稀土液體物料自動計量控制系統(tǒng)的設計*

侯成虎

(甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

隨著科學技術的不斷進步，生產(chǎn)過程自動化程度要求越來越高，自動配料系統(tǒng)由于具有減輕勞動強度、保障生產(chǎn)的可靠性和安全性、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品質量的優(yōu)越性，已被廣泛應用[1]。目前，配料系統(tǒng)的流程控制幾乎全部由PLC來實現(xiàn)，PLC通過模擬量模塊采集物料重量信號，通過數(shù)字量輸入、輸出模塊處理其它信號，采用可視化觸摸屏作為人機界面[2]。

針對筆者所在公司的液體物料計量控制系統(tǒng)無法滿足車間精細化管理和企業(yè)數(shù)字化轉型的現(xiàn)狀，提出稀土液體物料輸送系統(tǒng)設計方案，通過計量傳感器和電氣執(zhí)行設備，對液體物料流量精確計量和控制，同時結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)稀土液體物料自動計量控制并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析和遠程監(jiān)控，徹底解決各生產(chǎn)車間之間液體物料計量的難題，打通車間之間信息孤島，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)，明顯地提高了生產(chǎn)效率。

1 現(xiàn)狀及改造要求

目前筆者所在公司各車間物料的液體物料自動計量控制全靠人工電話調(diào)度，手動開停泵進行，液體物料計量靠人工目測機械液位計，這種情況下數(shù)據(jù)計量精度低，需要人員多，響應時間太久，效率低。在一定程度上造成液體物料的浪費，并且物料計量精度受到人為操作的影響，精度較低。根據(jù)公司生產(chǎn)需要，亟需改變傳統(tǒng)的控制方式，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本和提高物料計量精度，實現(xiàn)物料自動控制和精確計量。圖1為車間液體物料計量系統(tǒng)。

圖1 車間液體物料計量系統(tǒng)

為全面實現(xiàn)稀土廠液體物料的自動輸送和精確計量控制，對公司生產(chǎn)的液體物料消耗實時采集和遠程監(jiān)控。在不同生產(chǎn)車間之間，通過液體物料的自動輸送，對物料流出流入情況進行精確計量，以減少物料的損耗，有助于實現(xiàn)生產(chǎn)單位之間的準確結算。

對公司各生產(chǎn)單位的每一種物料消耗數(shù)據(jù)進行實時統(tǒng)計，然后將統(tǒng)計數(shù)據(jù)傳送至調(diào)度室總站，再由調(diào)度室總站傳輸至兩化融合平臺。實現(xiàn)對生產(chǎn)車間各種物料及產(chǎn)品的投入、產(chǎn)出統(tǒng)計。

進行物料消耗統(tǒng)計，快速全面了解每個生產(chǎn)單位的液體物料使用情況。對整個廠區(qū)的物料輸送統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一管理；實現(xiàn)不同生產(chǎn)車間之間物料供給需求管理；為不同生產(chǎn)車間之間物料使用費用結算階段提供準確依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設計

為了有效實時監(jiān)控各車間液體物料的消耗情況，利用現(xiàn)代計算機技術、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術、現(xiàn)代通訊技術、智能測控技術、自動控制技術等領域最新成果，建立廠區(qū)液體物料自動計量控制系統(tǒng)。在有效利用現(xiàn)有設備資源的基礎上，通過增加數(shù)字儀表實時監(jiān)控液體物料的流量，統(tǒng)計各車間的消耗量，為車間結算提供準確的數(shù)據(jù)支持，提高生產(chǎn)效率，促進企業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)效率[3-4]。

2.1 系統(tǒng)架構

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的稀土液體物料自動計量控制系統(tǒng)，通過在液體物料輸送系統(tǒng)上安裝電磁流量計、電磁閥，在儲液罐中安裝雷達液位計，對204、201、202、218、燒堿廠在車間之間的液體物料數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，同時按照每個車間的生產(chǎn)情況對液體物料消耗進分析和需求預測。遠程或自動控制物料供給系統(tǒng)、計量系統(tǒng)，保證每個車間都能滿負荷生產(chǎn)，減少能源浪費。在物料系統(tǒng)建立的基礎上，再接入PLC控制系統(tǒng)，達到對物料消耗數(shù)據(jù)的扁平化監(jiān)視與管理，系統(tǒng)架構圖如圖2所示。

