间歇生产多套公用设备优化控制的研究

2013-09-20温新根梁亚霖高文彬王树会俞文光陈志骏

自动化仪表 2013年8期

温新根梁亚霖高文彬王树会俞文光陈志骏

(浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州 310053)

0 引言

从上世纪80年代起，大型聚合釜的间歇式工艺生产就开始引入了基于ISA S88标准[1]的批量控制和批量管理等先进控制技术，结合配方将各种设备按特定任务组合在一起，形成了一种更高级的生产模式[2－3]。如果能对生产和调度做出进一步调整，使之具有更少的间歇时间，那么必将带来更高的经济效益。

传统的间歇生产大多依赖操作员的工作经验，为保证安全和防止冲突，操作员往往只允许一台釜占用整套加料/出料系统。这使得完成一条生产线加料需花费大量时间，大大制约了产能。

本文通过引入多线加料控制，结合先进软件算法，在控制系统(如DCS)平台上，将排队控制及自响应功能嵌入到批量控制中，并应用于大型间歇式工艺生产中，有效减少了加料设备的等待时间，从而大大提高了企业的生产效率。

1 单元时间片管理

在大型聚氯乙烯生产中，通常情况下聚合釜有多台。为便于管理和更好地利用公用设备，常将这些釜分成几条线，一条线即代表一组釜，每条线公用一套加料/出料设备，每组釜都能形成一个相对独立的生产体系，使用起来干扰因素较小、简单方便，此方法目前已被广泛采纳和应用。在这种体系中，可将众多公用设备划分成若干个部分，每个部分就可以称作为单元，根据批量控制将公用设备划分为独占式与非独占式的规定，在聚氯乙烯控制单元中，可依据独立、完整、合适的原则进行划分。

在聚合釜的加料中，包含涂壁、缓冲剂、脱盐水、单体、链转移剂、分散剂、引发剂等原料。如果在控制时将每种助剂都划分成独立的单元，那么根据工艺要求单独为每一种助剂配置启动、停止、暂停、重试、忽略、复位等接口按钮，将使程序的故障处理能力和灵活性大大提高。由此，助剂加料公用设备适用于非独占式场合。在每个助剂单元中，通常包含启停控制、读取配方、采集检测仪表参数等环节，每一个动作可视为一个独立步序。将这些步序按工艺要求组合在一起，就组成了一个助剂的加料单元。如果将这套公用设备完整的组合起来，又可以成为一个独立的聚合加料单元。

嵌套单元系统的单元分得越细就越能满足精细化的生产要求，但由于各步单元时间区别太大，很难作为判断的标准，也容易出现故障，一旦某个步序出现问题，将导致整个顺控程序无法继续。由此，在计算时间片时以助剂为单元，将会使整个程序结构清晰明了，符合优化控制的要求。

对聚合釜的助剂加料而言，如何提高各单元使用率，降低助剂加料设备空置率，缩短聚合釜的生产周期，从而达到提高生产效率的最终目的，是长期以来一直被广泛关注的问题。掌握各单元的时间片，缩短生产周期，提高设备使用率，才能实现更精确的管理[7－8]。

聚合釜的生产过程一般包括加料、聚合、出料回收三个阶段。每个阶段都可能存在多个单元，要计算一组釜的生产周期，必须了解每个单元的时间片。假设加料时包含n个单元，每个单元的时间片分别为t1，t2，…，tn;通常聚合阶段只有一个单元，时间片为tj，且各个釜聚合开始时间只取决于引发剂加完时间，与其他釜的聚合时间片无关;出料回收阶段包含k个单元，也就有k个时间片，由于出料与加料时间片类似，并且个数通常比加料时少，所以主要讨论加料时的情况。

假设一组釜的数量为N台，每组只有一套加料设备，加料顺序按釜号从低到高排列，则第一台釜加料总时间T1为:

从第二台釜开始，当ti＞ti－1时需要等待。为便于计算，假设在加第一种助剂前还存在另一种助剂，其加料时间t0=0，那么加料总时间T2为:

