乙醇裝置粉碎傳動(dòng)設(shè)備聯(lián)鎖控制算法研究及應(yīng)用

許 皓，孫明革，呂占龍

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

近年來，我國(guó)提出“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，燃料乙醇[1]代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化燃料成為新風(fēng)向，2022年中國(guó)燃料乙醇市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展趨勢(shì)分析報(bào)告認(rèn)為，未來我國(guó)政府還將繼續(xù)適度發(fā)展燃料乙醇行業(yè).中國(guó)燃料乙醇的潛在市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大[2].以我國(guó)幾家主要燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能來看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來國(guó)內(nèi)對(duì)燃料乙醇的需求，燃料乙醇產(chǎn)能擴(kuò)張不可避免.

在乙醇行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于傳動(dòng)設(shè)備數(shù)量眾多，為提高生產(chǎn)效率和安全穩(wěn)定，輸送工段的傳動(dòng)設(shè)備往往要求做到一鍵啟停車和故障聯(lián)鎖停車.而對(duì)突發(fā)情況的處理難度與處理速度要求也隨之增加，傳動(dòng)設(shè)備故障時(shí)，生產(chǎn)人員需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)工況進(jìn)行分析判斷，并且快速啟停和投切聯(lián)鎖設(shè)備，工作量較大且很難做到面面俱到，事故發(fā)生可能性較高.為使傳動(dòng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，乙醇行業(yè)傳動(dòng)設(shè)備的聯(lián)鎖控制算法還具有極大的優(yōu)化價(jià)值與優(yōu)化空間.以粉碎工段為例進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)備聯(lián)鎖控制算法的優(yōu)化.

1 粉碎工段傳動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程

主要研究粉碎工段的傳動(dòng)設(shè)備[3]聯(lián)鎖控制，其工藝流程圖如圖1所示.

圖1 粉碎階段工藝流程圖

粉碎過程中，物料通過皮帶傳輸機(jī)從料倉中傳輸，經(jīng)過玉米斗提機(jī)和玉米刮板機(jī)，傳送到物料倉筒中，然后通過流量平衡器，控制倉筒中物料的下落速度，防止物料一次性下落過多，導(dǎo)致在刮板機(jī)和斗提機(jī)堵塞，再通過雙錕電動(dòng)磁選器，進(jìn)行物料的磁選，防止物料間混入金屬制品，導(dǎo)致設(shè)備被破壞.接著物料通過刮板機(jī)，進(jìn)入物料粉碎機(jī)，粉碎后的物料粉通過斗提機(jī)進(jìn)入檢查篩中，檢查篩檢測(cè)物料粉的粉碎程度，分成粗料與細(xì)料流出，粗料通過刮板機(jī)，再次輸送進(jìn)入粉碎機(jī)中，細(xì)料則通過細(xì)料螺旋機(jī)，進(jìn)入物料粉料倉，倉底振動(dòng)卸料機(jī)位于玉米粉料倉的底部，通過振動(dòng)的方式，將存儲(chǔ)在物料粉料倉中不易下落的物料粉卸下，通過變頻絞龍和斗提機(jī)傳送物料粉，通過粉料計(jì)量稱對(duì)物料粉進(jìn)行稱量，最后將物料粉送入調(diào)漿工序中.

1.2 控制要求

本系統(tǒng)需要粉碎工段傳動(dòng)設(shè)備按照設(shè)定順序啟停，當(dāng)其中某一個(gè)或多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要快速響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖停機(jī)，使故障設(shè)備從生產(chǎn)線中切掉，要求不能影響生產(chǎn)線其他設(shè)備的正常運(yùn)行.

2 粉碎工段傳動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)的常規(guī)聯(lián)鎖控制

2.1 設(shè)計(jì)思想

由于傳動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)的控制流程與控制要求和軌道交通聯(lián)鎖控制極為相似[4]，所以設(shè)計(jì)思想上主要借鑒參考文獻(xiàn)[4]中核心思想，在常規(guī)聯(lián)鎖控制設(shè)計(jì)中，每個(gè)傳動(dòng)設(shè)備的控制需要對(duì)兩種條件進(jìn)行判斷，分別是：該設(shè)備是否有兩條及以上的前置生產(chǎn)線路；該聯(lián)鎖設(shè)備的所有前置生產(chǎn)線是否運(yùn)行.如果該設(shè)備只有一條前置生產(chǎn)線路，聯(lián)鎖信號(hào)傳入該設(shè)備，則傳動(dòng)設(shè)備立即聯(lián)鎖；如果該設(shè)備存在兩條及以上的前置生產(chǎn)線路，并且該設(shè)備的前置生產(chǎn)線路全部停止運(yùn)行，聯(lián)鎖信號(hào)傳入該設(shè)備，該設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖；若存在一條及一條以上運(yùn)行的前置生產(chǎn)線，則該傳動(dòng)設(shè)備不進(jìn)行聯(lián)鎖停機(jī).

