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定量配方自动化生产系统

1、项目解决方案

1.1概述

系统采用1套SIEMENS S7-300的PLC主站,3套ET200M从站, 2台上位监控计算机(ES和OS站各一台),10台一体触摸计算机。主、从站通过PROFIBUS-DP现场总线通讯方式,PLC和工作站及触摸屏HMI之间通过以太网通讯方式完成整个工艺过程的监视和控制。PLC主站设置在反应釜车间,主要完成反应釜的自动加料、定时搅拌、计量水罐清洗等过程控制。3台从站分别设置在原料罐区、泵房、及缓冲罐处,分别完成罐区进、出料控制及相关的温度、压力、液位等信号的采集、泵房自动上料控制,及吨包装卸料和槽车卸料控制。(具体参见附件1:工艺流程PID图)

整个工艺控制过程包括原料罐进、出料控制,上料泵称量和自动加料控制,计量水罐出水和清洗控制,反应釜自动加料和定时搅拌控制,反应釜出料、缓冲罐进料控制,吨包装卸料和槽车卸料控制。4台原料泵加料控制、原料称量通过现场的一体机HMI和地秤完成。缓冲罐吨包装卸料和槽车卸料控制通过现场的5台HMI一体机和地秤完成。

本设计中设计1台2KW的后备式UPS电源,用于ES/OS站供电,确保在系统断电后工作站可持续工作30分钟以上。

1.2原料罐的控制和显示

本系统设置6台40T的原料储罐,其中5台(2~6#)原料罐用于新增10-13# 4套反应釜的原料,另外,1#用于现有XX原料,通过新增的2个气动球阀并至现有93#管线。系统软件嵌入现有4车间PLC控制系统。每台原料储罐均设置了1个DN50的气动进料球阀、1个气动DN50气动出料球阀和1个DN50的气动调节阀,1个DN40的加压球阀和1个DN50的排气球阀。同时设置了1个压力变送器、1个温度和液位测点。原料输送采用气动方式。加压球阀前端设置过滤减压阀,气源压力设定为1.5Bar。

当反应釜生产中,工艺配方需要添加某种原料罐的原料时,系统接受到命令后,进气球阀打开,开始给罐中通入压缩空气,延时,打开气动出料球阀、气动出料调节阀按照程序给定的开度自动打开(防止原料对管线的冲击),同时打开反应釜进料阀,恒压将物料传送至反应釜中,当反应釜称量重量接近配方要求的重量时,气动出料调节阀开至小开度(具体开度在软件调试中确定),以确保加料量称量准确控制,当达到工艺要求的重量后,反应釜进料阀自动关闭,给料调节阀自动关闭,同时出料球阀和反应釜进料阀自动关闭。系统自动关闭进气加压阀,并自动打开排气阀,排至常压。其余原料出料控制过程相同。

原料罐区的所有仪器仪表均按照2级防爆场合设计。

1.3计量水罐的控制

本系统设置1个10吨的计量水罐,1个进水球阀,1个出水电动调节阀,1个加压阀和1个排气阀。同时设置压力检测仪表(压力表和变送器)。水输送为气动方式。分为反应釜生产自动加水和填料泵管路清洗两个工艺环节。

当反应釜生产过程中需要自动加水时,系统发出加水的指令后,按照工艺设定的水量,加压阀打开,延时,对应反应釜的进水球阀打开,出水调节阀以软件给定的开度缓慢打开。恒压将水送至相应的反应釜中,当反应釜称量重量接近配方要求的重量后,出水调节阀开至小开度,以确保加水量称量准确。当达到工艺要求的水量后,反应釜进水阀关闭,给水调节阀自动关闭。进气阀关闭,并打开排气阀。出水控制采用电动调节阀,是为了确保在加水开始时,水锤对管路的冲击,及确保加水称量的准确控制。

当需要清洗某路填料管路时,系统发出清洗管路的指令后,按照工艺设定的水量,加压阀打开,延时,对应反应釜的进水球阀打开,出水调节阀以软件给定的开度缓慢打开。同时开启与对应管路连接的气动球阀,启动给料泵将水送入反应釜中当反应釜称量重量接近配方要求的重量后,气动出水调节阀开至小开度,以确保加水量称量准确。当达到工艺要求的水量后,反应釜进水阀关闭,给水调节阀自动关闭。进气阀关闭,并打开排气阀。管路清洗结束。其它管路清洗过程与之相同。

