甲醇汽油新能源自動化生產控制系統設計研究

鄭紅燕

(河北工業職業技術學院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

作為汽車用燃料，甲醇汽油不僅價格低廉且清潔環保，基于甲醇、汽油、添加劑三者混合制備生成，符合國際汽油性能指標，在具體實際應用時也非常方便，可在很大程度上避免汽車裝置改動，經濟性、安全性、環保性較為突出，具備顯著的節能降耗特性[1]。就我國來講，甲醇汽油發揮著關鍵性作用，而且也具備一定的生產優勢。這是因為我國是煤炭產量大國，隨著甲醇生產工藝逐漸得以改進與優化，以高硫煤和煤矸石等為原料都可制備出甲醇，也進一步實現了大量工業垃圾的回收循環利用，從而有效降低了甲醇汽油成本，甲醇汽油作為新能源具有良好的市場發展前景[2]。而在能源危機日益突出的情勢下，探尋清潔、可再生能源便成了當前多數國家最為重視的新能源課題，此時甲醇汽油便以其獨特優勢深受新能源行業青睞。據此，本文根據實際情況設計了甲醇汽油新能源自動化生產控制系統。

1 自動化生產控制系統設計

1.1 生產工藝

制備具體方式即根據配比把甲醇、汽油、添加等所有所需原料科學合理配比，放置于混合儲物罐中，以常溫常壓狀態進行均勻拌合，并靜置反應2 d，便可制成甲醇汽油新能源。甲醇汽油新能源生產工藝流程[3]如圖1所示。其中，配料是整個過程的核心環節，也是本文研究的側重點。

圖1 甲醇汽油生產工藝流程

1.2 系統結構

在自動化產品持續優化創新的趨勢下，集成自動化生產控制系統也愈發復雜化。而控制系統所需考慮的首要條件便是滿足功能性要求，需集成多種設備，并充分考慮設計、實施、測試時間以及后續運行維護。同時還需就生產優化逐步擴展系統，對此需要進行自動化生產控制系統設計。且在系統網絡化要求提高的趨勢下，各式各樣工業網絡不斷衍生，促使系統結構日益優化健全[4]。

作為工業應用開發的應用層協議，CIP(通用工業協議)不僅功能強大，且靈活性、實時性、可靠性與可重復性良好。利用CIP定義下層協議以生成對應網絡，面向各網絡建設自動化生產控制系統的不同層次，其各層信息具體見表1。

表1 各層信息

信息層的主要作用是為系統提供車間級相關數據信息，確保管理層計算機基于以太網加以訪問，從而整合并監控整個控制系統相關數據；控制層負責提供于PLC間、PLC與智能控制設備可以通過個性化方式，促使系統實現數據實時交互，控制協調，遠程在線配置等相關功能；設備層則將分布比較寬泛的底層設備與網絡相對接，以此獲取更高配置，并順利采集設備狀態，既便捷又靈活。

基于PLC在甲醇汽油新能源自動化生產控制系統結構中的響應功能，可將系統整體劃分為集中控制與分散控制2種系統。其中集中控制系統即分層級星形系統，集中系統[5]所有控制于同一處理器內進行處理分析，具體如圖2所示。

圖2 集中控制系統

而分散控制系統[6]即分散布置系統控制和管理功能在多處理器中，分別進行處理分析。分散控制系統如圖3所示。

圖3 分散控制系統

甲醇汽油新能源自動化生產控制系統以集中控制方式為載體，集中全部控制于同一PLC內。由于閥門、變頻器、調節閥、繼電器等受控制對象繁雜，硬件接線過于復雜，且容易出錯，維護與查錯難度較大，而且需針對6個調節閥輸入并輸出模擬量控制信號，應注意避免信號傳輸受干擾。因此，系統主要通過設備網網絡，將受控制設備直接掛載于設備網網絡，以便于管理層迅速及時充分掌握生產數據信息，以對接生產控制系統與信息網絡。系統結構[7]如圖4所示。

圖4 甲醇汽油新能源自動化生產控制系統結構

1.2.1 配料

高效且高精配料是甲醇汽油新能源自動化生產控制系統最為關鍵的環節，而自動配料是精細化工生產工藝的關鍵環節，其與甲醇汽油的最終質量密切關聯。在確保高精配料的基礎上，還需促使自動化生產控制系統實現高效生產，而配料的精確度和效率彼此關聯且相互限制，這就要求在工藝與控制方式等角度著手，促使配料工序實現高精、高效。

