杜孟超 徐海陽 何尚宏 赫堂友 趙曉偉 陳 帥 陳 浪

（中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司）

某研究機構(gòu)為了研制新型浮選藥劑，在其配料的再加工階段需要將呈板帶形狀的原料通電后浸入盛有酸（堿）的溶液中進行反應(yīng)。原工藝操作過程均是手工進行，存在產(chǎn)量小、投料一致性差、數(shù)據(jù)可追溯性不高等缺陷。為此，委托中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司對其進行了自動化改造，通過增加遠程監(jiān)控功能，達到了自動控制的目的。

1 系統(tǒng)概述

某新型浮選藥劑生產(chǎn)工藝中，設(shè)備放卷機上料后通過步進電機緩慢投料，投料速度可供用戶自由設(shè)定；同時有2臺可調(diào)電源給物料進行通電，且工藝需要2臺電源頻繁切換正負極；反應(yīng)槽內(nèi)的pH值及溫度由在線檢測儀表獲取，除能夠?qū)崟r反饋外，還參與對滴定管蠕動泵的控制；以上所有檢測及控制環(huán)節(jié)都可通過移動端及PC端實時反饋及控制，同時部分工藝發(fā)生變動時，可對工控環(huán)節(jié)進行遠程修改［1-2］。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

在分析研究原有工藝流程和新需求的基礎(chǔ)上，自動化的控制核心采用西門子200SMART，人機交互界面選用配套的精彩系列面板，設(shè)計了對應(yīng)客戶要求的工控系統(tǒng)。

S7-200smart是一種集成模塊式的結(jié)構(gòu)，主要由CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通訊模塊、和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在導軌上，系統(tǒng)構(gòu)成和擴展都十分方便。CPU硬件見圖1，控制系統(tǒng)硬件配置見圖2。

3 系統(tǒng)在設(shè)備中實現(xiàn)的控制回路

3.1 原料輸送

根據(jù)工藝試驗結(jié)論，原料在反應(yīng)槽中需浸泡數(shù)個小時，才能穩(wěn)定反應(yīng)，所以投料的時間需要緩慢且穩(wěn)定。同時考慮到整個設(shè)備的主體與反應(yīng)槽都是由亞克力拼接構(gòu)成，承重性能不高，送料動力由步進電機來承擔。

CPU硬件本體最多集成有3路高速脈沖輸出，頻率高達100 kHz。配合步進電機配套的控制器，在不需要對位置進行精確控制的工作條件下，僅需要在IO點連接PUL、DIR共陰接法即可［3］，原理見圖3。

3.2 原料通電

根據(jù)工藝要求，原料通電可以加速反應(yīng)速率，選用了工業(yè)級別的可調(diào)電源。為了方便后期研究人員對反應(yīng)槽內(nèi)環(huán)境的可調(diào)，特將電源的電壓、電流、起停時間做出了開放設(shè)置，并自動錄入配方當中，以便后期的成品比較。

可調(diào)電源為直流穩(wěn)壓電源，接上負載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和設(shè)定的電壓進行比較。如果輸出電壓小于基準電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和設(shè)定值相等；如果輸出電壓大于設(shè)定的電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)流狀態(tài)時負載電阻大，則輸出電壓就會自動升到電源的最大輸出電壓，只有當負載電阻小到一定的程度，使電源輸出電流達到恒流值，電源才真正處于恒流工作狀態(tài)，隨著負載電阻值的逐步減小，輸出電壓也按規(guī)律下降，以保持輸出電流的恒定不變?？烧{(diào)電源原理見圖4。

原試驗室使用的是帶有飛梭的電源，操作時需要手動調(diào)節(jié)，而且速度慢。新式電源不僅保留了飛梭做應(yīng)急使用，更通過TCP協(xié)議將原本的調(diào)節(jié)和記錄一并完成［4］。

由于原料在反應(yīng)過程中始終處于回路當中，且電鉗與物料傳遞杠僅有箭頭大小的接觸面積，所以電鉗及導線極易發(fā)熱老化。為改善這一狀況，同時滿足可反復切換電流方向的新工藝要求，裝置設(shè)置了2臺同型號電源，為防止誤操作而引發(fā)2臺電源導通的狀況，設(shè)置了可控的物理隔斷。