1.4填料泵的控制

本系统设置4台5.5KW的填料泵,每台填料泵设1台0~300kg的地称。并设置1台1T的地台称,吨包装的物料可以通过4台填料泵的任何一台对相应的反应釜进行加料。吨包装加料通过4台泵填料控制的任何1台HMI进行操作。填料泵的填料称重是以地秤称重作为工艺控制值,而反应釜的称重值作为参考值,在HMI上操作。每台填料泵附近都设置了1台一体化触摸电脑,操作人员可以通过该电脑HMI对填料进行称重计量,系统实现自动对进料量进行累积,并对填料泵进行启、停控制。同时操作人员可以通过泵区的HMI监视到对应反应釜的实时状态及整个系统的一类故障信号。每台一体化机上都安装了1个声光报警器和1个急停按钮。声光报警器的作用是在泵填料过程中,当物料重量接近设定值时提示操作人员注意。同时当该泵有故障时会提示操作人员确认故障。当加料过程出现任何异常状况时操作人员可通过急停按钮取消该泵加料过程。设计图中,填料泵的进料端采用气动调节阀,是为了确保进料量的准确计量功能。

1.5反应釜自动加料和定时搅拌控制

本系统设置了4台10T的反应釜,反应釜的主要原料来自2~6原料罐,2、3#原料罐管线对应4台反应釜。4#原料罐管线对应1和3#反应釜。5#原料罐管线对应2、3和4#反应釜。 6#原料罐管线对应4#反应釜。每台反应釜均设置了1个PT100一体化温变和温度表,并安装了排空气动球阀。所有进料阀均采用气动球阀。另外1种主要原料就是来自水计量罐的水。其余原料来自上料泵的填料。

反应釜的控制主要包括原料自动添加控制和定时搅拌控制。加料和搅拌控制均以工艺配方为基础,通过现场的ES/OS站完成操作控制。当操作人员调用监控界面中的某个生产配方时,系统将自动的按照配方依次进入加料程序。原料、水、散料的添加控制过程参见2.1至2.3节中的描述。反应釜对于原料和水的称重是以反应釜的称重为控制值的,而对于散料的称重是以泵区的地台称为控制值的。当所有要求的原料按照配方要求自动进入反应釜后,经操作人员确认,系统开始按照既定时间定时搅拌。搅拌时间系统自动设定,具备操作权限的人员也可以对搅拌时间进行修改。搅拌过程结束后,反应釜的本次生产过程完成。

考虑到现有反应釜温度测量误差较大,本次设计选用铠装PT100,并尽量增长传感器测杆长度。保证传感器和物料良好接触。以避免反应釜间的测量误差。

1.6吨包装卸料

反应釜出料端设置了2台7.5KW的送料泵,4台20T缓存罐。每台缓存罐对应设置1台吨包装的地秤和1台一体化人机界面触摸屏。每台缓存罐均设置了1个进料调节阀、1个出料球阀和1个调节阀、1个气动加压阀、和1个气动排空球阀。同时设置了温度、压力和液位测点。2台送料齿轮泵的产品均来自4台反应釜。其中1#送料泵对应1和2#反应釜。产品通过管路送至2#缓存罐。2#送料泵对3和4#反应釜。产品通过管路送至3#缓存罐。4#缓存罐管路将接至现有的XX成品管路。而1#缓存罐将作为备用缓存罐。

缓存罐的进料控制将通过现场的HMI完成。当某台反应釜生产完成后,操作人员通过点击HMI的2#或3#缓存罐进料按键,缓存罐的进料阀和反应釜的出料阀将自动打开,启动相应进料泵启,将反应釜中的物料自动注入缓冲罐中。当反应釜的称重到下限时或缓存罐的液位到上限时,反应釜的出料阀和缓存罐的进料阀将依次自动关闭。同时停止进料泵。并在HMI上产生相应的报警信息提示操作人员确认。另外也可以直接通过进料泵将产品注入吨包装中,并通过反应釜或地秤进行自动称量和控制。