配料方式主要分為靜態與動態2種，其中靜態方式比較適合不要求連續配料的現場，對于時間的相關要求并不嚴格，是基于既定批次進行配料，各批次間可留有時間間隔；動態方式則適合要求連續配料的現場，對于配料連續性要求比較高，且各批次之間不允許中止或者間隔。就原理上來講，配料工序主要包含以體積為載體與以質量為載體2種方式。以質量為載體的配料方式可實現較高精確度。

甲醇汽油原料均為液態，既有液體配料工序通常選擇以體積為載體的流量控制方式，即將原料質量配比轉換為體積配比，以管道內原料流量控制為基礎持續配料，可實現高精確度、高效率配料。但是此方式的不足在于，通過流量控制時需進行配比轉換，容易出現偏差，而且液體原料密度易受溫度影響，不同原料所受影響各不相一，進而則會直接影響配料精確度。因此，甲醇汽油新能源自動化生產控制系統采取靜態稱重配料方式，根據既定批次進行原料提取、配料。盡管此方案以批次為基礎，中間存在一定的時間間隔，但是可以加快供料與排料速度、實現生產效率提升。

1.2.2 稱重

甲醇汽油新能源自動化生產控制系統采取以質量為基礎的靜態稱重配料方式，主要分為增量法和減量法。以增量法進行稱重配料，在停止供料時，便會有定量原料已輸出供料設備并在下落，此原料會進入稱重罐，以導致質量增多，增多的部分質量被稱之為落差量。以增量法進行稱重配料，應最大限度度地縮小落差量，以保障配料精確度。如果供料速度快或者物料密度大，物料會沖擊稱重設備。若是物料具有黏附性，則極易導致物料點黏附于裝置，使得實際轉移物料與設定值之間存在偏差。

通過減量法進行物料傳輸，全部物料質量均會進入生產設備，所以具有黏附性的物料可采用減量法。而利用增量法，可就各批次物料質量選用合適設備，并靜態稱量結果。然而通過減量法，原料裝置內儲存大量原料，需以大量程稱重設備，這樣一來，在配料過程中原料質量不斷降低，會出現用量程過大的稱重設備進行小質量稱量，很容易造成誤差。

稱重配料方式具體為單稱單料、單稱多料[8]。其次單稱多料就是針對多種原料配備一臺稱重裝置，根據既定順序進行稱重配料。

甲醇汽油新能源自動化生產控制系統中的原料黏附性比較小，各個批次原料用量過大。因此，選擇增量法進行稱重配料。而且甲醇與汽油用量大的原料選擇單稱單料方式，添加劑則選用單稱多料方式，以切實有效節約成本。雖然單稱多料速度較慢，然而添加劑比重較小，所以也不會過多影響配料效率。

1.2.3 供料

供料方式即把原料由存儲罐面向稱重配料罐進行供料所采取的方式。而供料方式的選擇需以物料形狀和速度要求為基礎，其中固體干料可選用螺旋給料設備和震動給料設備，液體物料則選用以泵給料。配料過程中，供料速度的可調性是整體性能的關鍵性指標。

甲醇汽油原料都是液體物料，配料時，可選用油泵供料方式，或把原料設備放置于高位，以自流出料，2種方式對于速度的要求都很高，需要高精確控制。基于油泵進行供料，需通過配置變頻器以控制供料速度。自流出料則可通過調節閥調節并控制速度。以上2種方式的差異在于可實現的最大配料速度不同，油泵變頻器控制可實現高速度，但是以調節閥控制可實現的速度相對有限。不過油泵變頻控制成本相對較高，在實際生產過程中，選擇供料方式需以具體需求為依據。

甲醇汽油新能源原料主要為甲醇、汽油、添加劑，其中甲醇所占比例較大，而添加劑只占據少量比例。所以，在配料效率不受影響的基礎上，在節約成本的角度，甲醇和汽油選擇油泵變頻控制的方式供料，添加劑則選用自流出料方式供料，利用調節閥控制速度。甲醇汽油新能源自動化生產控制系統配料方案[9]具體見表2。

表2 甲醇汽油新能源自動化生產控制系統配料方案

2 自動化生產控制算法

原料稱重配料是甲醇汽油新能源自動化生產控制系統的核心階段，其精確度是保障產品質量的重要前提。

2.1 稱重過程

甲醇汽油新能源自動化生產控制系統稱重配料時，物料沖擊、過沖量、落差量等會對稱重精確度造成直接影響，物料沖擊影響最小，而過沖量和落差量的影響相對偏大。利用油泵供料時，油泵停止運行之后，受慣性作用，依舊會有少量原料進入稱重裝置中，使得稱重值持續變大，此超出量便是過沖量。

