批量控制在微球成胶工序中的应用

李 峰 鲁 兵 程 刚 张运涛

（中国石油兰州石化公司设备维修公司）

某催化剂厂微球装置成胶工序的生产过程中工艺流程存在相似的工艺设备单元，对于这些相似的单元，控制方案也是相似的。但是因为市场的需求不同，微球装置所生产的催化裂化催化剂多达几十种，这也就相应出现了与之对应的不同配方。由于不同物料加入的先后顺序不同，加入量不同，所以不仅给DCS的工艺操作增加了工作量，而且也给DCS的程序组态带来了较大困难。

微球装置成胶工序采用批量控制，使用多个大容量成胶反应釜，用于提高成胶效率。但由于最初的计量罐与成胶罐是一对一的关系，如果发展为多对一甚至多对多的关系，那么如果采用传统的编程方法，势必导致相同或类似的程序重复编写，不仅耗费人力、物力和时间，还降低了程序的可移植性。如果工艺发生变化，则有可能会大量修改程序，导致维护难度大，灵活性差。为此，笔者采用艾默生过程控制有限公司的DeltaV Batch System，来解决上述问题。

1 工艺流程

图1 成胶工序生产工艺流程

催化剂厂微球装置产品主要是以超稳Y分子筛为活性组分的催化裂化催化剂。成胶工序生产工艺流程如图1所示，计-1～计-5为5个计量罐，负责5种物料的计量。反-1/1～反-1/5为5个成胶罐，每个成胶罐都有各自的加料阀、出口阀和搅拌机。每个成胶罐的工艺过程都是相同的，物料经过计量罐收料、放料以及成胶罐加料、搅拌等过程后，在一定温度、碱度环境下均匀混合，使活性组分充分完全分散附着到载体上，从而得到反应完全的催化剂成胶浆料。

2 控制方案

根据成胶工序生产工艺流程和DeltaV Batch System，使用批量控制来对工艺流程进行程序化解读，并结合工艺流程将DCS控制方案分解为两部分：底层控制方案和上层程序。

2.1 底层控制方案

DeltaV系统将相同或者相似的工艺流程进行综合，提出能广泛应用的“通用模板”，这种“通用模板”在DeltaV Batch System中被称为类。据此可以将图1所示的工艺流程分解为3个单元类。单元类1：计-1～计-5以及每个计量罐的进料阀和放料阀。单元类2：固体料斗。单元类3：反-1/1～反-1/5成胶罐以及每个成胶罐的进料阀和放料阀。简化的工艺流程如图2所示。

根据图2和分解的3个单元类可编写出相应的3个工艺阶段（工艺阶段计量罐、工艺阶段固体料斗、工艺阶段成胶罐），然后将这3个工艺阶段作为模板再进行扩展（工艺阶段计-1、工艺阶段计-2、工艺阶段计-3、工艺阶段计-4、工艺阶段计-5、工艺阶段固体料斗、工艺阶段反-1/1、工艺阶段反-1/2、工艺阶段反-1/3、工艺阶段反-1/4、工艺阶段反-1/5）。

图2 简化的工艺流程

由于各个设备的进料阀和出料阀的标识是不同的，所以在做模板时可将之先分别用统一标识代号 Invalve（进料阀）和 Outvalve（出料阀）代替，扩展时再将Invalve和Outvalve关联到相应的具体设备上。

2.2 上层程序

程序即为产品配方，也即加料的过程，在程序中产品的加工是按配方规定的顺序和操作参数进行的。配方中的程序由上至下可以分为程序、单元程序、操作和工艺阶段4个层次。其中，工艺阶段是程控模型中最基本的构建，它包含对现场元器件的各种操作。可以采用图3所示的设计原则来组态程序。

图3 程序控制模型

简单来说，工艺阶段就是需要对设备进行单个操作过程；操作是将一个设备作为一个整体，其中包含这个设备所有操作过程，即包含多个工艺阶段；单元程序则是一段工艺过程包含多个涉及的设备，即包含多个操作；程序就是指整个工艺流程，其中包含多个单元程序。

2.3 人机交互

人机交互是操作员通过操作程序完成一个工艺流程，即通过程序→单元程序→操作→工艺阶段的层层调用方式来完成操作（图4、5）。

图4 人机交互操作界面

图5 程序的层层调用

从图5可以看出，程序就是将这些单元程序级别类似“积木”的模块按照流程搭建而成，每个模块都代表下一层的工艺过程直到工艺阶段级的模块为止。如果加料顺序不同或工艺发生改变，只需在相应的级别内改变模块的顺序，即改变“积木”模块的顺序即可满足生产要求。

3 存在的问题及解决方案

3.1 设备竞争

构建过程中最普遍的问题就是设备竞争问题，所谓的竞争问题即指设备A和设备B同时需要设备C时，谁先使用的问题。例如：在正常生产中5个成胶罐都在成胶，当两个或两个以上的成胶罐都需要加同一种物料时就会出现竞争问题。

3.2 解决方案

要解决竞争问题，需要先了解什么是设备仲裁。

所有在批量控制中组态的设备都具有唯一的设备ID，系统利用此ID分配设备，并满足所有者的任何请求。在程序不同阶段中，如何拥有和释放带有设备ID的设备单元，就需要对这些设备单元进行判断、分配，此时就产生了所谓的设备仲裁。

3.2.1 由批量软件内部程序进行仲裁

由批量软件内部程序进行仲裁的前提条件为：所需设备是独立的设备单元和ID号。根据设备仲裁分配设备的原则：先申请后使用，先到先得。

例如：有设备A、C，设备A想对设备C进行操作。设备A使用命令Request：=40nn（nn为设备C的ID号）向批量软件内部程序来确认设备C是否能被操作；若能操作则Request=0，设备C被设备A申请到；若不能操作则Request≠0，设备C被其他设备使用；设备A排队申请直到Request=0。使用完设备C后使用命令Request：=42nn来释放设备C以便其他设备继续申请操作设备C。

3.2.2 通过编写程序语句判断进行仲裁

所需的设备虽然有ID号，但它附属于其他设备，即由其他设备所占用，所以无法通过内部程序申请使用该设备，只能通过编写语句进行判断仲裁。

虽然无法通过批量内部程序申请使用该设备，但是该设备的单元程序是有时间先后顺序的，因此利用在程序中内置计时器，将需要使用该设备而等待时间较长的优先通过特定语句获取操作该设备。例如：5个反应釜要同时使用A物料时，可由请求使用A的时间来判断，哪个反应釜的等待时间最长，哪个釜优先使用A物料。但是由于内部程序计时原因，等待时间不能超过8h，如果超过8h，则需要对计时器复位重新计时。复位一次计数一次，同时通过复位次数和计时时间来判断优先使用顺序。

4 结束语

在工业生产过程中，工艺流程是多样化的，但分解为控制方案时可能会很类似，通过DeltaV Batch System的批量程序将这些类似的方案综合简化，简易的调整就能改变工艺生产过程，达到生产不同产品的目的。