CN112783126A - 一种基于dcs的流体物料输送提前量计算方法及流体物料输送方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于DCS的流体物料输送提前量计算方法及采用该提前量计算方法的流体物料输送方法，在打料主程序中设置一个自动计算提前量程序的辅助程序，该程序会确定一个暂停限值，在暂停打料过程中，将暂停限值与实际进料量进行对比，计算打料提前量，并将提前量值和恢复指令发送给打料主程序,打料主程序接收到相关指令后，确定目标打料量，重新开启打料设备。采用本发明提前量计算方法，在打料过程中自动比较实际物料转移量及设定量间的偏差，并将自动计算获得的偏差值应用于真实打料过程的末期阶段，可实现打料过程的高精度及高自动化。

Description

一种基于DCS的流体物料输送提前量计算方法及流体物料输 送方法

技术领域

本发明涉及的是自动化技术领域，特别是指基于DCS控制系统平台的流体物料输送提前量计算方法及采用该提前量计算方法的流体物料输送方法。

背景技术

术语解释：

流体：能流动的物质，它是一种受任何微小剪切力的作用都会连续变形的物体。本文主要讨论流体中的液体。

DCS：集散控制系统(Distributed Control System)，以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调设计原则的仪表控制系统。

流体物料如化工、化学合成制药行业中的物料输送本质是流体输送的单元操作。即根据工艺要求将液体物料由一个单元设备通过泵及阀门等机械装置，向另一个单元设备进行转移。在此过程中通过流量计、罐体称重等仪表进行计量，实现物料定量转移的目标。

既然是物料的定量转移，那么就对实际输送的物料量有所要求。尤其在化学合成药的生产过程中，因反应合成路线横向对比其他化工产品更长，对物料量的实际加入量或转移量的精度要求就更高。一旦在反应中间过程中某种原料采用定量输送的方式加入量误差过大，那么势必影响整批产品，造成最终反应产物收率低下或物性不合格等不良后果。

在实际的液体物料输送过程中，由机械设备将电能转化为液体物料动能或是利用物料本身重力势能转化为动能等方式实现物料转移。那么误差的产生一般涉及以下几个方面：一是计量仪器仪表误差，二是机械设备误差，三是流体自身势能、惯性、黏性的不稳定。

上述第一种情形，即计量仪器仪表误差一般是选型不合理或本身存在无法克服的精度误差，解决这类问题只能是从仪表本身入手。

第二种情形，机械设备如打料应用的离心泵在打料结束时的停止过程中，机械设备受惯性影响仍会输出一段非线性的动能作用于所输送的物料造成物料超量，与期望的设定值产生一定量的偏差。

第三种情形，物料输送过程中，机械设备产生的动能或是物料本身因空间位置产生的势能并不能百分百地转化为输送过程中流体自身的动能。受流体自身黏性或者传输路径如封闭管道中摩擦力的影响，一部分能量将被消耗。但是物料本身黏性受成分影响并不是恒定不变的，且被输送的物料往往来自某个大型原料储罐，随着物料的不断消耗，每批被输送的物料自身势能也不会完全相同。

这就造成了即使同样的流体输送单元操作，因各种影响叠加在一起，产生的偏差值也不完全相同，更无法通过理论计算进行相应克服。

现有的流体输送操作主要是以下两种方式。

一是生产人员手动控制现场单元设备，手动开启设备进行打料。在定量打料过程中根据计量仪表人为判断打料量是否满足要求，满足即手动关闭使用的泵及阀门等设备。该方式下，打料的偏差控制完全由人工实现。那么因为人为因素的不确定性以及反应和操作的滞后性，物料输送末期的偏差控制也存在不确定性，偏差克服效果得不到有效保证。另外，数据记录及采集困难，无法根据仪表的历史数据总结近似地提前量以克服偏差。

