1 绪论
1.1 引言
间歇式生产过程由于存在投资少、建设快、产品切换容易，可小批次、多批量生产的优点，在生、化、药产业中已被广泛应用。定量加料过程是间歇式生产的重要工艺步骤，一般是将产品原料从原料区输送到车间内进行生产。这个过程需考虑设备间工作的协调性，系统的安全性，加料量的精确性，系统维护的便捷性等一系列问题。由于国内定量加料生产线仍存在自动化水平低、人员劳动强度大、生产效率低、产品质量波动大等弊端。提高定量加料工艺过程的自动化水平将有重要的研究价值。随着计算机技术、通讯技术、网络技术、控制理论、管理科学、等新技术新方法的跟踪、分析、研究。定量加料自动化生产线将呈现以下发展趋势： 返璞归真、实用化。使用方便、操作简单、性能可靠是定量加料自动化系统的一个基本趋势，也是行业理性投资的基本趋势。 管控一体化。随着网络技术、通讯技术的快速发展，现场数据的采集、控制信号的下发速率越来越频繁、可靠性越来越高；软件技术的发展也使得生产线管理信息化实现起来更加方便，自动化系统涵盖管理信息化成为一个趋势。加料生产线本身的运行和管理也有一体化的要求。 视频、音频技术的大量应用。直观的影像和语音信息比抽象的符号和数据更容易让操作人员接受，视频、音频技术在监控系统中有着很大的需求空间。图像越来越清晰、逼真，传输速度越来越快，显示越来越接近同步。压缩技术、传输技术、储存技术、储存空间等关键技术的发展必将推动视频、音频技术在加料生产线自动化系统中的广泛应用。 系统自诊断功能的完善。监控系统和故障诊断技术的紧密结合，可使整个自动化系统更加完善。在监控过程中如果发现系统运行的常见故障，系统能够自动调用已有存储的故障模式。判断故障类型给出处理措施，及时排除故障，并对故障记忆，进行自学习，这将减少停机次数，提高生产效率，而且降低了对操作人员的要求[24]。所以自诊断功能的完善、自恢复功能的实现，以及远程维护都将成为一种需求。 对上述发展趋势的分析认为，监控直观、操作简单、运行方便、易于或免于维护是自动化加料生产线的本质需求，性价比和高回报率是商品生产的永恒追求。高水平自动化的间歇多反应釜定量加料系统将在未来在精细化工生产中发挥更大的作用。
1.2 课题来源
本课题来源于校企合作横向科研项目，该企业 2#车间生产一种液晶中间体。企业早期是通过人工操作来完成定量加料工艺的，操作人员采用称重的方式计量一定量的溶剂，再将溶剂倒入反应釜中。另一种方法是操作人员需根据经验手动控制阀门将溶剂加入计量罐中，再将计量罐中的物料全部转入反应釜中，实现比较精确的定量加料。这两种定量加料方式存在工作任务繁重，生产调度困难，且操作人员很可能接触到有毒的溶剂，存在安全隐患等弊端。企业想为定量加料工艺进行自动化改造，以提高生产效率，保证员工安全。企业要求设计一套间歇多反应釜公用定量加料控制系统，该系统能在车间中控室进行定量加料操作，操作人员能在上位机上观察到实际加料量，多反应釜同时有加料需求时，加料请求自动按人工设定要求进行排队，加料精度需保证在±0.3%以内（平均每次加料量在 300kg~500kg）。
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2 间歇多反应釜公用定量加料控制系统硬件设计
2.1 概述
自动化系统设计分为硬件设计和软件设计。本定量加料控制系统硬件包括：工艺设备和控制设备。车间现场工艺设备包括：管路（主管 DN100、支管 DN50、侧管 DN50）、手动阀门、连接件、工艺釜等。控制设备由流量计、气动截止阀、PLC 及各功能模块、低压电气原件等组成。系统的硬件与搭建是生产线可安全运转的基础。管路链接、仪器仪表的安装、继电保护、电磁干扰防护措施，都直接关系到定量加料控制系统的运行质量。 系统硬件选型前需对工况、工艺、溶剂介质有所了解。工厂坐落于沿海城市，车间内有通排风系统，四季温差不大；车间内无强电磁干扰设备，生产线工况较平稳。加料溶剂有甲苯、甲醇、乙醇、石油醚，这些溶剂的粘度不大，与水的粘度相似，实际生产中溶剂内无固体杂质，会有少量气泡。溶剂腐蚀性不强，但多为有毒、可燃液体，故在系统设计时安全性是必须考虑的因素。 系统硬件设计包括系统层级划分、设备统计、I/O 地址分加、电气图纸设计等。硬件是自动化系统的躯干，是整个系统设计的基础。
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2.2 控制系统层级划分
按照加溶剂站生产工艺和现场要求，本间歇多反应釜定量加料监控系统划分为三个层级：加溶剂操作站（OS）、加溶剂过程站（AS）、现场设备[25]。溶剂 OS 站使用工控机作为主要设备，它属于 HMI 设备的一种,是操作人员与 PLC之间双向沟通的桥梁，HMI 设备在车间中控室，可监控现场设备的状态与过程参数。 本系统采用 Wincc 6.2 版本，Wincc 是西门子公司开发的组态软件。Wincc 使用方便，接口丰富，通用性强，带有 Visual Basic 和 C 脚本基本功能，集成了 Active 控件，并可方便有效的将人机界面集成到 TCP/IP 网络中，尤其对西门子 PLC 产品通信极为方便，本系统操作员站组态了以下功能： （1）设置登陆界面，操作员需输入登入密码才能登陆，并提供密码修改功能。对不同操作设置操作权限，拥有不同权限的操作人员可对操作界面进行不同级别的操作。 （2）定量加料界面显示釜号、设定加料值、实际加料值、排队位置、当前运行釜号、当前运行釜设定加料值、当前运行釜实时加料值、泵站运行状态等信息，供操作员观察当前加溶剂站加料状况，让操作员知道何时轮到本釜加料，为操作员提供直观的定量加料信息。