在式(2)中，当 ti≤ti－1时，说明系统无需排队，直接开始加料，在多项式中应略去。对这组釜中的第m台釜而言，加完料的总时间Tm为:

在聚合釜生产中，由于各种助剂加料时间是可知的，则根据式(3)可推导出加料总时间。一般来说，当一条线的最后一台釜加料完成时，第一台釜还没聚合完成，也没出料回收，那么在启动第二轮加料之前，这些助剂设备会有很长一段时间处于空闲状态。如果能将这段时间利用起来，作为备线给其他线的聚合釜加料，将有效提高助剂设备使用率，并缩短生产周期。

2 排队与多线加料效率分析

在聚合釜的助剂加料中，如果能在软件编程和硬件设备方面作合适的调整和完善，就能够解决助剂设备空置率高的问题，并有效地提高各单元的使用率。

2.1 多线加料分析

一般情况下，一套加料系统只对几台同一条线的聚合釜负责，另一条线的聚合釜由另一套加料系统负责。这样比较稳定，结构清晰，操作起来较简便。但通过前文分析可知，某套加料设备空闲时可以作为备线给其他线聚合釜加料，即多套加料系统互为备用、互相切换，具有相同的优先级。

在多线加料系统中，假设有N1组聚合釜，即有N1条生产线;对于某种助剂来说，每一组釜有N2套加料管道(通常N1=N2)，其中(N2－1)套是备线，在单线加料中(无主备线加料)，N2=1;每一组釜有N3台聚合釜;每一台釜需要加N4种助剂。以第N种助剂加料为例，多组聚合釜加料结构图如图1所示，实线表示某套加料系统的主管线，虚线表示对应的备线。

图1 聚合釜加料结构图Fig.1 Structure of the feeding process for polymerizer

在单线加料中，以某一组釜的某种助剂为研究对象，任意一台釜只有一个加料单元与之对应，即同一时间只能给一台釜加料，对于某一台聚合釜而言，任意一种助剂设备的使用率P用和空置率P空分别为:

在多线切换加料中，为实现对比的同时也说明备线应用率，那么研究对象应与单线一致，也以某一组釜为单位。对于具有N2套加料管道的某种助剂来说，这组釜的使用率P'用和空置率P'空分别为:

对于整套加料助剂来说，如果聚合釜一共要加N4种助剂，每一组釜有N2套加料管道，那么在多线加料时，这组釜的加料系统使用率比单线加料高出P倍，则有:

由式(8)可知，对某一组釜而言，某种助剂设备的使用率随加料管道套数的增加而增加，且呈现倍数上升的趋势;对于这组釜的整套加料系统来说，使用率与单线加料相比呈现指数增加的趋势。

2.2 排队作用分析

当系统采用单线加料时，如不引入排队控制，整套加料系统一次只能满足一台釜的加料，如果出现其他釜也加料的情况，由于不同助剂占用时间不同，很可能出现不同釜争相加同一种料的情况，导致系统混乱，产生故障。即使人工干预(暂停、停止等)，也会花费大量时间，而多釜数更是容易出现差错，无法达到满意的效果，故加料系统只能响应一台釜的请求。假设釜需要加N4种助剂，则对某台釜而言某种助剂设备使用率P0为:

当系统在单线间歇生产中引入排队控制时，通过检测、排队、响应等功能可以保证每种助剂设备都处于工作状态，即都在给某一台釜加料，则这台釜加料设备使用率P1为:

当系统在多线间歇生产中引入排队控制时，不仅能保证每种助剂都在加料，而且能保证每种助剂的每套管道都处于工作状态，则某一台釜某种助剂设备使用率P2为:

将式(4)与式(11)对比分析可知，在聚合釜间歇过程中，排队控制虽然不能额外提高使用率，但它是保证硬件设备加料系统能处于最大使用率工作的软件条件，也是前提条件。也就是说，如果不引入排队控制，那么多套加料管线中的备线实际是不起作用的，即在图1(b)中只有实线管道在工作，虚线管道被白白浪费了，其效果相当于图1(a)中的单线加料。

