某化工项目中自动灌装系统的设计浅析

（中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200031）

随着我国经济快速发展，化工项目日益增多，对化工生产的产能及生产装置的自动化水平要求也逐年提高。很多化工企业提出了仪表计量及控制系统升级的要求。但受到资金和生产的制约，企业往往会倾向于对局部工艺工段的区域性改造，这对设计方的专业性、针对性、细节考虑等均提出了要求。

本文以某化工项目中对称重系统的自动化改造为例，从设计思路和实际方案两方面进行阐述。

1 项目情况

上海某化工厂根据生产需要，计划对某加料区域进行升级改造，将原有的手动灌装改为自动化灌装。为此，需要设计一套自动化加料方案。

原厂加料区未设计自动化系统，为手动加料灌装。在实际操作过程中，由于配料人员能力不足、环境干扰、加料时注意力不集中等原因，加之配方变化，涉及配料种类众多，时常会发生配料错误，影响产品质量，产生严重后果。为此，业主提出以下需求：设置一套独立的自动化称重系统,并与全厂主生产控制系统进行联网。通过预设的不同配方，自动完成不同原料的灌装及计量。

2 技术分析

配料：根据生产或反应需要，将两种或两种以上的原料经由一定的比例进行配置的过程。

称重：常规由秤体/称重传感器（设置于现场）、称重变送单元（设置于控制箱）、分析控制单元（设置于控制室）组成。对加料系统送来的原料，由现场的称重检测元件进行计量，并将重量原始信号输送至称重变送单元，由变送单元将其转换为标准通讯信号后，送至控制室内的分析控制单元，进行记录、存储、分析等。

3 解决方案

精细化工具有批量运行、多生产线、多产品品种等特点，根据GB 51283—2020《精细化工企业工程设计防火标准》“5.8 过程检测及制动控制”之要求，在操作方式上需要现场监控与控制室集中监控相结合。为了能更有效、安全、合理地配置过程监控系统，可优先考虑采用可编程控制器、数据通信网络、一体化触摸屏等产品技术[1]。根据工厂生产的特点及需要，确定需要监控的工艺参数，设置相应的仪表与自动控制系统。

本次改造的自动化加料系统，主要包括加料管路、压缩空气管路、控制系统、现场仪表及阀门等。储罐/原料容器、计量泵、加料流量记录（质量流量计）等均属原有设备。

设置一套小型可编程逻辑控制系统（PLC）及配套一体化触摸屏（HMI 人机界面），称重区域设置现场防爆操作箱、称重仪表和自动阀（灌装阀，管道上安装）等。

PLC 称重控制系统主机安装在现场安全区（现场控制室），现场的防爆称重仪表通过Profibus-DP 通讯方式将称重数据实时发送给安全区的PLC 控制器。操作人员通过控制室的人机界面，通过菜单式操作设定灌装配方和批次灌装的目标量，当称重值达到目标量时，系统停止灌装。并能通过现场的指示灯告知操作人员，灌装完成。称重控制系统也可经由以太网通讯协议与厂区的主PLC 进行通讯，接收主PLC 的加料要求。根据获取称重数据的反馈信号，通过灌装阀实现加料的闭环控制。相关加料系统的控制框图见图1。

图1 加料系统的控制框图

通过控制系统判断尾料状态，在尾料加料过程中，调节加料阀开度，使加料量按一定比率，由正常加料设定值逐渐减少至零加料，确保尾料阶段加料的均匀度。

控制主机接受阀门开度、加料泵的状态反馈，当出现故障状态时，停止加料并现场报警。

现场设备均采用防爆设计，满足ExIIBT4 防爆等级要求。

3.1 控制系统概述

称重控制系统主机安装在安全区，采用威图标准机柜。控制柜由电源装置、断路器、PLC、接线端子排、继电器等组成，是整个控制系统的核心部件。

PLC 选用西门子SIMATIC S7-1200 系列。该系列PLC 是西门子公司新一代产品，属于面向简单而高精确度自动化任务的PLC。具有模块化、结构紧凑、功能全面、高可靠性等特点，适用于多种应用场合。此PLC 同时具有集成PROFINET 接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单通讯和有效的解决方案，尤其满足多种应用中完全不同的自动化需要。

PLC 采用Profibus-DP 通讯方式与称重仪表进行通讯，使PLC 可以实时检测当前称重数据，并在人机界面上进行显示。在启动灌装后，PLC 可以实时将当前称重值与设定目标值进行比较，当重量达到设定值时，灌装结束，关闭灌装阀门，灌装完成，指示灯亮。

现场称重设备主要由现场防爆操作箱（带含操作面板的称重控制器）、就地称重传感器、防爆指示灯、原料管道上安装的自动阀等组成。

称重控制器安装在防爆箱内，控制器自带操作面板，支持对称重仪表进行操作。防爆指示灯共2 只，分别标注为“工作”和“完成”，在防爆箱外侧挂墙安装，用于指示当前的灌装状态。当启动灌装流程后，在灌装进行中时，“工作”指示灯闪烁。当灌装重量接近目标量时，该指示灯变为常亮，提示操作人员灌装即将结束。当灌装重量到达目标值时，“工作”指示灯灭，“完成”指示灯常亮。当操作人员将钢瓶从秤台移离后，“完成”指示灯灭。

控制系统在灌装时支持净重式灌装和毛重式灌装两种灌装模式。用户可以根据需要通过人机界面设定。

3.2 控制系统原理图

根据3.1 的设计，相关控制系统原理图见图2。

图2 控制系统原理图

控制系统包括：（1）生产过程监控；（2）配方管理（包括配方参数的管理、查询、保存和修改等）；（3）与主PLC 控制系统的接口。

称重系统主画面显示了加料系统的运行状态。系统画面通过各模块的颜色变化来表示。画面包括对存储装置、输送装置、输送管路、接收装置及配套电气元件、仪表及阀门的示意。传输泵及阀门的开关及故障通过不同颜色加以区分。加料管路也同样经由颜色变化显示是否进行物料输送。加料状态信息、设定值、实际加料量、累积加料量等通过参数在画面进行显示。并在画面提供了系统归零、料筒清洗等操作功能模块，选择不同的模块可进入不同的功能区。

在配方和参数设置界面，提供了不同原料来源（储罐/料筒等）、加料方式选择（单阀/双阀）及其他参数设定等；并包括PID 控制器参数调节，显示控制系统曲线，对上下限、控制值、手动/自动模式切换等进行显示和控制。

在设备状态页面对加料系统的参数及故障报警等信息进行显示。

综上所述，本系统具有操作方便、结构简单，可实时跟踪调节，保证按不同配方、不同比例精确添加，有效避免了原生产过程中的人为误差，较好地满足了业主的改造需求，获得了业主的认可及好评。

4 结语

化工生产过程中，加料是必不可少的工艺环节。需充分考虑业主实际生产需求，结合国家规范及地方标准，从物料输送、配方选择、出料控制、故障报警、信息传输等方面进行合理合规的设计，提高生产的自动化水准，避免人工误差，从而为企业的生产打下坚实基础。