稀土液體物料自動計量控制系統的設計*

侯成虎

(甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

隨著科學技術的不斷進步，生產過程自動化程度要求越來越高，自動配料系統由于具有減輕勞動強度、保障生產的可靠性和安全性、降低生產成本、減少環境污染、提高產品質量的優越性，已被廣泛應用[1]。目前，配料系統的流程控制幾乎全部由PLC來實現，PLC通過模擬量模塊采集物料重量信號，通過數字量輸入、輸出模塊處理其它信號，采用可視化觸摸屏作為人機界面[2]。

針對筆者所在公司的液體物料計量控制系統無法滿足車間精細化管理和企業數字化轉型的現狀，提出稀土液體物料輸送系統設計方案，通過計量傳感器和電氣執行設備，對液體物料流量精確計量和控制，同時結合工業互聯網技術，實現稀土液體物料自動計量控制并實現數據采集、統計分析和遠程監控，徹底解決各生產車間之間液體物料計量的難題，打通車間之間信息孤島，實現數字化生產，明顯地提高了生產效率。

1 現狀及改造要求

目前筆者所在公司各車間物料的液體物料自動計量控制全靠人工電話調度，手動開停泵進行，液體物料計量靠人工目測機械液位計，這種情況下數據計量精度低，需要人員多，響應時間太久，效率低。在一定程度上造成液體物料的浪費，并且物料計量精度受到人為操作的影響，精度較低。根據公司生產需要，亟需改變傳統的控制方式，提高生產效率，節約成本和提高物料計量精度，實現物料自動控制和精確計量。圖1為車間液體物料計量系統。

圖1 車間液體物料計量系統

為全面實現稀土廠液體物料的自動輸送和精確計量控制，對公司生產的液體物料消耗實時采集和遠程監控。在不同生產車間之間，通過液體物料的自動輸送，對物料流出流入情況進行精確計量，以減少物料的損耗，有助于實現生產單位之間的準確結算。

對公司各生產單位的每一種物料消耗數據進行實時統計，然后將統計數據傳送至調度室總站，再由調度室總站傳輸至兩化融合平臺。實現對生產車間各種物料及產品的投入、產出統計。

進行物料消耗統計，快速全面了解每個生產單位的液體物料使用情況。對整個廠區的物料輸送統一規劃，統一管理；實現不同生產車間之間物料供給需求管理；為不同生產車間之間物料使用費用結算階段提供準確依據。

2 系統總體設計

為了有效實時監控各車間液體物料的消耗情況，利用現代計算機技術、工業互聯網技術、現代通訊技術、智能測控技術、自動控制技術等領域最新成果，建立廠區液體物料自動計量控制系統。在有效利用現有設備資源的基礎上，通過增加數字儀表實時監控液體物料的流量，統計各車間的消耗量，為車間結算提供準確的數據支持，提高生產效率，促進企業降低成本，提高生產效率[3-4]。

2.1 系統架構

基于工業互聯網技術的稀土液體物料自動計量控制系統，通過在液體物料輸送系統上安裝電磁流量計、電磁閥，在儲液罐中安裝雷達液位計，對204、201、202、218、燒堿廠在車間之間的液體物料數據進行實時監測和統計，同時按照每個車間的生產情況對液體物料消耗進分析和需求預測。遠程或自動控制物料供給系統、計量系統，保證每個車間都能滿負荷生產，減少能源浪費。在物料系統建立的基礎上，再接入PLC控制系統，達到對物料消耗數據的扁平化監視與管理，系統架構圖如圖2所示。

圖2 液體物料自動計量控制系統架構圖

2.2 系統功能

稀土液體物料自動計量控制系統將工業互聯網、云平臺和帶有通訊功能的電磁流量計和智能控制技術應用于該系統，通過現代計算機技術和廠區的的數字化硬件設施，工作人員可以通過手機或計算機遠程調控液體物料流量，掌握各車間的生產需求狀況，實現高效生產和管理。用戶通過該系統可以實時了解系統安全運行狀況、設備總數、網關總數、變量總數和存儲數據總量，以及歷史報警信息等。系統功能如圖3所示。

圖3 系統功能圖

3 系統設計及實現

稀土液體物料自動計量控制系統通過在物料輸送系統中安裝電磁流量計、電磁閥、雷達液位計、數據采集器和智能網關，可將每個車間的液體物料供給量、消耗量、需求量、物料輸送系統中每個閥門的開關狀態、開度大小，電磁流量計的流量數據實時傳送至云平臺。其中物料消耗數據可為車間之間結算提供準確依據。當某個車間不再需要物料時，操作人員可通過登錄系統實現對閥門的遠程關閉，取代了之前的電話調度，人工現場關閥，極大地提高了物料輸送系統響應速度和工作效率。

