氣力輸送控制系統及其智能控制方法的研究

翟兆凱

（澤普林固體物料技術（上海）有限公司，上海 201821）

針對目前橡膠輪胎行業面臨的實際技術狀況，通過系統、科學、深入、細致的產品技術特性分析，歸納提煉，科學歸納總結，研發生產的“智能化氣力輸送系統”產品系列是集科技、環保、自動檢測與控制為一體的新一代現代化應用技術系統，計算機智能監控系統技術和企業供應鏈運營管理過程自動化控制系統，以及集大規模集成工業裝備和應用技術于一體的新一代自動化高科技和數字化產品。解決了國內橡膠輪胎行業粉狀物料多、物理條件復雜、環境污染危害最嚴重等諸多關鍵技術難題。柔性生產系統設計具有“機電一體化、軟硬結合、管控并重”的系統設計技術特征。

1 國內研究和應用現狀

目前，我國橡膠輪胎行業已投入工業應用的氣力輸送控制系統大多由PLC 控制。由于可編程控制器能在工業領域的各種復雜環境中長期穩定工作，以可編程控制器為控制系統核心的氣力輸送系統得到了國內用戶的認可。在國外，由于氣力輸送技術的早期發展，工業化國家對環境保護的重視，以及許多西方國家勞動力成本高，氣力輸送設備得到了充分利用，其控制系統已經相當成熟。工業可編程控制器（PLC）和普通PC 機的雙層計算機控制模式得到了廣泛的應用，許多智能應用已經在軟件中實現。例如，美國的空氣輸送控制系統采用PLC 和SCADA 兩級結構，采用了系統配置使用特殊的SCADA 軟件。PLC 控制器系統具有設備體積小、反應頻率快、能耗比較低、操作程序簡單、維護保養方便、集中控制功能等多項優點，另外還具有運算能力，在現代工業控制中有著廣泛的應用。

多篇文章從計算機輔助工程系統設計工程方法和工程計算機仿真方法兩個技術層面系統介紹和闡述了如何考慮計算機綜合仿真，指導氣力輸送系統計算機集成設計仿真軟件的開發。工程模擬設計過程的目的是根據已知流體物料輸送設備的相關特性參數和具體技術參數的要求，綜合設計模擬物料輸送系統的設備。結合國外工程系統設計的實踐經驗。通過計算模擬數據，計算機模擬方法可以進一步預測系統各運行點的流量參數差異，以及流場環境中單輸管道布局的變化對氣流輸送過程的重要影響。這兩個特性的有機結合將有助于建立大型氣力輸送管道的計算機分析、設計和計算系統。

一些研究機構也將人工智能理論應用于氣動提升的研究，主要是利用神經網絡技術對氣動提升的各種參數進行預測，并取得了良好的效果。然而，沒有使用實際的軟件或產品。目前對氣力輸送系統的智能控制研究較少。

總體而言，我國企業在氣力輸送智能控制系統方面與一些發達國家存在較大的理論差距。無論是工程應用的基礎水平，還是先進工程應用的實踐研究水平。

2 項目實例

2.1 萬華350KTA HDPE 黑料氣力輸送項目

項目簡介：本項目是通過氣力輸送方式，把由擠壓機生產出的HDPE 黑料輸送至摻混料倉，利用AUQ 氣力輸送密相技術把物料輸送至摻混料倉；物料摻混均勻后，再通過AQU 氣力輸送、密相輸送，輸送至包裝料倉。

項目技術難點：靜電消除器消線效果不佳；國外廠商提供的AQU 接線圖紙和現場實物嚴重不符。AQU 密相輸送無國外技術支持。

項目解決方案：通過以下方式改變靜電消除器的消電效果：優化儀表風持續供應，單獨提供連續的儀表風源。增加法拉第杯的取樣頻率。根據測量的荷質比和靜電狀態，調整系數，調整正負離子的量。