3.3 溶液pH值及溫度一次性采集

反應(yīng)槽中的溶液是原料是否正常轉(zhuǎn)化的必要條件，故對其pH值的監(jiān)測比較嚴格。與此同時還必須兼顧通電溶液發(fā)熱問題，將溶液pH值與溶液溫度的實時數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)當中，便于試驗人員獲得更加切合實際的氫離子活度。設(shè)計時選用工業(yè)級的在線化學分析儀表，該儀表由pH電極和分析儀組成。

pH值電極測量為原電池原理，由2個半電池構(gòu)成。其中，1個半電池作為測量電池，其電位與氫離子活度有關(guān)；1個為參比半電池，一般是與溶液相通，且與分析儀相連。通過電極內(nèi)部原電池反應(yīng)產(chǎn)生的電勢差傳遞到分析器中，對應(yīng)算法變送輸出pH值。

分析儀的選取需考慮試驗人員的可操作性與專業(yè)屬性，為使其能更加專注于試驗過程及試驗結(jié)果的分析與優(yōu)化，降低后期維護工作，采用隔離變送輸出，最大限度的減小干擾對讀取數(shù)據(jù)的影響；使用RTU協(xié)議一次性采集并向系統(tǒng)輸出溫度與pH值。通訊數(shù)據(jù)及寄存器地址見表1。

同時，系統(tǒng)根據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)結(jié)合能斯脫公式分析并組態(tài)了可手動、自動控制的溫度補償算法。

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3.4 溶液酸堿控制

在原料的反應(yīng)過程中，pH值是表征溶液是否具備理想反應(yīng)條件的重要參數(shù)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對其控制，可有效抑制各種擾動的影響，使溶液的被控pH值趨近于給定pH值。

通過pH值計協(xié)議讀取pH值，通過溫度的補償后，直接將數(shù)字量寫入系統(tǒng)PLC的算法當中，參與下一步的PID運算。PID將實測值與pH值的給定值進行比較后，其誤差通過PROFINET協(xié)議控制酸泵或堿泵的流量，實現(xiàn)對pH值的閉環(huán)控制［5］。pH值的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

pH值計中的讀數(shù)通過滴定曲線使步進電機調(diào)整滴定管，滴定曲線見圖6。

3.5 遠程維護及遠程控制

該試驗裝置結(jié)構(gòu)復雜，控制點較多，借助PLC實現(xiàn)自動控制是必然選擇；然而高端的自動化運行系統(tǒng)所需要的人力維護成本不容忽視，一旦出現(xiàn)故障或運行軌跡錯誤，將影響整個試驗的工作進度，帶來不可避免的損失。

遠程維護與控制系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)控平臺組成，基于以太網(wǎng)、WiFi、4G網(wǎng)絡(luò)高覆蓋，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)將試驗裝置作為信息節(jié)點，通過控制器的自有協(xié)議和遠程設(shè)備進行通訊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，最終融入到整合化信息管理中，實時、準確、自動地為整個信息系統(tǒng)提供及時、有效、真實的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)遠方與本地之間的信息交流和協(xié)同工作；下發(fā)準確的操作、維護指令構(gòu)建1個現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)交換平臺，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、報警推送、遠程調(diào)試和數(shù)據(jù)報表等功能，滿足生產(chǎn)、維護所需的數(shù)據(jù)采集與管理需求，有效降低運維成本［6］。同時，支持手機APP對試驗裝置的運行進行遠程預警、監(jiān)控。該裝置的終端使用者能隨時隨地觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，及時進行預警，提高其運行的可靠性，避免因故障帶來不必要的損失；也能通過遠程實時查看設(shè)備的運行狀態(tài)，及時排除故障，提高維修的時效性。

遠程控制由設(shè)備通過TCP與監(jiān)控終端交互完成，遠程維護由工業(yè)路由完成。遠程監(jiān)控可直觀查看裝置的當前情況，以及各個參數(shù)的當前值，有無超限情況，還可查看當前一段時間的數(shù)據(jù)趨勢變化，便于對設(shè)備運行狀態(tài)進行有效追蹤。

4 應(yīng)用情況

設(shè)備自運行以來穩(wěn)定正常，數(shù)據(jù)采集滿足試驗要求，從一定程度上提高了試驗效率及人員工作效率；但也存在一些問題，例如，傳感器出現(xiàn)瞬間波動，導致數(shù)據(jù)異?；虿粶蚀_，需要在換算函數(shù)中自動過濾異常數(shù)據(jù)（加快采集頻次的同時，3次采集報錯算作異常）；出現(xiàn)干擾源時，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)小幅波動，則采用添加臨時堆棧通過濾波得以提高用戶體驗。

5 結(jié)語

某研究機構(gòu)通過研究，針對制藥廠或類似傳統(tǒng)試驗室提出了一種智能化非標設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用，功能、流程和步驟相對簡單，具備了接口靈活、跨平臺等特性，滿足了試驗人員對數(shù)據(jù)的基本管理和分析要求。