二是控制系统中固定提前量设定。通过DCS系统平台控制机械设备如打料泵及阀门等，通过接入系统中的仪表计算实际进料量。当打料量到达目标设定值减固定提前量得到的差时，发出指令停止打料泵及相应阀门。相对于前面的人工控制，本方法可实现程序自动控制。既可以节省人力消耗，又可以避免人工控制带来的不确定因素，方便数据追踪。但在本方法中，提前量的设定只能在程序中开放一个固定接口。根据前期调试经验，由人工在系统中预估并设定近似的偏差量并固定下来。因此不能解决因其它不确定因素，如势能变化黏性变化等造成的偏差量不准的问题。一旦之前设定的偏差量不符合实际应用，则需人工根据已有打料数据重新修正提前量。

发明内容

针对现有技术上述缺陷，为了缩减实际输送量的误差，最终达到提升生产稳定性、合规性的目的，本发明提出的技术构思为：在DCS平台控制物料输送的基础上加以改进。在打料过程中自动比较实际物料转移量及设定量间的偏差，并将自动计算获得的偏差值应用于真实打料过程的末期阶段，以实现打料过程的高精度及高自动化。

为此，本发明第一目的是提出技术方案如下：

一种基于DCS的流体物料输送提前量计算方法，包括自动计算提前量程序，该自动计算提前量程序包括如下步骤：

101：初始化；

102：确定暂停限值，用以将暂停限值与实际进料量进行对比，在步骤104阶段计算提前量；

103：暂停打料过程；在该阶段将实际进料量与步骤102计算的暂停限值进行对比，若前者大于等于后者则立即发出命令，暂停打料过程，进入步骤104；

104：计算提前量，将实际进料量与102步骤计算的暂停限值做差，差值即为计算所得的打料提前量；

105：提前量计算完成，自动计算提前量程序发送提前量值和恢复指令给打料主程序，自动计算提前量程序结束。

优选的，在步骤101，包括对自动计算提前量程序的执行步序变量和主程序运行步序的暂存变量进行初始化。

优选的，所述确定暂停限值包括以下方式之一：

(1)在打料主程序运行前自动计算程序已经被投入使用的情形，将暂停限值自动设为主程序预设的进料限值的一半；

(2)主程序已经开始运行且在打料过程中再将提前量自动计算程序投入使用的情形，将暂停限值设为未进料量的一半。

优选的，在步骤103暂停打料开始前，设置判断打料开始步骤103a，在该阶段中通过计量仪表的变化值来判断打料是否开始，如果计量仪表数值变化则表明打料过程已经开始，若不变化则表明打料过程尚未开始。

优选的，在步骤101，还包括对打料主程序非人工暂停的判断标志位变量进行初始化；在步骤103阶段，设置一个暂停判断指令；通过打料主程序的状态及非人工暂停标志位来确定打料过程的暂停是自动计算程序的操作还是非自动计算程序的操作原因暂停或停止,以避免做出暂停或停止的误判。

优选的，在步骤104阶段后，设有一个提前量调整步骤104a，设定提前量上下限，将计算所得的打料提前量与预设的上下限值做对比；当打料提前量高于上限或低于下限，则分别直接将上限值或下限值作为最终提前量对外输出；当打料提前量在上下限之间，则将计算所得的打料提前量做出最终提前量对外输出。

本发明第二目的在于提出一种基于DCS的流体物料输送方法，包括打料主程序和打料主程序辅助程序的自动计算提前量程序，其包括如下步骤：

201：启动打料；

202：选择待检罐；

203：开启相关打料设备；

204：采用前述任一种基于DCS的流体物料输送提前量计算方法来计算提前量，并发送提前量值和恢复指令给打料主程序；

205：打料主程序接收倒自动计算提前量程序发送的相关指令后，确定目标打料量，所述目标打料量为本次物料输送的设定量与提前量的差值；

206：确定好目标打料量后，打料主程序恢复打料过程，重新开启打料设备；

207：主程序在末期打料阶段会判断打料量，比较实际进料量减提前量的差值是否达到预设的目标打料量，若实际进料量减提前量的差值已达到预设的目标打料量，则关闭设备停止打料，打料结束。