S88标准关于公用设备的批量控制方案指出，如批量过程需要调用某一阶段的某个单元，并非通过将此设备单元作为资源来配置，而应通过逻辑的获取和释放的方式进行，同时，一个单元一次只能响应一个使用者。本文在此基础上，从S88标准批量控制方案出发，引入了多套公用设备的概念，将加料系统分为主备线，并分析了实现的条件，提出了一种有序获取和释放公用设备的方法，解决了多个使用者同时等待而使聚合釜使用率降低的问题，有效提高了聚合釜生产效率。

3 应用程序实现

在间歇生产中，可以通过改善工艺，或采用多套加料系统等来增加产量。要保证这些硬件设备都发挥其功用，关键是在合适的软件平台上编写强大的工业控制软件[9－10]。而排队控制更是其中的重点，其与批量控制相结合，将有效提高聚合釜的生产效率。

3.1 排队控制分类

排队控制实质是一项结构性工程，其核心是将各个单元及配方有机地衔接起来，通过对被控对象合理分组，实现一个完整的系统性任务。

排队控制按实现方法分类，通常可分为以下三种类型。

第一种是计时响应控制，分时间等待最长和时间等待最短两种，具体应用视项目工艺或实际情况而定。这种方法需用到大量的定时器，其优点是灵活方便，每台设备都具有相同的优先级，无主次之分;缺点是占用的定时器较多，在大型项目如聚合釜加料控制，每种助剂的每套设备加料都需要经过排队，定时器的大量使用增加了控制器的整体负荷。

第二种方法是排队次序计数控制。在某些罐数多、操作要求严格的场合，比如制药行业，计数可以方便操作员掌握各个储罐的实时情况，帮助企业提高生产效率。

第三种方法是特定次序响应法，也是本文着重介绍的方法，其响应过程如图2所示。

图2 特定次序法响应过程Fig.2 Response process of specific sequencing method

在某种助剂加料过程中，预先编排响应次序。当某一种助剂加料设备完成对某一台聚合釜的加料并处于空闲时，其他进入这种助剂排队列表中的聚合釜按“釜号”依次响应，逐一完成。如果某种助剂的加料具有多线选择功能的，那么同时加料的就可以是多台聚合釜，其他多台釜如要加料就必须先进入排队，等待助剂设备空闲后依次响应。这种方法的优点是程序编写起来标志位稳定、容易判断、程序量小、结构清晰。

3.2 组态管理软件优点

组态管理软件采用的是浙江中控基于IEC 61131-3标准、针对集散控制系统所开发的全中文界面DCS组态编程软件。组态管理软件集成了LD、FBD、SFC、ST四种类型的编辑器，LD、FBD以及SFC编辑器相结合，可以较好地满足工业现场所遇到的大部分控制任务，而使用ST编辑器可以实现一些高级应用。

在编写聚合釜排队与批量控制程序的过程时，主要使用组态管理软件完成程序框架的编制。ST语言具有易读易理解、迭代方便、占用内存小的优点，因此，在具体的程序动作的编写过程中，较多使用ST语言编写程序。

3.3 排队逻辑实现

多线排队控制逻辑结构如图3所示。

图3 多线排队控制逻辑图Fig.3 Logic of the multi-line queuing control

工艺系统无备线时，系统一次响应一台釜，条理较清晰。在多线切换加料的控制任务中，系统可以同时响应多台釜的加料，逻辑相对复杂些，编程时考虑的情况较多，要注意控制器的执行周期、扫描规律等。

在程序编写过程中，采用了嵌套的CASE选择语句，用来对步和釜作出选择。嵌套的IF、END_IF语句，用作条件判断和状态标志位检测、条件跳转语句及多种文本代码计算等。按“釜号”从低到高的原则选釜，结合控制器从上到下、从左到右的扫描规律，在条件判断中一旦检测条件满足，立刻置位标志位，屏蔽其他釜的响应。组合各个助剂单元，构成完整的排队控制。