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3 间歇多反应釜公用定量加料过程控制程序设计 ....... 17
3.1 概述 .............. 17
3.2 多反应釜公用定量加料程序需实现的功能 ..... 17
3.3 多反应釜公用定量加料程序结构 .......... 17
3.4 多反应釜公用定量加料程序设计 .......... 20
3.5 本章小结 ...... 32
4 间歇多反应釜公用定量加料系统通信设计 .... 34
4.1 通信策略与结构 ..... 34
4.1.1 加溶剂站与罐区泵站通信 ............ 34
4.1.2 加溶剂站与 H 工艺站通信 ........... 38
4.2 本章小结 ...... 42
5 人机界面组态 ........ 43
5.1 概述 ....... 43
5.2 定量加料监控界面组态 ........ 43
5.3 过程值趋势分析 ......... 46
5.4 报警组态 .......... 47
5.5 本章小结 .......... 48
8 系统现场调试及试运行
8.1 概述
系统现场调试及试运行是整个加溶剂站设计必须进行的一个工序，是工业过程控制的重要环节。需要车间工作人员配合完成车间每一台釜的定量加料调试及试运行。在此期间主要观察每个站的运行状态及各个站点联合运行协调情况，查缺补漏，使系统功能更加完善。安全、稳定、长期、满足生产要求、是这一工序的检验标准[33] [34]。由于定量加料工艺由泵站、加溶剂站与工艺站联合完成，故首先对泵站调试然后进行系统联合调试。调试前需要制定调试方案，调试方案如下： （1）电气设备校验：调试前对 PLC 机柜及现场接线箱进行校验。跟具 PLC 机柜电气设计图纸，校验柜内是否有漏接、错接的导线；检查接线端子是否有虚接现象。最后为机柜上电，观察 PLC 与继电器的运行情况。 （2）工艺设备校验：检查加溶剂管路、现场阀门、质量流量计是否安装好，向工作人员了解加料线上手动阀门的位置，并记录。 （3）调试步骤说明：调试步骤包括：满管、校表、泵站调频、泵站试运行、系统联合调试及试运行。整个调试过程中需要记录数据（泵站压力、泵体温度、泵站运行时间、泵站泄露情况、出现的报警信息、瞬时流量、加料釜号、加料次数、设定加料量、累计加料量、实际加料量、磅秤加料量、加料误差、仪表累计流量、PLC 显示累计流量）.
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结论
间歇多反应釜公用定量加料控制系统是针对精细化工生产中定量加料工艺开发出的自动化控制系统。论文结合校企横向科研项目，对本项目的系统设计及关键技术进行了较为深入的研究，在调试阶段，解决了一些现场问题，最后使整个加溶剂站能加合泵站、工艺站完成定量加料工艺。论文主要研究工作及科研成果如下：
（1）在系统开发的准备阶段，查阅了关于“定量加料技术”以及“排队控制技术”方面的中外文献资料。分析了生产车间定量加料工艺过程，并实地去车间现场调研，与企业交流了功能需求与控制方案。分析了整个工程的控制系统结构，明确了加溶剂站与泵站及工艺站之间的关系。
（2）在系统硬件设计过程中，根据现场工况及企业要求，对主要控制设备作了充分调查，给出合理的设备选型表。提出了包含 OS 级、PLC 控制级、现场设备级的基于S7-300PLC 的加溶剂站控制系统的三层体系结构。并设计出相关电气图纸。
（3）在系统软件设计过程中，应用德国西门子公司开发的编程软件 STEP 7 与上位机组态软件 Wincc 对加溶剂站进行了软件设计。赋予加溶剂站参数设定、数据显示、系统报警、趋势曲线、精度控制、排队控制等诸多功能。最后利用 PLCSIM 对整个加溶剂站进行了模拟仿真，对后续的现场调试做好了充足的准备。
（4）针对系统管路含气量较大、过充量不稳定的实际情况，归纳了过充量自调整补偿公式，并在控制器中编写了预压排气程序。使系统定量加料精度保持在工艺要求范围内。提高加料精度控制方案是本课题科研成果之一。
（5）针对车间多釜共用一套加料系统的情况，在控制器中编写了排队控制程序，实现了加料请求信号自动排队。为使排队控制功能丰富、容错性强，程序赋予了排队、插队、取消等操作功能，使排队控制更加完善。排队控制方案是本课题科研成果之一。
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参考文献(略)