺(tái)釜某種助劑設(shè)備使用率P2為:

將式(4)與式(11)對(duì)比分析可知，在聚合釜間歇過程中，排隊(duì)控制雖然不能額外提高使用率，但它是保證硬件設(shè)備加料系統(tǒng)能處于最大使用率工作的軟件條件，也是前提條件。也就是說，如果不引入排隊(duì)控制，那么多套加料管線中的備線實(shí)際是不起作用的，即在圖1(b)中只有實(shí)線管道在工作，虛線管道被白白浪費(fèi)了，其效果相當(dāng)于圖1(a)中的單線加料。

S88標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于公用設(shè)備的批量控制方案指出，如批量過程需要調(diào)用某一階段的某個(gè)單元，并非通過將此設(shè)備單元作為資源來配置，而應(yīng)通過邏輯的獲取和釋放的方式進(jìn)行，同時(shí)，一個(gè)單元一次只能響應(yīng)一個(gè)使用者。本文在此基礎(chǔ)上，從S88標(biāo)準(zhǔn)批量控制方案出發(fā)，引入了多套公用設(shè)備的概念，將加料系統(tǒng)分為主備線，并分析了實(shí)現(xiàn)的條件，提出了一種有序獲取和釋放公用設(shè)備的方法，解決了多個(gè)使用者同時(shí)等待而使聚合釜使用率降低的問題，有效提高了聚合釜生產(chǎn)效率。

3 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

在間歇生產(chǎn)中，可以通過改善工藝，或采用多套加料系統(tǒng)等來增加產(chǎn)量。要保證這些硬件設(shè)備都發(fā)揮其功用，關(guān)鍵是在合適的軟件平臺(tái)上編寫強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件[9－10]。而排隊(duì)控制更是其中的重點(diǎn)，其與批量控制相結(jié)合，將有效提高聚合釜的生產(chǎn)效率。

3.1 排隊(duì)控制分類

排隊(duì)控制實(shí)質(zhì)是一項(xiàng)結(jié)構(gòu)性工程，其核心是將各個(gè)單元及配方有機(jī)地銜接起來，通過對(duì)被控對(duì)象合理分組，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)性任務(wù)。

排隊(duì)控制按實(shí)現(xiàn)方法分類，通常可分為以下三種類型。

第一種是計(jì)時(shí)響應(yīng)控制，分時(shí)間等待最長和時(shí)間等待最短兩種，具體應(yīng)用視項(xiàng)目工藝或?qū)嶋H情況而定。這種方法需用到大量的定時(shí)器，其優(yōu)點(diǎn)是靈活方便，每臺(tái)設(shè)備都具有相同的優(yōu)先級(jí)，無主次之分;缺點(diǎn)是占用的定時(shí)器較多，在大型項(xiàng)目如聚合釜加料控制，每種助劑的每套設(shè)備加料都需要經(jīng)過排隊(duì)，定時(shí)器的大量使用增加了控制器的整體負(fù)荷。

第二種方法是排隊(duì)次序計(jì)數(shù)控制。在某些罐數(shù)多、操作要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，比如制藥行業(yè)，計(jì)數(shù)可以方便操作員掌握各個(gè)儲(chǔ)罐的實(shí)時(shí)情況，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率。

第三種方法是特定次序響應(yīng)法，也是本文著重介紹的方法，其響應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 特定次序法響應(yīng)過程Fig.2 Response process of specific sequencing method

在某種助劑加料過程中，預(yù)先編排響應(yīng)次序。當(dāng)某一種助劑加料設(shè)備完成對(duì)某一臺(tái)聚合釜的加料并處于空閑時(shí)，其他進(jìn)入這種助劑排隊(duì)列表中的聚合釜按“釜號(hào)”依次響應(yīng)，逐一完成。如果某種助劑的加料具有多線選擇功能的，那么同時(shí)加料的就可以是多臺(tái)聚合釜，其他多臺(tái)釜如要加料就必須先進(jìn)入排隊(duì)，等待助劑設(shè)備空閑后依次響應(yīng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序編寫起來標(biāo)志位穩(wěn)定、容易判斷、程序量小、結(jié)構(gòu)清晰。

3.2 組態(tài)管理軟件優(yōu)點(diǎn)

組態(tài)管理軟件采用的是浙江中控基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)集散控制系統(tǒng)所開發(fā)的全中文界面DCS組態(tài)編程軟件。組態(tài)管理軟件集成了LD、FBD、SFC、ST四種類型的編輯器，LD、FBD以及SFC編輯器相結(jié)合，可以較好地滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所遇到的大部分控制任務(wù)，而使用ST編輯器可以實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)應(yīng)用。

在編寫聚合釜排隊(duì)與批量控制程序的過程時(shí)，主要使用組態(tài)管理軟件完成程序框架的編制。ST語言具有易讀易理解、迭代方便、占用內(nèi)存小的優(yōu)點(diǎn)，因此，在具體的程序動(dòng)作的編寫過程中，較多使用ST語言編寫程序。

3.3 排隊(duì)邏輯實(shí)現(xiàn)

多線排隊(duì)控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多線排隊(duì)控制邏輯圖Fig.3 Logic of the multi-line queuing control

工藝系統(tǒng)無備線時(shí)，系統(tǒng)一次響應(yīng)一臺(tái)釜，條理較清晰。在多線切換加料的控制任務(wù)中，系統(tǒng)可以同時(shí)響應(yīng)多臺(tái)釜的加料，邏輯相對(duì)復(fù)雜些，編程時(shí)考慮的情況較多，要注意控制器的執(zhí)行周期、掃描規(guī)律等。

工藝系統(tǒng)無備線時(shí)，系統(tǒng)一次響應(yīng)一臺(tái)釜，條理較清晰。在多線切換加料的控制任務(wù)中，系統(tǒng)可以同時(shí)響應(yīng)多臺(tái)釜的加料，邏輯相對(duì)復(fù)雜些，編程時(shí)考慮的情況較多，要注意控制器的執(zhí)行周期、掃描規(guī)律等。

在程序編寫過程中，采用了嵌套的CASE選擇語句，用來對(duì)步和釜作出選擇。嵌套的IF、END_IF語句，用作條件判斷和狀態(tài)標(biāo)志位檢測(cè)、條件跳轉(zhuǎn)語句及多種文本代碼計(jì)算等。按“釜號(hào)”從低到高的原則選釜，結(jié)合控制器從上到下、從左到右的掃描規(guī)律，在條件判斷中一旦檢測(cè)條件滿足，立刻置位標(biāo)志位，屏蔽其他釜的響應(yīng)。組合各個(gè)助劑單元，構(gòu)成完整的排隊(duì)控制。

4 結(jié)束語

針對(duì)聚合釜在間歇生產(chǎn)中助劑設(shè)備使用率低，生產(chǎn)周期長的問題，本文探討了結(jié)合工藝和軟件實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的方法。工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本文所提出的助劑單元控制策略能夠降低助劑設(shè)備加料空置率，提高聚合釜的使用率，系統(tǒng)響應(yīng)性能良好。該方法切實(shí)可行，具有一定的借鑒推廣意義。

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