207：主程序判断打料量时，会比较实际进料量减提前量的差值是否达到预设的目标打料量，若实际进料量减提前量的差值已达到预设的目标打料量，则关闭设备停止打料，打料结束。

采用本发明的有益效果在于：

本发明的技术方案，以DCS系统为平台，在定量物料输送过程控制中，通过比较物料输送设定值与实际输送量的偏差来计算控制过程中所需使用的提前停止量，并将计算后的提前量应用于实际打料过程中，在实际输送量即将达到设定值减提前量的差值时发送指令停止输送设备，使定量物料输送过程更为精确。另外，在该过程中自动计算提前量功能实现人工可选投入及切除，能提高可用性及灵活性。

与现有技术的人工手动控制物料输送过程相比，本发明基于DCS控制系统平台将打料设备及计量仪表接入，由DCS来进行打料过程的判断及控制，降低了该过程中的人工参与度，减少手动操作带来的不确定或不稳定因素，提升了自动化水平。

更进一步的，本发明在DCS控制的基础上进行提前量的自动计算及输出应用。减少人工对于自动打料程序的干预，无需人工根据多次打料经验值进行提前量的预估及后续的不断修正。使实际进料量更为精确，更加接近预设打料量，自动化水平也得到了更深的拓展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例自动计算提前量程序基本逻辑框图；

图2为本发明实施例打料工艺原理框图；

图3a、3b、3c为发明实施例物料输送程序操作面板参数示意图；

图4a为现有一种打料工艺流程基本逻辑框图；

图4b为本发明实施例打料工艺加入自动计算提前量程序后的基本逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更为清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明一种实施例的自动计算提前量程序基本逻辑框图。该自动计算提前量程序是打料主程序的一个辅助程序，该程序流程具体说明如下：

101：初始化阶段。该阶段打料过程处于未运行状态，自动计算提前量程序也处于停止状态。在该阶段对部分变量进行初始化操作，用以在后续程序执行过程中的判断及动作转换。初始化变量包括：自动计算提前量程序的执行步序、主程序运行步序的暂存变量、打料主程序非人工暂停的判断标志位等。所述执行步序是表示自动计算提前量程序的运行步骤标识；所述主程序运行步序的暂存变量是表示判断打料主程序运行步序的中间变量；所述打料主程序非人工暂停的判断标志位是用来判断打料主程序人否为人工进行暂停操作的中间变量。

102：暂停限值计算。本实施例的自动计算提前量程序的核心是将原本连贯的自动打料过程在中途中断，暂停物料输送设备。以暂停限值与实际进料量进行对比自动计算提前量。因此用来中断的暂停限值自动设定是基本核心操作。在本阶段中，暂停限值的自动设定包括两种情况：

第一种情况，是在打料主程序运行前自动计算程序就已经被投入使用，那么，通过判断主程序的状态及自动计算程序是否被投入，可将暂停限值自动设为主程序预设的进料限值的一半。在主程序实际进料量大于等于预设值一半时，暂停输送设备并进行相应提前量的计算。

第二种情况，是在主程序已经开始运行，在物料输送过程中将提前量自动计算程序投入使用。此时，将主程序中预设的进料限值的一半作为暂停限值就不能适用于该情况，因为可能投入使用时实际进料量已超过预设进料限值的一半。因此，在该情况下，程序会在投入时自动判断实际已进料量，将暂停限值设为未进料量的一半。即，在实际进料量达到程序投入那一刻的未进料量的一半时中断打料程序，暂停相关设备并计算提前量。

103a：判断打料开始。在本阶段中以计量仪表的变化值判断打料是否开始。如计量仪表为罐体称重，则以称重远传数值是否在规定时间及范围外持续变化。如果变化则说明打料过程已经开始，若不变化则证明打料过程尚未开始。

设置本阶段的目的是避免后续暂停打料过程的错误执行。因后续步骤判断打料是否已经暂停的依据是计量仪表的数值变化，若不变化则认为打料过程已经实际暂停。因此，若无本阶段对打料开始的判断，程序会在103步骤中错误地认为打料过程已经暂停，从而造成后续提前量的计算错误。

