气力输送控制系统及其智能控制方法的研究

翟兆凯

（泽普林固体物料技术（上海）有限公司，上海 201821）

针对目前橡胶轮胎行业面临的实际技术状况，通过系统、科学、深入、细致的产品技术特性分析，归纳提炼，科学归纳总结，研发生产的“智能化气力输送系统”产品系列是集科技、环保、自动检测与控制为一体的新一代现代化应用技术系统，计算机智能监控系统技术和企业供应链运营管理过程自动化控制系统，以及集大规模集成工业装备和应用技术于一体的新一代自动化高科技和数字化产品。解决了国内橡胶轮胎行业粉状物料多、物理条件复杂、环境污染危害最严重等诸多关键技术难题。柔性生产系统设计具有“机电一体化、软硬结合、管控并重”的系统设计技术特征。

1 国内研究和应用现状

目前，我国橡胶轮胎行业已投入工业应用的气力输送控制系统大多由PLC 控制。由于可编程控制器能在工业领域的各种复杂环境中长期稳定工作，以可编程控制器为控制系统核心的气力输送系统得到了国内用户的认可。在国外，由于气力输送技术的早期发展，工业化国家对环境保护的重视，以及许多西方国家劳动力成本高，气力输送设备得到了充分利用，其控制系统已经相当成熟。工业可编程控制器（PLC）和普通PC 机的双层计算机控制模式得到了广泛的应用，许多智能应用已经在软件中实现。例如，美国的空气输送控制系统采用PLC 和SCADA 两级结构，采用了系统配置使用特殊的SCADA 软件。PLC 控制器系统具有设备体积小、反应频率快、能耗比较低、操作程序简单、维护保养方便、集中控制功能等多项优点，另外还具有运算能力，在现代工业控制中有着广泛的应用。

多篇文章从计算机辅助工程系统设计工程方法和工程计算机仿真方法两个技术层面系统介绍和阐述了如何考虑计算机综合仿真，指导气力输送系统计算机集成设计仿真软件的开发。工程模拟设计过程的目的是根据已知流体物料输送设备的相关特性参数和具体技术参数的要求，综合设计模拟物料输送系统的设备。结合国外工程系统设计的实践经验。通过计算模拟数据，计算机模拟方法可以进一步预测系统各运行点的流量参数差异，以及流场环境中单输管道布局的变化对气流输送过程的重要影响。这两个特性的有机结合将有助于建立大型气力输送管道的计算机分析、设计和计算系统。

一些研究机构也将人工智能理论应用于气动提升的研究，主要是利用神经网络技术对气动提升的各种参数进行预测，并取得了良好的效果。然而，没有使用实际的软件或产品。目前对气力输送系统的智能控制研究较少。

总体而言，我国企业在气力输送智能控制系统方面与一些发达国家存在较大的理论差距。无论是工程应用的基础水平，还是先进工程应用的实践研究水平。

2 项目实例

2.1 万华350KTA HDPE 黑料气力输送项目

项目简介：本项目是通过气力输送方式，把由挤压机生产出的HDPE 黑料输送至掺混料仓，利用AUQ 气力输送密相技术把物料输送至掺混料仓；物料掺混均匀后，再通过AQU 气力输送、密相输送，输送至包装料仓。

项目技术难点：静电消除器消线效果不佳；国外厂商提供的AQU 接线图纸和现场实物严重不符。AQU 密相输送无国外技术支持。

项目解决方案：通过以下方式改变静电消除器的消电效果：优化仪表风持续供应，单独提供连续的仪表风源。增加法拉第杯的取样频率。根据测量的荷质比和静电状态，调整系数，调整正负离子的量。