3.1 系統控制方式

對現場貯槽實現集中管理，分散控制。在每個車間設置一個控制器，用來采集雷達液位計、電磁流量計數據，控制現場執行機構電動閥和輸送泵。在調度室設置一個總控制器，各車間控制器根據供料貯槽液位自動完成本車間所有貯槽的供料工作，即對其液位和供料流量進行實時監測，完成手/自動供料；總控站完成遠程自動、遠程手動控制供料輸送泵啟停，自動形成累計流量報表，有實時報警系統，并上傳至兩化融合平臺。系統根據供料貯槽液位高低控制輸送泵的自動啟停，根據接料貯槽液位通過連鎖控制輸送泵的急停急開，所有貯槽都設有高低位報警系統；為了便于設備維修和防止物料產生虹吸、跑冒滴漏，在供料泵進口安裝電動切斷閥，并根據物料液位高低對其啟停進行自動控制。自動閥和輸送泵的狀態實時采集上傳，以便及時發現故障并處理。

3.2 系統控制網絡

該套系統的控制網絡主要包括包括PROFINET網絡、以太網網絡，由PLC作為主控制器。各從站采用PROFINET連接，以此連接現場數據采集設備?？刂凭W絡如圖4所示。

圖4 系統控制網絡圖

系統控制網絡主要包括如下部分。

(1) 下位機系統：包括西門子1500系列PLC和 1200系列PLC 、繼電器、接觸器等電氣元件，控制電機的啟動和停止，控制電動切斷閥的開關，采集流量計和液位計數據。

在204、201、201南方礦、218、燒堿廠車間單獨設置PLC控制箱，現場信號單獨采集和控制，在每個控制箱上安裝觸摸屏，可現場操作和監視，也可在總控服務器上通過操作畫面操作和監視，為了保證生產安全，現場電氣柜有急停操作按鈕、本地/遠程轉換按鈕和啟停操作按鈕。在調度室通過上位機畫面對各個液位、閥門進行遠程監視和控制，并能實時報警和生成各級報表，便于集中管理和協調生產。

(2) 上位機系統：包括流程圖畫面、全面控制監視和各種手/自動操作，并能實時報警和生成各級報表等。

(3) 兩化融合平臺：組態相關畫面，顯示各貯槽液位、流量和累計報表，以供生產調度分析，指揮生產所用。

3.3 系統平臺

稀土液體物料自動計量控制系統基于B/S架構開發，與C/S架構相比，B/S架構具有開放性、靈活性和易用性的特點[5]。將現場采集數據進行統計分析，結合用戶的歷史使用記錄，按照生產車間的需求，不斷下發指令直至達到用戶需求量。為了保證數據傳輸的安全性和指令下發的穩定性，將上位機軟件安裝在服務上，數據庫安裝在專用的數據服務器上，用安全網關和防火墻將外網隔離，上位機軟件平臺與終端通過TCP/IP協議方式實現通信[6]。

現場采集的數據傳輸至平臺后，經平臺處理之后再存儲到HSTDB時序數據庫中，用戶可以通過平臺對歷史數據、指定時間段內的數據進行訪問，包括數據的統計分析結果。用戶也可以通過平臺實時查詢物料輸送系統中電磁流量計、電磁閥的運行狀況和智能網關的在線離線情況，若系統中某臺設備出現故障時，系統會激活報警程序進行報警，提示管理人員及時到現場查看，以免遭受更大損失。平臺上的所有功能可在手機客戶端隨時瀏覽，做到隨時隨地實時掌握車間生產需求狀況和系統設備運行狀況。

4 平臺部署

系統將通過私有化部署，部署在本地服務器上，利用企業內部搭建的局域網進行數據采集，數據存儲在本地專用的數據服務器上，用戶可以在企業內部網絡環境下的固定PC端訪問系統。

本地私有化部署的特點是系統運行在企業自建服務器上，可以利用企業本身的信息化建設投入和網絡資源，數據傳輸在局域網內且數據存儲在本地服務器上，這種傳統的系統架構模式很容易讓用戶接受并產生“本地私有化部署相對比較安全”的概念。本地私有化部署的模式缺點是前期硬件投入較大，需要有專業的服務器運維團隊進行運維管理，后期隨著設備性能的下降需要持續進行硬件投資，用戶無法享受軟件系統免費升級的服務。

5 運行效果及總結

在未上液體物料計量控制系統時，公司各車間的物料需求與供應全靠人工值守，物料輸送系統中閥門的開閉指令下達以及狀態反饋全部通過工作人員電話調度，人為影響因素較大，無法及時有效地對物料輸送系統進行精確控制和狀態了解。同時，物料輸送系統需要工作人員24 h值守，再加上巡檢等維護人員，保證整套液體物料輸送系統正常運行需要30人左右。在液體物料自動計量控制系統投入運行后，人工減少了一半，系統的及時性和有效性大幅提高，控制效果良好。操作人員只需登錄系統，就可以全面掌握物料輸送系統的所有設備，包括電磁流量計、電磁閥、液位計、輸送泵的工作狀態與智能網關的在線狀態。若有設備不在線或者出現故障時，系統就會提醒工作人員或巡檢人員前往現場查看并處理，可以保證輸送系統處于健康運行狀態。車間之間的液體物料供應量也實時展示，也可以按年、月、周、日或按指定時間段查詢液體物料的消耗量。公司應用此液體物料計量控制系統后，雖然會出現新問題，還需要不斷地完善，但從企業管理的角度考慮，該系統對促進企業精細化管理起到積極作用，極大的提高了車間管理的效率和精度，對企業降低生產成本，提高生產效率，助力企業數字化轉型方面具有舉足輕重的作用。