103：暂停打料过程。在103a步骤判断打料已经开始的基础上，本阶段将实际进料量与102步骤计算的中间暂停限值进行对比，若前者大于等于后者则立即发出命令，暂停打料过程。之后通过判断计量仪表的数值是否变化，来判断打料过程是否已经暂停。若数值不在规定时间内产生变化，则认为已经实际暂停，可向下进行后续步骤。

在本阶段中，除了上述的物料实际进料量比较及控制打料过程的暂停操作外，还设置了一个暂停判断指令，通过打料主程序的状态及非人工暂停标志位来确定打料过程的中断是自动计算程序的操作而非外部人工操作暂停或停止。避免因外部人为干扰或其他联锁防护等原因，即未达到计算暂停限值而暂停打料过程并且在错误的时刻进入后续的提前量计算步骤中，使提前量计算产生错误。

104：计算提前量。该阶段在103步骤的打料过程已暂停的基础上，将实际进料量与102步骤计算的暂停限值做差。差值即为计算所得的打料提前量。

104a：在104和105步骤之间设置该判断提前量上下限步骤。在该步骤中，对于计算所得的打料提前量与预设的上下限值做对比。避免意外因素导致计算的打料提前量过大或过小。若所得值高于上限或低于下限，则分别直接将上限值或下限值对外输出；若所得值在上下限之间，则将计算所得打料提前量输出给主程序相应接口。

105：结束。在本阶段中自动计算程序的操作已经完成，发送相应指令给打料主程序，将主程序从暂停状态恢复为正常运行，重新启动相应打料设备，完成后续的物料输送过程。

实施例

如图2所示，为本发明实施例某打料单元设备的工艺流程图。该单元中不同批次反应后的物料储存于待检罐A、B、C、D中，目标操作为通过相应打料设备将物料转移至滴加罐中。

图3a、3b、3c为本案例所使用的物料输送程序操作面板。如图3a所示，面板中的启动及停止按钮用来控制程序的启停，暂停及恢复按钮可在物料输送过程中控制程序的暂停以及恢复。待检罐A/B/C/D四个按钮用来选择出料的待检罐，每次物料输送程序运行只能选择四个待检罐中的一个。被选择的待检罐前有对勾标识，本实施例被选罐为待检罐A。

面板中下方“滴加罐进料限值”和“加料提前量设定”这两个框内参数为可设定参数，其他框内为显示参数。滴加罐进料限值为本次物料输送的设定量；滴加罐进料值为当前已进入滴加罐的实际物料量；待检罐A/B/C/D称重四个框分别为A、B、C、D四个待检罐中剩余物料重量的实时数据；加料提前量设定框为本发明实施例的打料提前量。面板右下角的自动修正程序开关即为本发明实施例自动计算提前量程序的控制开关，当开关投入时自动计算程序有效，当开关切除是自动计算程序无效。本实施例中，待检罐A称重是2000kg，表示该罐内的物料初始值为2000kg，滴加罐进料限值1000kg，表示计划从待检罐A中打1000kg物料到滴加罐。

物料输送的主程序执行过程如下。在程序启动前选择本次使用的待检罐，然后在滴加罐进料限值处设定本次物料输送的设定值。此时有两种方式使用提前量自动计算程序。

第一种是在打料主程序运行前将自动计算提前量程序投入的情形。此时,启动打料主程序的瞬间自动计算提前量程序会计算打料暂停限值。本实施例中，在当前情况下，打料暂停限值为滴加罐进料限值的一半，即如图3a所示，滴加罐进料限值为1000kg，则暂停限值为500kg。

点击启动按钮主程序开始运行。被选待检罐A的出料阀A、打料泵、滴加罐进料阀三个设备会在主程序的控制下开启。此时，物料在打料泵的作用下由待检罐A流向滴加罐。随着物料不断地流出，待检罐A称重数值会不断下降，下降值即为已经流入滴加罐中的实际物料量，显示于滴加罐进料值处框内。自动计算提前量程序在该过程中会采集滴加罐进料值，并与暂停限值进行比较。当滴加罐进料值大于等于暂停限值的瞬间，自动计算程序会发出命令暂停打料主程序。

