基于軟件控制的供料系統(tǒng)自動化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

劉 健

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

引言

自動化監(jiān)控技術(shù)是對數(shù)據(jù)的在線采集，并能夠進(jìn)行分析的一項(xiàng)技術(shù)，主要包括監(jiān)控方法、監(jiān)控儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)。供取料廠房采用的是集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System），其特點(diǎn)可概括為“分散控制、集中管理”，目前DCS使用僅限于對現(xiàn)場壓力、溫度以及設(shè)備運(yùn)行情況參數(shù)的采集、顯示；人工手動控制閥門的開關(guān)、設(shè)備參數(shù)設(shè)置以及聯(lián)鎖控制。目前供取料廠房的DCS系統(tǒng)的應(yīng)用較少，DCS所采集的龐大的數(shù)據(jù)和DCS擴(kuò)展的組態(tài)軟件未能進(jìn)行有效的利用。因此，本文主要針對監(jiān)控管理方面在供取料廠房所能夠應(yīng)用的場景及其實(shí)現(xiàn)構(gòu)想進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)對供料系統(tǒng)凈化、凈化判斷、異常報(bào)警等自動化監(jiān)控的要求[1-5]。

1 供料系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)主要工作及問題

1.1 運(yùn)行維護(hù)主要工作

供料系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向生產(chǎn)線供給凈化合格的工作物質(zhì)，本章節(jié)對供料系統(tǒng)在日常的運(yùn)行維護(hù)中參數(shù)記錄、設(shè)備運(yùn)行、凈化、供料、異常判斷等主要工作：工藝人員定時對管線壓力、設(shè)備溫度、重量等參數(shù)進(jìn)行記錄、對比，為判斷系統(tǒng)正常與否提供依據(jù)；每班對供料系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢，容器的裝量及使用狀態(tài)核實(shí)，檢查管線的正確性，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常的設(shè)備、容器、管線，對異常進(jìn)行處理，或者將異常提交待處理后續(xù)再進(jìn)行處理；通過開關(guān)閥門、孔板改變工作物質(zhì)流向以及控制箱體溫度等進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凈化、凈化判斷、供料等操作；由于環(huán)境變化、設(shè)備故障等因素，不可避免地出現(xiàn)管線或者設(shè)備異常情況，運(yùn)行維護(hù)人員需要盡早發(fā)現(xiàn)并處理異常[6-8]。

1.2 運(yùn)行維護(hù)主要問題

供料系統(tǒng)由于人、設(shè)備等因素影響，導(dǎo)致供料系統(tǒng)存的主要問題如下：由于現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量和種類多的問題，可能會存在一些疏漏，導(dǎo)致系統(tǒng)管線長時間堵塞等問題；在對廠房內(nèi)設(shè)備定期維修檢查，設(shè)備檢修間隔時間的差異可能會導(dǎo)致檢修設(shè)備儀器會存在遺漏的問題；供取料運(yùn)行維護(hù)操作時，運(yùn)行人員疏忽，可能出現(xiàn)遺忘某些操作的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)備故障、管線堵塞等，甚至嚴(yán)重的可能導(dǎo)致異常事故；運(yùn)行維護(hù)中的異常判斷和消除，若人員發(fā)現(xiàn)不夠及時，未能第一時間處理，可能導(dǎo)致異常進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 供料系統(tǒng)自動化監(jiān)控技術(shù)研究

針對供料系統(tǒng)中存在的問題，將供料系統(tǒng)自動化監(jiān)控分為5個部分：自動化參數(shù)記錄、自動化設(shè)備管理、點(diǎn)位狀態(tài)判斷、操作識別、異常識別，如圖1所示。

自動化監(jiān)控系統(tǒng)以自動化參數(shù)記錄、點(diǎn)位狀態(tài)判斷和設(shè)備狀態(tài)管理為基礎(chǔ)功能，在點(diǎn)位狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)上，加上對DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器的操作記錄讀取通過程序判斷出正在進(jìn)行的操作，在此基礎(chǔ)上，對供料系統(tǒng)供取料系統(tǒng)的異常進(jìn)行判斷、報(bào)警提示。

2.1 自動化參數(shù)記錄

自動化參數(shù)記錄主要負(fù)責(zé)對DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取，在將讀取得到的數(shù)據(jù)依照系統(tǒng)類型進(jìn)行分類存儲到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件中，之后將存儲的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)和類型進(jìn)行編寫檢查規(guī)則，檢查規(guī)則主要用于檢索上下時間段變化異常或者跳變數(shù)據(jù)，并將檢查規(guī)則檢索出的異常數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、類型、值反饋給操作人員，再由人工對其進(jìn)行核對，并采取相應(yīng)的措施來消除異常，如下頁圖2所示。