1.7槽车卸料控制

产品物料的输送是通过气动方式完成的。在卸料台附近设置1台HMI人机界面。当操作人员准备对槽车进行加料时,在HMI上设定加料量,点击界面上的2#缓冲罐出料按钮。系统将自动开启2#缓冲罐加压气动球阀,延时3S后开启出料调节阀,并开启对应管路上的气动开关阀。开始对槽车进行恒压加料。当储罐称重重量接近操作人员的设定量时,出料调节阀开至30%(调试确定)的开度。达到设定量后,管路上对应的阀门将依次关闭。同时,系统自动加压阀关闭,排空阀自动打开。完成槽车卸料控制过程。当缓冲罐的存料低于操作人员的设定量时,系统会自动给出提示信息,供操作人员确认。

槽车卸料采用非标流体卸料臂。流体装卸臂(鹤管)是由多个转动灵活、密封性好的旋转接头与多节管径相同或不同、长短不一的管道、管件、球阀、法兰、快装接头、松套法兰、防静电装置、弹簧缸平衡装置等组成的管道系统(如图)。可实现一组管道在三维空间完成指定运动,用于槽车与栈桥储运管线之间,进行液体介质传输作业的设备。

它转动灵活、密封性好、有较高的技术含量,在液氯、液碱、液氨、二甲醚、液化石油气、液化天然气等液化危险化学品的槽车充装环节中,可以达到既安全、环保、节约的输送流体介质,又杜绝了软管在充装液化危险化学品中经常发生的爆管所造成的人员伤亡、经济损失、安全环保等事故。

旋转接头,采用精密数控机床加工,内藏双滚道支承结构,转动灵活,轻便可靠。外圈选用合金钢、内圈选用不锈钢或衬聚四氟乙烯,保证其能够安全、可靠的用于高温、低温、强腐蚀性的介质。

  密封圈采用增强聚四氟乙烯材料,内衬不锈钢弹性支承环、密封经抛光处理,具有优越的自润滑性及超强的耐腐蚀性

它有以下几个特点:

Ø   双滚道的旋转接头及带弹性卡的密封圈保证装卸介质不泄漏;

Ø   随遇平衡的弹簧缸平衡器使装卸臂操作轻便、省力;

Ø   装卸过程中,在槽车正常移动范围内与槽车随动;

Ø   装卸臂收容状态时,锁定与槽车行进方向平行,占用空间小;

结构合理,以最小的臂尺寸,满足最合理的包络范围。

1.8称重控制

本系统的称重采用梅特勒托利的称重模块和IND331控制器完成,并通过标准MODBUS通讯协议接入现场PLC控制模块。

称重单元部分包括:10#-13#车间内4台反应釜,分别配置4套10T的称重传感器单元;1套10吨的计量水罐称重单元;泵上料区5套地埋式称重单元(4套300KG、1套1000KG);三车间卸料区4套15吨缓存罐的称重单元及4套地埋式1000KG称重单元。其中计量水罐称重系统,采用了三种不同结构的称重模块,即:固定式模块、半浮动模块、全浮动模块。而反应釜和缓冲罐采用四种结构的称重模块,除了上述三种模块外,另外一用全浮动模块。

采用称重控制器显示终端,称量数据将由显示终端通过PROFIBUS-DP通讯传至PLC模块,优点是:具有自动调零、自动去皮等功能,通过仪表能够显示称量数值,方便计量部门的调校和对衡器的标校工作。如果采用称量模块加重量变送器方式,重量数据将由重量变送器输出(4~20mA)至PLC模拟量模块,通过软件完成运算、调零、去皮等功能,重量参数只能通过人机界面显示,给以后的衡器标校增加了难度。

为了避免控制器终端的显示数据和监控界面的数据显示不一致,本设计采用PROFIBUS-DP通讯的方式,将数据传送至PLC模块。没有采用标准4~20MA信号的方式。可以完全解决两处数据显示不一致的问题。

1.9上位监控界面

本系统配置了1台ES(工程师站)、1台OS(操作员站)和9台一体化计算机来实现整个工艺过程的流程控制和操作。工控机通过100M以太网与PLC主站进行通讯,保障数据的实时性和准确性。

