間歇生產多套公用設備優化控制的研究

溫新根 梁亞霖 高文彬 王樹會 俞文光 陳志駿

(浙江中控技術股份有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

從上世紀80年代起，大型聚合釜的間歇式工藝生產就開始引入了基于ISA S88標準[1]的批量控制和批量管理等先進控制技術，結合配方將各種設備按特定任務組合在一起，形成了一種更高級的生產模式[2－3]。如果能對生產和調度做出進一步調整，使之具有更少的間歇時間，那么必將帶來更高的經濟效益。

傳統的間歇生產大多依賴操作員的工作經驗，為保證安全和防止沖突，操作員往往只允許一臺釜占用整套加料/出料系統。這使得完成一條生產線加料需花費大量時間，大大制約了產能。

本文通過引入多線加料控制，結合先進軟件算法，在控制系統(如DCS)平臺上，將排隊控制及自響應功能嵌入到批量控制中，并應用于大型間歇式工藝生產中，有效減少了加料設備的等待時間，從而大大提高了企業的生產效率。

1 單元時間片管理

在大型聚氯乙烯生產中，通常情況下聚合釜有多臺。為便于管理和更好地利用公用設備，常將這些釜分成幾條線，一條線即代表一組釜，每條線公用一套加料/出料設備，每組釜都能形成一個相對獨立的生產體系，使用起來干擾因素較小、簡單方便，此方法目前已被廣泛采納和應用。在這種體系中，可將眾多公用設備劃分成若干個部分，每個部分就可以稱作為單元，根據批量控制將公用設備劃分為獨占式與非獨占式的規定，在聚氯乙烯控制單元中，可依據獨立、完整、合適的原則進行劃分。

在聚合釜的加料中，包含涂壁、緩沖劑、脫鹽水、單體、鏈轉移劑、分散劑、引發劑等原料。如果在控制時將每種助劑都劃分成獨立的單元，那么根據工藝要求單獨為每一種助劑配置啟動、停止、暫停、重試、忽略、復位等接口按鈕，將使程序的故障處理能力和靈活性大大提高。由此，助劑加料公用設備適用于非獨占式場合。在每個助劑單元中，通常包含啟停控制、讀取配方、采集檢測儀表參數等環節，每一個動作可視為一個獨立步序。將這些步序按工藝要求組合在一起，就組成了一個助劑的加料單元。如果將這套公用設備完整的組合起來，又可以成為一個獨立的聚合加料單元。

嵌套單元系統的單元分得越細就越能滿足精細化的生產要求，但由于各步單元時間區別太大，很難作為判斷的標準，也容易出現故障，一旦某個步序出現問題，將導致整個順控程序無法繼續。由此，在計算時間片時以助劑為單元，將會使整個程序結構清晰明了，符合優化控制的要求。

對聚合釜的助劑加料而言，如何提高各單元使用率，降低助劑加料設備空置率，縮短聚合釜的生產周期，從而達到提高生產效率的最終目的，是長期以來一直被廣泛關注的問題。掌握各單元的時間片，縮短生產周期，提高設備使用率，才能實現更精確的管理[7－8]。

聚合釜的生產過程一般包括加料、聚合、出料回收三個階段。每個階段都可能存在多個單元，要計算一組釜的生產周期，必須了解每個單元的時間片。假設加料時包含n個單元，每個單元的時間片分別為t1，t2，…，tn;通常聚合階段只有一個單元，時間片為tj，且各個釜聚合開始時間只取決于引發劑加完時間，與其他釜的聚合時間片無關;出料回收階段包含k個單元，也就有k個時間片，由于出料與加料時間片類似，并且個數通常比加料時少，所以主要討論加料時的情況。

假設一組釜的數量為N臺，每組只有一套加料設備，加料順序按釜號從低到高排列，則第一臺釜加料總時間T1為:

從第二臺釜開始，當ti＞ti－1時需要等待。為便于計算，假設在加第一種助劑前還存在另一種助劑，其加料時間t0=0，那么加料總時間T2為:

在式(2)中，當 ti≤ti－1時，說明系統無需排隊，直接開始加料，在多項式中應略去。對這組釜中的第m臺釜而言，加完料的總時間Tm為:

在聚合釜生產中，由于各種助劑加料時間是可知的，則根據式(3)可推導出加料總時間。一般來說，當一條線的最后一臺釜加料完成時，第一臺釜還沒聚合完成，也沒出料回收，那么在啟動第二輪加料之前，這些助劑設備會有很長一段時間處于空閑狀態。如果能將這段時間利用起來，作為備線給其他線的聚合釜加料，將有效提高助劑設備使用率，并縮短生產周期。

2 排隊與多線加料效率分析

在聚合釜的助劑加料中，如果能在軟件編程和硬件設備方面作合適的調整和完善，就能夠解決助劑設備空置率高的問題，并有效地提高各單元的使用率。

2.1 多線加料分析

一般情況下，一套加料系統只對幾臺同一條線的聚合釜負責，另一條線的聚合釜由另一套加料系統負責。這樣比較穩定，結構清晰，操作起來較簡便。但通過前文分析可知，某套加料設備空閑時可以作為備線給其他線聚合釜加料，即多套加料系統互為備用、互相切換，具有相同的優先級。

在多線加料系統中，假設有N1組聚合釜，即有N1條生產線;對于某種助劑來說，每一組釜有N2套加料管道(通常N1=N2)，其中(N2－1)套是備線，在單線加料中(無主備線加料)，N2=1;每一組釜有N3臺聚合釜;每一臺釜需要加N4種助劑。以第N種助劑加料為例，多組聚合釜加料結構圖如圖1所示，實線表示某套加料系統的主管線，虛線表示對應的備線。

圖1 聚合釜加料結構圖Fig.1 Structure of the feeding process for polymerizer

在單線加料中，以某一組釜的某種助劑為研究對象，任意一臺釜只有一個加料單元與之對應，即同一時間只能給一臺釜加料，對于某一臺聚合釜而言，任意一種助劑設備的使用率P用和空置率P空分別為:

在多線切換加料中，為實現對比的同時也說明備線應用率，那么研究對象應與單線一致，也以某一組釜為單位。對于具有N2套加料管道的某種助劑來說，這組釜的使用率P'用和空置率P'空分別為:

對于整套加料助劑來說，如果聚合釜一共要加N4種助劑，每一組釜有N2套加料管道，那么在多線加料時，這組釜的加料系統使用率比單線加料高出P倍，則有:

由式(8)可知，對某一組釜而言，某種助劑設備的使用率隨加料管道套數的增加而增加，且呈現倍數上升的趨勢;對于這組釜的整套加料系統來說，使用率與單線加料相比呈現指數增加的趨勢。

2.2 排隊作用分析

當系統采用單線加料時，如不引入排隊控制，整套加料系統一次只能滿足一臺釜的加料，如果出現其他釜也加料的情況，由于不同助劑占用時間不同，很可能出現不同釜爭相加同一種料的情況，導致系統混亂，產生故障。即使人工干預(暫停、停止等)，也會花費大量時間，而多釜數更是容易出現差錯，無法達到滿意的效果，故加料系統只能響應一臺釜的請求。假設釜需要加N4種助劑，則對某臺釜而言某種助劑設備使用率P0為:

當系統在單線間歇生產中引入排隊控制時，通過檢測、排隊、響應等功能可以保證每種助劑設備都處于工作狀態，即都在給某一臺釜加料，則這臺釜加料設備使用率P1為:

當系統在多線間歇生產中引入排隊控制時，不僅能保證每種助劑都在加料，而且能保證每種助劑的每套管道都處于工作狀態，則某一臺釜某種助劑設備使用率P2為:

將式(4)與式(11)對比分析可知，在聚合釜間歇過程中，排隊控制雖然不能額外提高使用率，但它是保證硬件設備加料系統能處于最大使用率工作的軟件條件，也是前提條件。也就是說，如果不引入排隊控制，那么多套加料管線中的備線實際是不起作用的，即在圖1(b)中只有實線管道在工作，虛線管道被白白浪費了，其效果相當于圖1(a)中的單線加料。

S88標準關于公用設備的批量控制方案指出，如批量過程需要調用某一階段的某個單元，并非通過將此設備單元作為資源來配置，而應通過邏輯的獲取和釋放的方式進行，同時，一個單元一次只能響應一個使用者。本文在此基礎上，從S88標準批量控制方案出發，引入了多套公用設備的概念，將加料系統分為主備線，并分析了實現的條件，提出了一種有序獲取和釋放公用設備的方法，解決了多個使用者同時等待而使聚合釜使用率降低的問題，有效提高了聚合釜生產效率。