由于AQU 密相全自动输送的技术在国外有一些设备厂商也仅仅只是简单提供技术给做了一些配套的设备，没有给予实质性技术应用的技术支持，在研究利用该这套技术系统来实现密相自动输送装置国产化的设计开发及研究应用中，解决了以下基本问题：通过分析流量变送器、调节阀、限位开关、压力变送器、开关阀仪表参数，与AUQ 控制原理图纸，更改AQU 实物接线并测试，逐一排查，成功解决；AQU厂商没有提供针对该项目的控制逻辑，所以DCS 部分的控制逻辑需要通过AUQ 装置的样本资料，再通过具体项目分析，提出可运用于该项目的控制逻辑，并通过多次DCS 与AQU 控制器之间的控制方案优化，形成了完整的密相输送AQU 控制方案；通过调整控制流量，改变物料的输送状态，避免物料沙丘流等不稳定状态，实现物料的密相输送。

项目成效：该项目在国外技术支持的情况下，成功地完成了密相开车，突破了众多的技术壁垒，为密相输送技术国产化做了经验积累。

2.2 延长300KTA LDPE/EVA 气力输送项目

项目简介：本项目是通过气力输送方式，把高压管式法生产的LDPE 粒料、EVA 粒料输送至脱气仓；并通过改变脱气流量、脱气时间对脱气仓中对不同牌号的产品进行脱气，当脱气效果达标后，把脱气仓中的物料输送至包装仓，进行包装；该项目利用了PLC和SPLC 控制方案，实现了由PLC 和SPLC 系统控制高压工艺输送的新方法。

项目技术难点：流量变送器测量数据不稳定，同一直管段下的涡街流量变送器、毕托管流量变送器测量数据无法对应；高压工艺输送系统首次使用PLC/SPLC 系统控制；导波雷达不便于维护，误报频繁。

项目解决方案：对涡街流量变送器进行温度压力补偿，在流量变送器的表头上设置为工况流量参数输出，利用柏努利方程原理把工况下的流量转化为质量流量；毕托管流量变送器表头设置为差压值参数的输出，经过温差补偿公式进行温度和压力的补偿；通过补偿后的流量可以稳定输出，并且能相互对应。高压工艺输送系统使用PLC/SPLC 系统控制，解决了以下问题：①使用PLC 的计数模块FM350 代替速度转化模块KFD-UFC-EX 1.D，节省了机柜安装空间，信号输出准确稳定；②利用PLC 与SPLC 代替DCS 与SIS 对高压工艺输送进行控制，系统间利用西门子独有的S7 通讯，替代了DCS 与SIS 之间的硬线连接，在保证安全性的同时，保证信号往来稳定不丢失，节省了巨额的硬件、软件及安装布线成本。利用高频非接触式雷达变送器代替导播雷达变送器，解决了由于物料挂壁产生的误报问题，同时，高频雷达对于低介电常数的物料反馈比低频雷达温度可靠，易于维护。

项目成效：该项目成功地运用了PLC 和SPLC 对高压工艺输送控制，为高压输送的控制方式提供了一种新的解决途径，并且解决了高压气力输送过程中的众多难题。

2.3 神马100KTA PC 气力输送项目

项目简介：本项目是通过气力输送方式，把由挤压机生产出的PC 粒料输送至掺混料仓，利用国产自主研发的ACU 密相技术把物料输送至掺混料仓；物料掺混均匀后，再通过ACU 密相输送，输送至包装料仓。

项目技术难点：压缩机站控制方案设计；国产ACU 密相输送技术引用。

项目解决方案：通过以下方式设计压缩机站方案：由于压缩机冬天夏天的气量是变化的，所以压缩机站的设计需要考虑冬天的排气量（气量大，排不掉，容易憋压停车）、夏天的需求量（气量小，满足不了数量气量的要求）；启动累计运行时间最短的压缩机，停止运行周期时间周期最长时的压缩机，均可以画定压缩机最长的停止运行周期时间，保证了压缩机可以长久、高性能连续地运行；压缩机增加维修状态信号，便于压缩机的检维修，以及增加操作的便利性；调整压缩机站出口气罐的PID 调节的灵敏性，以便能灵敏的排除余量的气体；调整各条输送线之间的气量需要，输送状态与空吹状态之间的用气量平衡。