ES/OS站界面包括了整个系统工艺过程的所有参数的显示、控制、报警、数据归档和报表功能。设计6幅主界面,分为工艺流程总界面、原料罐区的监控界面、计量水罐监控界面、原料泵监控界面、反应釜自动生产监控界面、缓冲罐吨包装和槽车卸料监控界面。

工艺流程总界面清晰的反应了整个工艺流程过程。原料罐区的监控界面可以很清晰的看到原料罐的压力、温度、液位实时值和各阀门的开关状态。计量水罐监控界面可以看到水罐的水重量、压力实时值和各阀门的开关状态。原料泵监控界面可以看到各进料泵和各阀门的实时状态,电子台秤的称重值、物料称重设定和实际物料累计值报表,及进料泵是处于生产用水状态还是管路清洗状态。反应釜自动生产监控界面可以看到各反应釜生产状态,各进料阀动作和搅拌电机的工作状态,称重重量、温度实时值等。缓冲罐吨包装和槽车卸料监控界面可以实时监测到缓冲罐的物料重量、温度、液位、压力值,各进出口阀的状态、2台送料泵的状态,及缓冲罐是否在进行加料、吨包装卸料或槽车卸料过程。

系统报警信息会实时的出现在当前监控界面上方。系统报警分为3类,一类报警属于重大故障,此时系统会自动中断生产过程并提示操作人员处理。主要包括反应釜的搅拌电机故障、进料泵故障、送料泵故障。二类报警不会影响到正常生产,但是需要操作人员在HMI界面上确认即可。主要是各温度、压力、液位及阀门状态等的报警。三类报警是控制系统本身的硬件故障、或通讯故障等。

系统操作权限分为3级,最高级别管理员权限,其次是主管权限,最后是操作员权限。操作员权限可以完成整个反应釜自动加料、称重生产过程控制及报警确认,历史数据查看、报表查询及打印等功能。主管级权限除了可以完成操作员权限的所有工作外,可以给系统设定并加载工艺配方报表。同时可以通过ES/OS站对泵区和缓冲罐吨包装卸料和槽车卸料进行控制。无论是操作员还是主管的权限都不允许退出组态王的运行模式。而管理员是系统中的最高权限,涵盖了前2级权限的所有功能,并可对系统界面进行编辑修改。任何等级的权限在监控系统中所做的任何操作都将以操作记录的方式被保存在系统中。便于以后的生产数据追溯。最终的用户权限我公司将以文件形式提供给业主。

为了更加严格的控制生产过程及便于数据的追溯,本次系统将提供2种形式的模拟量参数归档。第一种为所有生产关键参数的实时和历史趋势图。操作人员可以随时查看打印任何一个参数在任何时间段的实际值。另外一种设计了”生产过程报表”,报表中显示具体的生产日期、产品批号、物料名称、物料设定量、实际加入物料量、搅拌时间、反应釜温度,等参数,及操作人员信息等。报表以一个具体生产过程为一个存档期,即该次生产过程结束,报表自动存档。操作人员可以随时查看、打印该报表。对于报警量的数据归档,采用报警记录归档的方式,操作人员可以随时查看、打印某个时间段的报警记录。这样便于生产数据的管理和追溯。

9台HMI一体化机中,4台用于泵区的加料控制和显示,4台用于缓冲罐的加料、吨包装卸料的称重和控制;另外1台用于卸料槽车的卸料控制和显示。每套HMI除了可以监控本工艺段的控制过程外,还可以实时看到其它工艺过程的关键参数。并且可以监控到系统的1类报警信息。

部分工程人机界面见下图:

1.10泵房和卸料区视频监控

根据用户要求,在泵区设置2台对射的360度球机,在卸料区设置2台360度球机。

依据用户需求,该系统将设置1台海康威视高端网络硬盘录像机和1台显示器,同时设置4台低照度的带云台高清摄像机。以保证操作人员在控制终端可以随时查看泵房和卸料台的实时生产状况。并可以随时查阅某时段的历史图像记录。图像记录至少保存3个月。


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