甲醇與汽油通過油泵面向稱重罐內供料，高速供料時，稱體所承受的沖擊比較大，尤其是稱重初始環節，液體會對罐底造成直接性沖擊。在稱重罐內液體達到既定高度時，便會有效緩沖沖擊力，此時所承受的沖擊隨之變小。結束時，選擇低速供料，稱重裝置承受的沖擊會相對偏小。但是配料結束之后，由于速度慢沖擊小，和過沖量、落差量造成的影響相融合，便會導致稱重結果相對偏大。

2.2 超量預估算法

若可以提前獲取稱重超量值，那么質量和設定值的差值與超量值相同時，油泵停止運行，便可實現稱重值與設定值相同。然而超量屬于滯后隨機量，無法提前獲取精確值。但是在甲醇汽油新能源自動化生產控制系統穩定運行后，超量應嚴格控制在規定范圍，可根據前批次超量值對后批次超量值加以預估。質量變化具體如圖5所示。圖5中，W1為快速供料轉換成慢速供料時配料的具體質量；W2為油泵停機時配料的具體質量；W0為質量最終值，理想狀況下最終值與設定值Wf相等；ΔW為超量預估值，油泵停機點質量為W2=Wf-ΔW，取決于超量預估值，最終偏差為Δm=Wf-W0。

圖5 質量變化示意

其中，t0～t1時間段，油泵快速供料，縮短配料時間，短時間內配料可達到設定值大約80%；t1～t2時間段，油泵慢速供料，通過適度降低物料沖擊、過沖量、落差量，減小超量值；t2～t3，油泵停機之后，質量持續增加，即超量階段。

快速轉換到慢速的轉折點重力是由慢速所決定的，與設定值無關，而等于設定值減去與慢速相關的值，此值需超出設定慢速超量，為保障安全，應盡量設置較大的超量。針對甲醇汽油新能源自動化生產控制系統，快速為油泵可提供最大供料速度，慢速為其1/5。而停泵點重力為達到停泵指令發出時的重力，變頻器控制油泵在10 s之內停運。

超量預估值可通過試驗獲取，但是需在生產過程中實時修正超量預估值。也就是通過試驗獲得初始超量預估值再乘以W，并計算首批次關斷點重力，穩定后，以設定值和穩定值得出偏差值，然后就偏差大小進行評估，以明確后續批次超量預估值。

甲醇汽油新能源自動化生產控制系統穩定生產時，超量預估值方法理論上能夠解決超量相關問題。但是生產時的隨機干擾很容易造成某一批次最終偏差突變，如果采用上述算法，便會將其帶入其他批次超量預估值中，需以有效措施去除隨機干擾。超量預估值修正算法流程，如圖6所示。

圖6 超量預估值修正算法流程

以此算法可針對試驗的初始超量預估值加以修正，并防止由于偶然干擾造成的不利影響，以確保配料精確度。系統長時間運行后，需要重新試驗，再獲取初始超量預估值。此修正算法流程簡潔、實用，可基于PLC加以完成。

3 系統測試

3.1 上位機畫面實現

以組態軟件RS View32設計上位機監控畫面，其中采用的多數標簽均與PLC標簽對應，基于系統思路與PLC提前定義標簽，利用RS Logix5000生成.CSV文件，通過簡單修整，導入RS View32應用程序。

以標簽數據庫設計系統監控畫面，并設置告警和數據權限等，以呈現系統設備分布狀態與生產設備運行狀態。基于自動模式下的生產控制系統上位機監控畫面如圖7所示。

在未設定上位機遠程手動操作指令時，手動模式下，可通過Animation功能進入手動操作界面，以單一性操作啟動、停止設備運行，并設置具體參數。甲醇供料變頻泵VFP1手動操作界面如圖8所示。

3.2 上位機監控畫面實現

RS View32基于OPC方式訪問RS Linux，需于RS Linx內配備OPC topic，在topic內對應虛擬控制器，RS View32通過topic可訪問內部變量。于RS View32內構建節點指向RS Linux OPC Server，將標簽指向節點，并將標簽地址指向控制器標簽，以此可于畫面內按照正常在線研發使用標簽，從而實現畫面調試。基于上述方式模擬調試PLC控制程序與上位機監控畫面，可促使程序就工藝流程有序執行，而上位機監控畫面可以準確呈現數據，并執行具體操作。

4 結論

綜上所述，基于甲醇汽油新能源生產工藝特性，設計了甲醇汽油新能源自動化生產控制系統。通過甲醇汽油新能源生產工藝提出了基于稱重的配料方式，并就用量不同針對不同原料選擇相應稱重與供料方式；同時分析生產控制系統稱重配料特點，該系統能夠在滿足配料速度的基礎上實現高精確度，所提出的超量預估修正算法可以準確預估超過量。