打料主程序接收暂停指令后立刻控制待检罐A的出料阀A、打料泵、滴加罐进料阀关闭。设备在关闭过程中，在各种因素的作用下仍有部分物料流入滴加罐中。自动计算程序将经过一定时间的延时等待，判断称重的滴加罐进料值不再变化后会将滴加罐进料值与暂停限值做减法。求得的差值即为所需的加料提前量设定值。到暂停限值500kg时，滴加罐进料值(即实际进料量)显示是530kg，这时，滴加罐进料值与暂停限值500kg的差值就是30kg，将30kg作为提前量。那么，目标打料量是滴加罐进料限值与提前量的差值，本实施例中，滴加罐进料限值是1000kg，提前量是30kg，则目标打料量就是1000-30＝970kg。如图3b表示打料已完成暂停的状态，即滴加罐进料量数值已不再变化时的状态。

得到该提前量值后，自动计算提前量程序会发出指令至打料主程序，将主程序由暂停状态恢复至继续运行。此时，上述提到的设备会重新开启，打料过程自动继续进行。后续打料过程完全由主程序控制。主程序会在运行过程中将滴加罐进料限值和提前量设定的差值与滴加罐进料值做比较。当滴加罐进料值大于等于滴加罐进料限值和提前量的差值时，即，本实施例中，当滴加罐进料值等于970kg时，主程序控制出料阀A、打料泵、滴加罐进料阀关闭，停止打料过程。主程序至此结束运行。

第二种是自动计算提前量程序在打料主程序运行后投入的情形。此时，主程序会先开启相关设备进行打料过程。当部分物料已经在打料泵的作用下流入待检罐中，如已有600kg物料流入滴加罐，滴加罐进料值显示为600kg。此时，投入自动计算提前量程序，则在该自动计算提前量程序投入使用的瞬间会先行计算中间暂停限值。

该情况中的暂停限值计算与第一种情况不同。投入程序的瞬间，已有600kg物料流入滴加罐中，那么此时的暂停限值为剩余应该流入滴加罐中的物料量的一半加已流入的物料量。如打料设定值为1000kg，已流入滴加罐600kg，那么剩余该流入的物料量为1000-600＝400kg。暂停限值即为400/2+600＝800kg。如图3c所示,进料值为600kg时点击自动修正程序开关的投入按钮。此时，如图3c右图表示已达到暂停限值时的状态，此时，滴加罐进料量数值变化未完全停止。等滴加罐进料值达到该暂停限值800kg，后续的程序动作与第一种情况是一致的。自动计算程序比较滴加罐进料值与暂停限值，当滴加罐进料值大于等于暂停限值的瞬间，发送指令将打料主程序暂停，关闭上述相关设备。延时等待后计算滴加罐进料值与暂停限值的差值以作为提前量。假定到暂停限值800kg时，滴加罐进料值(即实际进料量)显示是850kg，这时，滴加罐进料值与暂停限值的差值就是50kg，将50kg作为提前量，目标打料量就是1000-50＝950kg。然后，发出指令恢复主程序运行。主程序继续开启设备进行打料过程，该过程中主程序仍会将滴加罐进料限值和提前量设定的差值与滴加罐进料值做比较。当滴加罐进料值大于等于滴加罐进料限值和提前量设定的差值时，即，本实施例中，当滴加罐进料值大于等于950kg时，主程序控制出料阀A、打料泵、滴加罐进料阀关闭，停止打料过程。主程序至此结束运行。

以上为本发明实施例应用案例的主要执行过程。

图4b为本发明实施例打料工艺加入自动计算提前量程序后的基本逻辑框图。其中，图4a为对照图，为常规打料过程，即该打料过程中没有自动计算提前量功能。如图4b，基本逻辑框图即流程图如下：