由于AQU 密相全自動輸送的技術在國外有一些設備廠商也僅僅只是簡單提供技術給做了一些配套的設備，沒有給予實質性技術應用的技術支持，在研究利用該這套技術系統來實現密相自動輸送裝置國產化的設計開發及研究應用中，解決了以下基本問題：通過分析流量變送器、調節閥、限位開關、壓力變送器、開關閥儀表參數，與AUQ 控制原理圖紙，更改AQU 實物接線并測試，逐一排查，成功解決；AQU廠商沒有提供針對該項目的控制邏輯，所以DCS 部分的控制邏輯需要通過AUQ 裝置的樣本資料，再通過具體項目分析，提出可運用于該項目的控制邏輯，并通過多次DCS 與AQU 控制器之間的控制方案優化，形成了完整的密相輸送AQU 控制方案；通過調整控制流量，改變物料的輸送狀態，避免物料沙丘流等不穩定狀態，實現物料的密相輸送。

項目成效：該項目在國外技術支持的情況下，成功地完成了密相開車，突破了眾多的技術壁壘，為密相輸送技術國產化做了經驗積累。

2.2 延長300KTA LDPE/EVA 氣力輸送項目

項目簡介：本項目是通過氣力輸送方式，把高壓管式法生產的LDPE 粒料、EVA 粒料輸送至脫氣倉；并通過改變脫氣流量、脫氣時間對脫氣倉中對不同牌號的產品進行脫氣，當脫氣效果達標后，把脫氣倉中的物料輸送至包裝倉，進行包裝；該項目利用了PLC和SPLC 控制方案，實現了由PLC 和SPLC 系統控制高壓工藝輸送的新方法。

項目技術難點：流量變送器測量數據不穩定，同一直管段下的渦街流量變送器、畢托管流量變送器測量數據無法對應；高壓工藝輸送系統首次使用PLC/SPLC 系統控制；導波雷達不便于維護，誤報頻繁。

項目解決方案：對渦街流量變送器進行溫度壓力補償，在流量變送器的表頭上設置為工況流量參數輸出，利用柏努利方程原理把工況下的流量轉化為質量流量；畢托管流量變送器表頭設置為差壓值參數的輸出，經過溫差補償公式進行溫度和壓力的補償；通過補償后的流量可以穩定輸出，并且能相互對應。高壓工藝輸送系統使用PLC/SPLC 系統控制，解決了以下問題：①使用PLC 的計數模塊FM350 代替速度轉化模塊KFD-UFC-EX 1.D，節省了機柜安裝空間，信號輸出準確穩定；②利用PLC 與SPLC 代替DCS 與SIS 對高壓工藝輸送進行控制，系統間利用西門子獨有的S7 通訊，替代了DCS 與SIS 之間的硬線連接，在保證安全性的同時，保證信號往來穩定不丟失，節省了巨額的硬件、軟件及安裝布線成本。利用高頻非接觸式雷達變送器代替導播雷達變送器，解決了由于物料掛壁產生的誤報問題，同時，高頻雷達對于低介電常數的物料反饋比低頻雷達溫度可靠，易于維護。

項目成效：該項目成功地運用了PLC 和SPLC 對高壓工藝輸送控制，為高壓輸送的控制方式提供了一種新的解決途徑，并且解決了高壓氣力輸送過程中的眾多難題。

2.3 神馬100KTA PC 氣力輸送項目

項目簡介：本項目是通過氣力輸送方式，把由擠壓機生產出的PC 粒料輸送至摻混料倉，利用國產自主研發的ACU 密相技術把物料輸送至摻混料倉；物料摻混均勻后，再通過ACU 密相輸送，輸送至包裝料倉。

項目技術難點：壓縮機站控制方案設計；國產ACU 密相輸送技術引用。

項目解決方案：通過以下方式設計壓縮機站方案：由于壓縮機冬天夏天的氣量是變化的，所以壓縮機站的設計需要考慮冬天的排氣量（氣量大，排不掉，容易憋壓停車）、夏天的需求量（氣量小，滿足不了數量氣量的要求）；啟動累計運行時間最短的壓縮機，停止運行周期時間周期最長時的壓縮機，均可以畫定壓縮機最長的停止運行周期時間，保證了壓縮機可以長久、高性能連續地運行；壓縮機增加維修狀態信號，便于壓縮機的檢維修，以及增加操作的便利性；調整壓縮機站出口氣罐的PID 調節的靈敏性，以便能靈敏的排除余量的氣體；調整各條輸送線之間的氣量需要，輸送狀態與空吹狀態之間的用氣量平衡。