该项目研究开发目的之一是针对ACU 是目前具有国内首个完全的自主的知识产权研发和设计开发的阀门成套控制设备，单独或者批量地采购开关阀、调节阀、压力变送器、流量变送器，通过自主研发的控制方案与逻辑，维持ACU 密相输送的平稳运行，实现粒料密相输送的国产化。

项目成效：该项目成功实现了ACU 密相输送技术的国产化，摆脱了需要国外技术才能实现密相输送的难题，同时，大幅降低了硬件软件的成本，优化了控制方案，使控制更简洁。

3 PLC 控制方案

PLC 的总线逻辑控制方案是指计算机控制系统中一般是用可编程逻辑控制可编程的总线控制器芯片模块（PLC）来作为其总线控制器部分，包括完成整个计算机系统的控制过程的输入及输出和人机界面，通常是需要通过在PLC 电路中相应的控制输入或输出控制点、驱动的控制输出按钮和控制状态指示灯按钮等模块来完成。为了有效、准确地显示整个系统的运行情况，监视系统的运行状态，系统控制器采用模拟屏灯直接置于主控柜水平面上的运行方式。指示灯应用于直观地指示系统主要部件的功能和运行状态信号。目前，轮胎工业中使用的大多数基本参数气动控制系统都采用这种控制系统。

PLC 分布式控制模块的设计方案不仅具有自身结构紧凑、结构简单、可靠性高的特点，而且具有各种分布式控制单元输入控制器或输出分布式控制单元模块，可以通过直接总线和现场总线通信技术直接连接，省去了以往大量复杂的布线硬件和现场综合布线（如图1）。基本上可以完全满足当今各种中小型工厂大规模生产中现代化管理应用的需求。因此，它已被较为成熟、广泛、有效和实用的现代生产管理行业所应用。然而，随着企业工厂建设的现代化进程，大规模生产控制自动化和管理控制自动化等，对现代化生产工艺设备的要求也逐渐进一步提高。PLC 作为整个生产过程中的辅助设备，其设计方法本身不可避免地会面临一些技术上的劣势和缺陷，这些劣势和缺陷会逐渐暴露和展现出来。目前，PLC 控制方案系统本身还远远不具备实现现场大批量生产的实时数据采集系统的自动实时信息存储、记录查询和自动实时数据显示与记录的功能，无法满足用户对复杂系统信息数据实时、快速、深入分析处理能力的苛刻性能要求。

图1 现场总线型控制系统

4 工控机控制方案

工控机控制方案是指利用工业控制计算机作为控制器来控制气力输送系统的控制系统。工控机通过在主板插槽上安装数字或模拟输入输出板来采集现场信号。由于主板插槽的数量非常有限，输入和输出点相对较少，工控机只能用于中小型控制系统。另外，工控机的抗干扰能力很低。由于大多数工业计算机使用微软Windows 操作系统，其运行模式决定了其无故障工作时间与PLC 扫描模式之间的平均时间仍有很大差距。这也限制了工业计算机在工业领域的应用。然而，由于工业计算机通常使用Windows 操作系统，可用的软件资源非常丰富。此外，工业计算机本身有一个大容量硬盘作为存储设备和一个高分辨率显示器作为显示设备，这对于处理大量数据非常有用。这些特点决定了目前工业控制计算机在橡胶轮胎行业的气力输送控制系统中很少单独使用，而更多用于实验室操作的气力输送控制系统。

5 结束语

文章根据项目实例探讨了气力输送控制系统的智能控制方法，实际上，后一个系统可能比上述模拟系统更复杂，它将配备许多其他辅助自动化设施，如换热器、过滤器、手动调节阀控制系统、旋转给料机系统的氮气反吹控制单元和过滤器控制系统等。筒仓位置和自动传送路径系统的参数设置方法也可能相对复杂。笔者介绍的是气动机械输送与控制系统设计的工程实现的最简单可行的基本方法、技术和一般思路，以及近年来在实际工程项目中总结出来的一些实用技巧。希望对大家实际进行工程液压系统的优化设计规划和设计实施有一些有效的学习、借鉴和实际帮助。