201：启动打料。

202：选择待检罐。

203：开启相关打料设备。如，待检罐的出料阀、打料泵、滴加罐进料阀三个设备会在主程序的控制下开启。

204：自动计算提前量。在该阶段中，自动计算提前量程序会在打料过程中暂停主程序，比较实际进料量与暂停限值的偏差并自动计算打料提前量。提前量计算完成，自动计算提前量程序发送提前量值和恢复指令给打料主程序。

205：计算目标打料量，但该阶段的目标打料量计算是基于204打料提前量的基础上进行计算，所述目标打料量为本次物料输送的设定量与提前量的差值。

206：确定目标打料量后，主程序接收恢复指令后会将打料过程从暂停状态恢复为运行状态，恢复过程中打料主程序会重新开启设备。

207：主程序在末期判断打料量时，会比较实际进料量减提前量的差值是否达到预设的目标打料量。若实际进料量减提前量的差值已达到预设的目标打料量，则关闭设备停止打料，打料结束。

在关闭设备过程中，物料会在惯性及其他因素作用下补足提前量，使实际进料量接近目标值，缩小相应的误差。

Claims (7)

1.一种基于DCS的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于包括自动计算提前量程序，该自动计算提前量程序包括如下步骤：

101：初始化；

102：确定暂停限值，用以将暂停限值与实际进料量进行对比，在步骤104阶段计算提前量；

103：暂停打料过程；在该阶段将实际进料量与步骤102计算的暂停限值进行对比，若前者大于等于后者则立即发出命令，暂停打料过程，进入步骤104；

104：计算提前量，将实际进料量与102步骤计算的暂停限值做差，差值即为计算所得的打料提前量；

105：提前量计算完成，自动计算提前量程序发送提前量值和恢复指令给打料主程序，自动计算提前量程序结束。

2.根据权利要求1所述的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于：在步骤101，包括对自动计算提前量程序的执行步序变量和主程序运行步序的暂存变量进行初始化。

3.根据权利要求1所述的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于：所述确定暂停限值包括以下方式之一：

(1)在打料主程序运行前自动计算程序已经被投入使用的情形，将暂停限值自动设为主程序预设的进料限值的一半；

(2)主程序已经开始运行且在打料过程中再将提前量自动计算程序投入使用的情形，将暂停限值设为未进料量的一半。

4.根据权利要求1所述的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于：在步骤103暂停打料开始前，设置判断打料开始步骤103a，在该阶段中通过计量仪表的变化值来判断打料是否开始，如果计量仪表数值变化则表明打料过程已经开始，若不变化则表明打料过程尚未开始。

5.根据权利要求1所述的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于：在步骤101，还包括对打料主程序非人工暂停的判断标志位变量进行初始化；在步骤103阶段，设置一个暂停判断指令；通过打料主程序的状态及非人工暂停标志位来确定打料过程的暂停是自动计算程序的操作还是非自动计算程序的操作原因暂停或停止,以避免做出暂停或停止的误判。

6.根据权利要求1所述的流体物料输送提前量计算方法，其特征在于：在步骤104阶段后，设有一个提前量调整步骤104a，设定提前量上下限，将计算所得的打料提前量与预设的上下限值做对比；当打料提前量高于上限或低于下限，则分别直接将上限值或下限值作为最终提前量对外输出；当打料提前量在上下限之间，则将计算所得的打料提前量做出最终提前量对外输出。

7.一种基于DCS的流体物料输送方法，其特征在于包括打料主程序和打料主程序辅助程序的自动计算提前量程序，其包括如下步骤：

201：启动打料；

202：选择待检罐；

203：开启相关打料设备；

204：采用权利要求1-6任一项计算提前量，并发送提前量值和恢复指令给打料主程序；

205：打料主程序接收到自动计算提前量程序发送的相关指令后，确定目标打料量，所述目标打料量为本次物料输送的设定量与提前量的差值；

206：确定好目标打料量后，打料主程序恢复打料过程，重新开启打料设备；

207：主程序在末期打料阶段会判断打料量，比较实际进料量减提前量的差值是否达到预设的目标打料量，若实际进料量减提前量的差值已达到预设的目标打料量，则关闭设备停止打料，打料结束。

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