圖2 液體物料自動計量控制系統(tǒng)架構圖

2.2 系統(tǒng)功能

稀土液體物料自動計量控制系統(tǒng)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺和帶有通訊功能的電磁流量計和智能控制技術應用于該系統(tǒng)，通過現(xiàn)代計算機技術和廠區(qū)的的數(shù)字化硬件設施，工作人員可以通過手機或計算機遠程調(diào)控液體物料流量，掌握各車間的生產(chǎn)需求狀況，實現(xiàn)高效生產(chǎn)和管理。用戶通過該系統(tǒng)可以實時了解系統(tǒng)安全運行狀況、設備總數(shù)、網(wǎng)關總數(shù)、變量總數(shù)和存儲數(shù)據(jù)總量，以及歷史報警信息等。系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能圖

3 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

稀土液體物料自動計量控制系統(tǒng)通過在物料輸送系統(tǒng)中安裝電磁流量計、電磁閥、雷達液位計、數(shù)據(jù)采集器和智能網(wǎng)關，可將每個車間的液體物料供給量、消耗量、需求量、物料輸送系統(tǒng)中每個閥門的開關狀態(tài)、開度大小，電磁流量計的流量數(shù)據(jù)實時傳送至云平臺。其中物料消耗數(shù)據(jù)可為車間之間結算提供準確依據(jù)。當某個車間不再需要物料時，操作人員可通過登錄系統(tǒng)實現(xiàn)對閥門的遠程關閉，取代了之前的電話調(diào)度，人工現(xiàn)場關閥，極大地提高了物料輸送系統(tǒng)響應速度和工作效率。

3.1 系統(tǒng)控制方式

對現(xiàn)場貯槽實現(xiàn)集中管理，分散控制。在每個車間設置一個控制器，用來采集雷達液位計、電磁流量計數(shù)據(jù)，控制現(xiàn)場執(zhí)行機構電動閥和輸送泵。在調(diào)度室設置一個總控制器，各車間控制器根據(jù)供料貯槽液位自動完成本車間所有貯槽的供料工作，即對其液位和供料流量進行實時監(jiān)測，完成手/自動供料；總控站完成遠程自動、遠程手動控制供料輸送泵啟停，自動形成累計流量報表，有實時報警系統(tǒng)，并上傳至兩化融合平臺。系統(tǒng)根據(jù)供料貯槽液位高低控制輸送泵的自動啟停，根據(jù)接料貯槽液位通過連鎖控制輸送泵的急停急開，所有貯槽都設有高低位報警系統(tǒng)；為了便于設備維修和防止物料產(chǎn)生虹吸、跑冒滴漏，在供料泵進口安裝電動切斷閥，并根據(jù)物料液位高低對其啟停進行自動控制。自動閥和輸送泵的狀態(tài)實時采集上傳，以便及時發(fā)現(xiàn)故障并處理。

3.2 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡

該套系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡主要包括包括PROFINET網(wǎng)絡、以太網(wǎng)網(wǎng)絡，由PLC作為主控制器。各從站采用PROFINET連接，以此連接現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備。控制網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡圖

系統(tǒng)控制網(wǎng)絡主要包括如下部分。

(1) 下位機系統(tǒng)：包括西門子1500系列PLC和 1200系列PLC 、繼電器、接觸器等電氣元件，控制電機的啟動和停止，控制電動切斷閥的開關，采集流量計和液位計數(shù)據(jù)。

在204、201、201南方礦、218、燒堿廠車間單獨設置PLC控制箱，現(xiàn)場信號單獨采集和控制，在每個控制箱上安裝觸摸屏，可現(xiàn)場操作和監(jiān)視，也可在總控服務器上通過操作畫面操作和監(jiān)視，為了保證生產(chǎn)安全，現(xiàn)場電氣柜有急停操作按鈕、本地/遠程轉換按鈕和啟停操作按鈕。在調(diào)度室通過上位機畫面對各個液位、閥門進行遠程監(jiān)視和控制，并能實時報警和生成各級報表，便于集中管理和協(xié)調(diào)生產(chǎn)。