3 應用程序實現

在間歇生產中，可以通過改善工藝，或采用多套加料系統等來增加產量。要保證這些硬件設備都發揮其功用，關鍵是在合適的軟件平臺上編寫強大的工業控制軟件[9－10]。而排隊控制更是其中的重點，其與批量控制相結合，將有效提高聚合釜的生產效率。

3.1 排隊控制分類

排隊控制實質是一項結構性工程，其核心是將各個單元及配方有機地銜接起來，通過對被控對象合理分組，實現一個完整的系統性任務。

排隊控制按實現方法分類，通常可分為以下三種類型。

第一種是計時響應控制，分時間等待最長和時間等待最短兩種，具體應用視項目工藝或實際情況而定。這種方法需用到大量的定時器，其優點是靈活方便，每臺設備都具有相同的優先級，無主次之分;缺點是占用的定時器較多，在大型項目如聚合釜加料控制，每種助劑的每套設備加料都需要經過排隊，定時器的大量使用增加了控制器的整體負荷。

第二種方法是排隊次序計數控制。在某些罐數多、操作要求嚴格的場合，比如制藥行業，計數可以方便操作員掌握各個儲罐的實時情況，幫助企業提高生產效率。

第三種方法是特定次序響應法，也是本文著重介紹的方法，其響應過程如圖2所示。

圖2 特定次序法響應過程Fig.2 Response process of specific sequencing method

在某種助劑加料過程中，預先編排響應次序。當某一種助劑加料設備完成對某一臺聚合釜的加料并處于空閑時，其他進入這種助劑排隊列表中的聚合釜按“釜號”依次響應，逐一完成。如果某種助劑的加料具有多線選擇功能的，那么同時加料的就可以是多臺聚合釜，其他多臺釜如要加料就必須先進入排隊，等待助劑設備空閑后依次響應。這種方法的優點是程序編寫起來標志位穩定、容易判斷、程序量小、結構清晰。

3.2 組態管理軟件優點

組態管理軟件采用的是浙江中控基于IEC 61131-3標準、針對集散控制系統所開發的全中文界面DCS組態編程軟件。組態管理軟件集成了LD、FBD、SFC、ST四種類型的編輯器，LD、FBD以及SFC編輯器相結合，可以較好地滿足工業現場所遇到的大部分控制任務，而使用ST編輯器可以實現一些高級應用。

在編寫聚合釜排隊與批量控制程序的過程時，主要使用組態管理軟件完成程序框架的編制。ST語言具有易讀易理解、迭代方便、占用內存小的優點，因此，在具體的程序動作的編寫過程中，較多使用ST語言編寫程序。

3.3 排隊邏輯實現

多線排隊控制邏輯結構如圖3所示。

圖3 多線排隊控制邏輯圖Fig.3 Logic of the multi-line queuing control

工藝系統無備線時，系統一次響應一臺釜，條理較清晰。在多線切換加料的控制任務中，系統可以同時響應多臺釜的加料，邏輯相對復雜些，編程時考慮的情況較多，要注意控制器的執行周期、掃描規律等。

工藝系統無備線時，系統一次響應一臺釜，條理較清晰。在多線切換加料的控制任務中，系統可以同時響應多臺釜的加料，邏輯相對復雜些，編程時考慮的情況較多，要注意控制器的執行周期、掃描規律等。

在程序編寫過程中，采用了嵌套的CASE選擇語句，用來對步和釜作出選擇。嵌套的IF、END_IF語句，用作條件判斷和狀態標志位檢測、條件跳轉語句及多種文本代碼計算等。按“釜號”從低到高的原則選釜，結合控制器從上到下、從左到右的掃描規律，在條件判斷中一旦檢測條件滿足，立刻置位標志位，屏蔽其他釜的響應。組合各個助劑單元，構成完整的排隊控制。

4 結束語

針對聚合釜在間歇生產中助劑設備使用率低，生產周期長的問題，本文探討了結合工藝和軟件實現增產的方法。工程實際運行結果表明，本文所提出的助劑單元控制策略能夠降低助劑設備加料空置率，提高聚合釜的使用率，系統響應性能良好。該方法切實可行，具有一定的借鑒推廣意義。

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