通過記錄的參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以供料單元為例說明，需要對正在工作的單元的電調(diào)閥前壓力、工作容器的開度值、加熱箱溫度，每間隔2 h對其進(jìn)行記錄一次。通過安裝有電子稱的供料單元的質(zhì)量下降值，得到供料溫度值、開度值對應(yīng)的質(zhì)量值趨勢圖如圖3所示。

在供料初期如A階段所示，期間電調(diào)閥呈現(xiàn)剛開啟狀態(tài)，容器內(nèi)的工作物質(zhì)含量多，供料時會帶走一部分熱量，容器溫度會下降。在記錄的間隔時間內(nèi)，容器溫度的變化值Δt不超過7℃，開度值變化值不超過10%，氣調(diào)閥前壓力變化值ΔP不會超過10 kPa。供料中期如B階段所示，供料的重量下降速度基本穩(wěn)定，波動較小，在此期間，相同的時間間隔的記錄值的變化量Δt、ΔP、開度的變化值大致相同。供料后期如C階段所示，溫度、電調(diào)閥前壓力、開度變化值呈現(xiàn)降低的趨勢，變化值逐漸趨于0。整個供料期間兩個容器的溫度差值的變化值不會超過5℃。對記錄的參數(shù)進(jìn)行對比分析，若變化值超出了相應(yīng)狀態(tài)的范圍，則可能是容器壁溫度較高的容器出現(xiàn)的堵塞的現(xiàn)象。可以通過將記錄的參數(shù)的差值通過程序進(jìn)行對比分析，將結(jié)果反饋給運(yùn)行維護(hù)人員采取相應(yīng)的處理措施。

2.2 自動化設(shè)備管理

自動化設(shè)備管理，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL為例，建立SQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，人工錄入或者手動修改之前已經(jīng)存在的設(shè)備信息，數(shù)據(jù)庫中主要包含兩個重要的基本表：一個是設(shè)備基本表，設(shè)備表按由設(shè)備型號作為設(shè)備這個數(shù)據(jù)表的主鍵，并添加所屬系統(tǒng)、應(yīng)在點(diǎn)位、所屬設(shè)備類型、存放位置、檢修時間周期、廠家信息、廠家聯(lián)系方式等屬性；另一個是容器基本表，容器表按由容器號作為容器這個數(shù)據(jù)表的主鍵，并添加容器體積、上線時間、工作點(diǎn)位、下線時間、裝量和狀態(tài)等屬性。在建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過程序語言對數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備維修時間間隔進(jìn)行讀取，計(jì)算出下一次定期維修時間，并且生成相應(yīng)的報(bào)表提供給相應(yīng)設(shè)備維修負(fù)責(zé)人。

2.3 點(diǎn)位狀態(tài)判斷

通過讀取DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器中的點(diǎn)位線路的壓力、溫度參數(shù)、根據(jù)不同狀態(tài)下的所進(jìn)行的操作，以及所設(shè)置的溫度、壓力區(qū)間不同，自動對系統(tǒng)的各個單元進(jìn)行標(biāo)簽狀態(tài)。供料單元4個狀態(tài)：凈化、備用、供料、檢修裝進(jìn)行標(biāo)注，除了檢修狀態(tài)是需要人工判斷，其余3個狀態(tài)的參數(shù)都有較為明顯的分界線[9-10]。

凈化狀態(tài)：供料容器中的工作物質(zhì)清潔度未達(dá)到供入標(biāo)準(zhǔn)，需對容器內(nèi)部的工作物質(zhì)通過凈化，使之達(dá)到工作物質(zhì)供入的標(biāo)準(zhǔn)。

備用狀態(tài)：供料容器中的工作物質(zhì)清潔度已經(jīng)達(dá)到供入標(biāo)準(zhǔn)，隨時可以投入生產(chǎn)線使用，與凈化狀態(tài)明顯的分界線是沒有凈化判斷。