(2) 上位機系統(tǒng)：包括流程圖畫面、全面控制監(jiān)視和各種手/自動操作，并能實時報警和生成各級報表等。

(3) 兩化融合平臺：組態(tài)相關畫面，顯示各貯槽液位、流量和累計報表，以供生產(chǎn)調(diào)度分析，指揮生產(chǎn)所用。

3.3 系統(tǒng)平臺

稀土液體物料自動計量控制系統(tǒng)基于B/S架構開發(fā)，與C/S架構相比，B/S架構具有開放性、靈活性和易用性的特點[5]。將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結合用戶的歷史使用記錄，按照生產(chǎn)車間的需求，不斷下發(fā)指令直至達到用戶需求量。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院椭噶钕掳l(fā)的穩(wěn)定性，將上位機軟件安裝在服務上，數(shù)據(jù)庫安裝在專用的數(shù)據(jù)服務器上，用安全網(wǎng)關和防火墻將外網(wǎng)隔離，上位機軟件平臺與終端通過TCP/IP協(xié)議方式實現(xiàn)通信[6]。

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸至平臺后，經(jīng)平臺處理之后再存儲到HSTDB時序數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過平臺對歷史數(shù)據(jù)、指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行訪問，包括數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果。用戶也可以通過平臺實時查詢物料輸送系統(tǒng)中電磁流量計、電磁閥的運行狀況和智能網(wǎng)關的在線離線情況，若系統(tǒng)中某臺設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會激活報警程序進行報警，提示管理人員及時到現(xiàn)場查看，以免遭受更大損失。平臺上的所有功能可在手機客戶端隨時瀏覽，做到隨時隨地實時掌握車間生產(chǎn)需求狀況和系統(tǒng)設備運行狀況。

4 平臺部署

系統(tǒng)將通過私有化部署，部署在本地服務器上，利用企業(yè)內(nèi)部搭建的局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲在本地專用的數(shù)據(jù)服務器上，用戶可以在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡環(huán)境下的固定PC端訪問系統(tǒng)。

本地私有化部署的特點是系統(tǒng)運行在企業(yè)自建服務器上，可以利用企業(yè)本身的信息化建設投入和網(wǎng)絡資源，數(shù)據(jù)傳輸在局域網(wǎng)內(nèi)且數(shù)據(jù)存儲在本地服務器上，這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構模式很容易讓用戶接受并產(chǎn)生“本地私有化部署相對比較安全”的概念。本地私有化部署的模式缺點是前期硬件投入較大，需要有專業(yè)的服務器運維團隊進行運維管理，后期隨著設備性能的下降需要持續(xù)進行硬件投資，用戶無法享受軟件系統(tǒng)免費升級的服務。

5 運行效果及總結

在未上液體物料計量控制系統(tǒng)時，公司各車間的物料需求與供應全靠人工值守，物料輸送系統(tǒng)中閥門的開閉指令下達以及狀態(tài)反饋全部通過工作人員電話調(diào)度，人為影響因素較大，無法及時有效地對物料輸送系統(tǒng)進行精確控制和狀態(tài)了解。同時，物料輸送系統(tǒng)需要工作人員24 h值守，再加上巡檢等維護人員，保證整套液體物料輸送系統(tǒng)正常運行需要30人左右。在液體物料自動計量控制系統(tǒng)投入運行后，人工減少了一半，系統(tǒng)的及時性和有效性大幅提高，控制效果良好。操作人員只需登錄系統(tǒng)，就可以全面掌握物料輸送系統(tǒng)的所有設備，包括電磁流量計、電磁閥、液位計、輸送泵的工作狀態(tài)與智能網(wǎng)關的在線狀態(tài)。若有設備不在線或者出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)就會提醒工作人員或巡檢人員前往現(xiàn)場查看并處理，可以保證輸送系統(tǒng)處于健康運行狀態(tài)。車間之間的液體物料供應量也實時展示，也可以按年、月、周、日或按指定時間段查詢液體物料的消耗量。公司應用此液體物料計量控制系統(tǒng)后，雖然會出現(xiàn)新問題，還需要不斷地完善，但從企業(yè)管理的角度考慮，該系統(tǒng)對促進企業(yè)精細化管理起到積極作用，極大的提高了車間管理的效率和精度，對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，助力企業(yè)數(shù)字化轉型方面具有舉足輕重的作用。