根據(jù)常規(guī)聯(lián)鎖控制的設(shè)計(jì)思想，常規(guī)聯(lián)鎖控制方式的時(shí)間復(fù)雜度為O(2n).

2.2 控制流程

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想搭建常規(guī)聯(lián)鎖控制[5]系統(tǒng)，常規(guī)聯(lián)鎖控制流程如圖2所示.

圖2 常規(guī)聯(lián)鎖控制流程圖

根據(jù)圖2可以得出式(1)：常規(guī)聯(lián)鎖控制算法方案.

(1)

式(1)的變量如下所示，同時(shí)在式(2)中有體現(xiàn).

2.3 實(shí)例說明

以圖3為例，說明式(1)的控制邏輯：若粉碎機(jī)A出現(xiàn)故障，粉碎機(jī)A立即停止運(yùn)行，并將聯(lián)鎖信號(hào)傳入刮板機(jī)中，刮板機(jī)接收聯(lián)鎖信號(hào)，并且判斷是否與兩個(gè)及以上的前置生產(chǎn)線連接.若刮板機(jī)有且僅有一條與粉碎機(jī)A連接的生產(chǎn)線，則刮板機(jī)立即進(jìn)行聯(lián)鎖，并將聯(lián)鎖信號(hào)傳輸?shù)蕉诽釞C(jī)A與斗提機(jī)B中；若刮板機(jī)有兩條生產(chǎn)線分別與粉碎機(jī)A與粉碎機(jī)B相連，判斷粉碎機(jī)B是否工作，若粉碎機(jī)B運(yùn)行，則聯(lián)鎖信號(hào)停止傳輸，刮板機(jī)運(yùn)行；若粉碎機(jī)B未運(yùn)行，則聯(lián)鎖信號(hào)繼續(xù)傳輸，刮板機(jī)停止運(yùn)行.

圖3 常規(guī)聯(lián)鎖控制實(shí)例

3 粉碎工段傳動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)聯(lián)鎖控制的優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)思想

由于聯(lián)鎖情況眾多，常規(guī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖過于繁雜且響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中易發(fā)生安全問題，所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使其能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成聯(lián)鎖控制以保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行.矩陣聯(lián)鎖控制使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想和控制系統(tǒng)的最優(yōu)化方法，將問題分解成子問題來解決[6]，一個(gè)整體的聯(lián)鎖系統(tǒng)問題分解成為系統(tǒng)上每個(gè)設(shè)備的控制問題，該方法極大地優(yōu)化了控制系統(tǒng)，降低了計(jì)算量.

矩陣控制聯(lián)鎖方式如圖4所示，從故障點(diǎn)1號(hào)生產(chǎn)線第n個(gè)設(shè)備開始，分別縱向一階與橫向一階查找需要聯(lián)鎖的設(shè)備，進(jìn)行聯(lián)鎖停機(jī)操作，矩陣控制聯(lián)鎖方式的時(shí)間復(fù)雜度為O(n2).

圖4 矩陣聯(lián)鎖控制方式圖

3.2 控制流程

優(yōu)化后的矩陣聯(lián)鎖控制流程如圖5所示.

圖5 矩陣聯(lián)鎖控制流程圖

根據(jù)矩陣聯(lián)鎖控制流程得出式(2)優(yōu)化后的矩陣聯(lián)鎖算法.

(2)

3.3 控制算法

矩陣聯(lián)鎖控制方式如圖4所示，設(shè)本系統(tǒng)有N級(jí)過程，n為某點(diǎn)到終點(diǎn)的級(jí)數(shù)；x表示任一級(jí)所處位置；sn(x)為決策變量(1為非聯(lián)鎖，0為聯(lián)鎖)；k為故障點(diǎn)所處聯(lián)鎖線(1為非聯(lián)鎖，0為聯(lián)鎖)；Jn(x)表示x點(diǎn)到終點(diǎn)所需要的總共聯(lián)鎖的點(diǎn)；d(x,sn)表示x點(diǎn)到Sn的所需點(diǎn).其中“√”代表選中該傳動(dòng)設(shè)備搭建生產(chǎn)線.

設(shè)一號(hào)生產(chǎn)線第n臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行聯(lián)鎖停機(jī)操作.

第1步：計(jì)算第n臺(tái)設(shè)備及之前的設(shè)備是否需要聯(lián)鎖.

第n臺(tái)設(shè)備：N=n,n=n,x=n.

計(jì)算生產(chǎn)線上的n號(hào)設(shè)備是否需要停止工作，如式(3)所示.