該項目研究開發目的之一是針對ACU 是目前具有國內首個完全的自主的知識產權研發和設計開發的閥門成套控制設備，單獨或者批量地采購開關閥、調節閥、壓力變送器、流量變送器，通過自主研發的控制方案與邏輯，維持ACU 密相輸送的平穩運行，實現粒料密相輸送的國產化。

項目成效：該項目成功實現了ACU 密相輸送技術的國產化，擺脫了需要國外技術才能實現密相輸送的難題，同時，大幅降低了硬件軟件的成本，優化了控制方案，使控制更簡潔。

3 PLC 控制方案

PLC 的總線邏輯控制方案是指計算機控制系統中一般是用可編程邏輯控制可編程的總線控制器芯片模塊（PLC）來作為其總線控制器部分，包括完成整個計算機系統的控制過程的輸入及輸出和人機界面，通常是需要通過在PLC 電路中相應的控制輸入或輸出控制點、驅動的控制輸出按鈕和控制狀態指示燈按鈕等模塊來完成。為了有效、準確地顯示整個系統的運行情況，監視系統的運行狀態，系統控制器采用模擬屏燈直接置于主控柜水平面上的運行方式。指示燈應用于直觀地指示系統主要部件的功能和運行狀態信號。目前，輪胎工業中使用的大多數基本參數氣動控制系統都采用這種控制系統。

PLC 分布式控制模塊的設計方案不僅具有自身結構緊湊、結構簡單、可靠性高的特點，而且具有各種分布式控制單元輸入控制器或輸出分布式控制單元模塊，可以通過直接總線和現場總線通信技術直接連接，省去了以往大量復雜的布線硬件和現場綜合布線（如圖1）。基本上可以完全滿足當今各種中小型工廠大規模生產中現代化管理應用的需求。因此，它已被較為成熟、廣泛、有效和實用的現代生產管理行業所應用。然而，隨著企業工廠建設的現代化進程，大規模生產控制自動化和管理控制自動化等，對現代化生產工藝設備的要求也逐漸進一步提高。PLC 作為整個生產過程中的輔助設備，其設計方法本身不可避免地會面臨一些技術上的劣勢和缺陷，這些劣勢和缺陷會逐漸暴露和展現出來。目前，PLC 控制方案系統本身還遠遠不具備實現現場大批量生產的實時數據采集系統的自動實時信息存儲、記錄查詢和自動實時數據顯示與記錄的功能，無法滿足用戶對復雜系統信息數據實時、快速、深入分析處理能力的苛刻性能要求。

圖1 現場總線型控制系統

4 工控機控制方案

工控機控制方案是指利用工業控制計算機作為控制器來控制氣力輸送系統的控制系統。工控機通過在主板插槽上安裝數字或模擬輸入輸出板來采集現場信號。由于主板插槽的數量非常有限，輸入和輸出點相對較少，工控機只能用于中小型控制系統。另外，工控機的抗干擾能力很低。由于大多數工業計算機使用微軟Windows 操作系統，其運行模式決定了其無故障工作時間與PLC 掃描模式之間的平均時間仍有很大差距。這也限制了工業計算機在工業領域的應用。然而，由于工業計算機通常使用Windows 操作系統，可用的軟件資源非常豐富。此外，工業計算機本身有一個大容量硬盤作為存儲設備和一個高分辨率顯示器作為顯示設備，這對于處理大量數據非常有用。這些特點決定了目前工業控制計算機在橡膠輪胎行業的氣力輸送控制系統中很少單獨使用，而更多用于實驗室操作的氣力輸送控制系統。

5 結束語

文章根據項目實例探討了氣力輸送控制系統的智能控制方法，實際上，后一個系統可能比上述模擬系統更復雜，它將配備許多其他輔助自動化設施，如換熱器、過濾器、手動調節閥控制系統、旋轉給料機系統的氮氣反吹控制單元和過濾器控制系統等。筒倉位置和自動傳送路徑系統的參數設置方法也可能相對復雜。筆者介紹的是氣動機械輸送與控制系統設計的工程實現的最簡單可行的基本方法、技術和一般思路，以及近年來在實際工程項目中總結出來的一些實用技巧。希望對大家實際進行工程液壓系統的優化設計規劃和設計實施有一些有效的學習、借鑒和實際幫助。