供料狀態(tài)：備用狀態(tài)的供料單元檢查后投入生產(chǎn)線工作。檢修狀態(tài)：運(yùn)行維護(hù)人員在現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)問題或者控制室發(fā)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)異常，不能正常使用，即為檢修狀態(tài)。在時間線上，供料容器剛上線為凈化狀態(tài)，之后經(jīng)過凈化判斷為備用狀態(tài)，在之后并入供料為供料狀態(tài)。在上述3個狀態(tài)中若設(shè)備出現(xiàn)問題都變?yōu)闄z修狀態(tài)，如圖4所示。

供料單元在凈化狀態(tài)時，其特點(diǎn)是每經(jīng)過固定的時間段會對容器進(jìn)行凈化，其特征參數(shù)是單元容器的加熱箱溫度在20℃～50℃±2℃，氣調(diào)閥前壓力不大于60 kPa，并入供料管線線路閥門處于常閉狀態(tài)，凈化管線閥門在凈化時處于打開狀態(tài)。供料單元在備用狀態(tài)時，凈化操作與凈化狀態(tài)相同，不同點(diǎn)是凈化的時間間隔不同以及凈化判斷合格。供料單元在供料狀態(tài)時，其特征參數(shù)是供料單元加熱箱溫度在50℃±2℃～80℃±2℃（或50℃±2℃～90℃±2℃），并入供料管線線路閥門處于常開狀態(tài)，凈化管線閥門處于常閉狀態(tài)。對于廠房內(nèi)點(diǎn)位和線路判斷，在智能化判斷點(diǎn)位狀態(tài)的同時，進(jìn)一步通過點(diǎn)位狀態(tài)來得知容器的工作狀態(tài)，進(jìn)而在手動錄入容器編碼的情況下，對各個容器的裝載量、工作上下線時間進(jìn)行分析和標(biāo)注。

2.4 操作識別

現(xiàn)有供料系統(tǒng)的傳感器只能對操作人員的部分操作進(jìn)行判斷，采用DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器的操作員閥門開關(guān)情況、開關(guān)時間間隔以及對管道壓力通過程序?qū)Ρ纫?guī)程中的相應(yīng)操作參數(shù)，自動判別控制室運(yùn)行人員的操作，提醒可能的錯誤操作，及時識別錯誤操作，對錯誤操作顯示報(bào)警[11]。

2.5 異常識別

監(jiān)控系統(tǒng)最重要的是異常判斷，供料系統(tǒng)主要異常（按出現(xiàn)頻次排序）：閥門通道漏、電伴電流低或燒毀、箱體加熱異常、設(shè)備異常、管線堵塞、儀表架有漏等異常運(yùn)行維護(hù)的問題，在不改變現(xiàn)場的閥門儀表設(shè)備的情況下，通過對DCS系統(tǒng)儀表所采集的模擬信號的值對現(xiàn)場系統(tǒng)部分異常情況進(jìn)行分析并判斷。以供料單元堵塞為例說明，在凈化時，閥前壓力大致變化如圖5所示，管線壓力在凈化閥門開啟瞬間迅速下降，有堵塞的管線中由于工作物質(zhì)堆積導(dǎo)致管道內(nèi)壓力上升趨勢緩慢，而正常通暢管線在壓力迅速下降后又開始迅速回升，兩者之間壓力變化趨勢存在明顯的差異。

在點(diǎn)位狀態(tài)判斷和操作識別的基礎(chǔ)上，使用程序通過對壓力斜率計(jì)算，根據(jù)斜率大小對其進(jìn)行是否存在有堵的情況判斷，進(jìn)一步提高其識別的準(zhǔn)確性，可以通過設(shè)定一個壓力上升斜率，當(dāng)?shù)陀谠撝禃r，即判斷有堵。最后將該斜率值直接用于對供料系統(tǒng)供料時的堵塞情況分析。

3 結(jié)論

伴隨工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度不斷提升，全文對供料系統(tǒng)的自動化監(jiān)控做了詳細(xì)技術(shù)分析，從自動化監(jiān)控技術(shù)、供料系統(tǒng)主要工作、工作中存在的問題3個方面進(jìn)行闡述，結(jié)合自動化監(jiān)控技術(shù)提出了有關(guān)于供料系統(tǒng)自動化監(jiān)控的方式，可為以后供料系統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供參考。除此之外，通過大量的應(yīng)用時間和跟蹤記錄在對供料廠房完成自動化監(jiān)控后，通過DCS系統(tǒng)的外部擴(kuò)展，對DCS所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的分析，進(jìn)一步提高對廠房內(nèi)異常的識別，使系統(tǒng)自主完成對異常的處理，從為更好的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行。