Sn(x)=[k1,k2,…,kn]*[xn1,xn2,…,xnn]T=[0,0,1,…,1]*[1,1,0,…,0]T=0.

(3)

Sn(x)=[k1,k2,…,kn]*[xn1,xn2,…,xnn]T是否大于等于1.若大于等于1則該設(shè)備不需要聯(lián)鎖停機(jī)；若小于1，該設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖停機(jī)操作.

當(dāng)sn(x)得到結(jié)果為0時(shí),n號(hào)設(shè)備需要停止工作，即進(jìn)行聯(lián)鎖.

第n-1臺(tái)設(shè)備：N=n,n=n-1,x=n-1,

計(jì)算生產(chǎn)線上的n-1號(hào)設(shè)備是否需要停止工作.

Sn-1(x)=[k1,k2,…,kn]*[xn-11,xn-12,…,xn-1n]T

(4)

……

第1臺(tái)設(shè)備：N=n,n=1,x=1.

計(jì)算生產(chǎn)線上的1號(hào)設(shè)備是否需要停止工作.

S1(x)=[k1,k2,…,kn]*[x11,x12,…,x1n]T=[0,0,1,…,1]*[0,1,0,…,1]T=1.

(5)

第2步：上述結(jié)果進(jìn)行匯總，得出式(6)，用來表示整個(gè)系統(tǒng)的全部聯(lián)鎖設(shè)備:

Jn(x)=[d{x,Sn(x)},Jn-1{Sn(x)}].

(6)

4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

4.1 常規(guī)聯(lián)鎖控制與矩陣聯(lián)鎖控制仿真

采用霍尼韋爾PKS系統(tǒng)[7]C300控制器的控制執(zhí)行環(huán)境CEE(Control Execution Environment)進(jìn)行此次仿真，PKS系統(tǒng)的功能塊支持連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制、基于模型的控制等.使用自定義算法塊CAB(Custom Algorithm Block)對(duì)上述算法進(jìn)行編程，最終程序下裝到Simulation的C300控制器中，CEE冷啟動(dòng)，通過Station檢查RTDB狀態(tài)正常后，系統(tǒng)進(jìn)行仿真.

4.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)同一聯(lián)鎖系統(tǒng)分別進(jìn)行常規(guī)聯(lián)鎖算法仿真和矩陣聯(lián)鎖算法仿真，在同樣的情況下對(duì)同一設(shè)備進(jìn)行故障模擬，最終得出表1的結(jié)果.

表1 仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)兩種聯(lián)鎖方式仿真結(jié)果的聯(lián)鎖時(shí)間對(duì)比，可以清晰地看出，在兩個(gè)及以上設(shè)備的工段系統(tǒng)中，常規(guī)聯(lián)鎖控制聯(lián)鎖時(shí)間長(zhǎng)，而使用矩陣聯(lián)鎖控制算法優(yōu)化后的聯(lián)鎖時(shí)間遠(yuǎn)小于常規(guī)聯(lián)鎖控制時(shí)間.

在整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，出現(xiàn)設(shè)備故障后系統(tǒng)聯(lián)鎖的速度決定系統(tǒng)的安全性，物料在聯(lián)鎖系統(tǒng)的傳動(dòng)設(shè)備中進(jìn)行傳送，在傳動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，物料仍在正常運(yùn)行的傳動(dòng)設(shè)備上傳送，最終匯集到故障的傳動(dòng)設(shè)備前，形成堵料，影響系統(tǒng)安全.故障聯(lián)鎖系統(tǒng)在傳動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，能夠使故障傳動(dòng)設(shè)備前的傳動(dòng)設(shè)備迅速停機(jī)，物料停滯在傳動(dòng)設(shè)備上，防止堵料，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性.同時(shí)，矩陣聯(lián)鎖控制算法相對(duì)常規(guī)聯(lián)鎖控制算法來說，能夠較快地對(duì)故障設(shè)備前系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行快速甄別，確定需要聯(lián)鎖的設(shè)備，保證其他生產(chǎn)線進(jìn)行正常的生產(chǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)在非正常狀態(tài)下生產(chǎn)操作安全平穩(wěn)，保證整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率.

5 結(jié) 論

對(duì)乙醇裝置中粉碎工段傳動(dòng)設(shè)備的控制進(jìn)行研究.仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后的矩陣聯(lián)鎖控制算法相較于常規(guī)聯(lián)鎖控制算法成功地降低了傳動(dòng)設(shè)備的聯(lián)鎖時(shí)間，系統(tǒng)出現(xiàn)傳動(dòng)設(shè)備故障后，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)將整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖，以防止傳動(dòng)設(shè)備上的物料由于設(shè)備聯(lián)鎖過慢進(jìn)行匯集，最終形成堵料等事故，有效地提高了系統(tǒng)的安全性，達(dá)到了預(yù)期的效果.