工控技术在某浮选制药厂小试装置中的设计及应用

杜孟超 徐海阳 何尚宏 赫堂友 赵晓伟 陈 帅 陈 浪

（中钢天源安徽智能装备股份有限公司）

某研究机构为了研制新型浮选药剂，在其配料的再加工阶段需要将呈板带形状的原料通电后浸入盛有酸（碱）的溶液中进行反应。原工艺操作过程均是手工进行，存在产量小、投料一致性差、数据可追溯性不高等缺陷。为此，委托中钢天源安徽智能装备股份有限公司对其进行了自动化改造，通过增加远程监控功能，达到了自动控制的目的。

1 系统概述

某新型浮选药剂生产工艺中，设备放卷机上料后通过步进电机缓慢投料，投料速度可供用户自由设定；同时有2台可调电源给物料进行通电，且工艺需要2台电源频繁切换正负极；反应槽内的pH值及温度由在线检测仪表获取，除能够实时反馈外，还参与对滴定管蠕动泵的控制；以上所有检测及控制环节都可通过移动端及PC端实时反馈及控制，同时部分工艺发生变动时，可对工控环节进行远程修改［1-2］。

2 控制系统硬件构成

在分析研究原有工艺流程和新需求的基础上，自动化的控制核心采用西门子200SMART，人机交互界面选用配套的精彩系列面板，设计了对应客户要求的工控系统。

S7-200smart是一种集成模块式的结构，主要由CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通讯模块、和编程设备组成，各种模块安装在导轨上，系统构成和扩展都十分方便。CPU硬件见图1，控制系统硬件配置见图2。

3 系统在设备中实现的控制回路

3.1 原料输送

根据工艺试验结论，原料在反应槽中需浸泡数个小时，才能稳定反应，所以投料的时间需要缓慢且稳定。同时考虑到整个设备的主体与反应槽都是由亚克力拼接构成，承重性能不高，送料动力由步进电机来承担。

CPU硬件本体最多集成有3路高速脉冲输出，频率高达100 kHz。配合步进电机配套的控制器，在不需要对位置进行精确控制的工作条件下，仅需要在IO点连接PUL、DIR共阴接法即可［3］，原理见图3。

3.2 原料通电

根据工艺要求，原料通电可以加速反应速率，选用了工业级别的可调电源。为了方便后期研究人员对反应槽内环境的可调，特将电源的电压、电流、起停时间做出了开放设置，并自动录入配方当中，以便后期的成品比较。

可调电源为直流稳压电源，接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压和设定的电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和设定值相等；如果输出电压大于设定的电压，则通过调节器使输出减小。

稳流状态时负载电阻大，则输出电压就会自动升到电源的最大输出电压，只有当负载电阻小到一定的程度，使电源输出电流达到恒流值，电源才真正处于恒流工作状态，随着负载电阻值的逐步减小，输出电压也按规律下降，以保持输出电流的恒定不变。可调电源原理见图4。

原试验室使用的是带有飞梭的电源，操作时需要手动调节，而且速度慢。新式电源不仅保留了飞梭做应急使用，更通过TCP协议将原本的调节和记录一并完成［4］。

由于原料在反应过程中始终处于回路当中，且电钳与物料传递杠仅有箭头大小的接触面积，所以电钳及导线极易发热老化。为改善这一状况，同时满足可反复切换电流方向的新工艺要求，装置设置了2台同型号电源，为防止误操作而引发2台电源导通的状况，设置了可控的物理隔断。

3.3 溶液pH值及温度一次性采集

反应槽中的溶液是原料是否正常转化的必要条件，故对其pH值的监测比较严格。与此同时还必须兼顾通电溶液发热问题，将溶液pH值与溶液温度的实时数据采集到系统当中，便于试验人员获得更加切合实际的氢离子活度。设计时选用工业级的在线化学分析仪表，该仪表由pH电极和分析仪组成。

pH值电极测量为原电池原理，由2个半电池构成。其中，1个半电池作为测量电池，其电位与氢离子活度有关；1个为参比半电池，一般是与溶液相通，且与分析仪相连。通过电极内部原电池反应产生的电势差传递到分析器中，对应算法变送输出pH值。

分析仪的选取需考虑试验人员的可操作性与专业属性，为使其能更加专注于试验过程及试验结果的分析与优化，降低后期维护工作，采用隔离变送输出，最大限度的减小干扰对读取数据的影响；使用RTU协议一次性采集并向系统输出温度与pH值。通讯数据及寄存器地址见表1。

同时，系统根据前期试验数据结合能斯脱公式分析并组态了可手动、自动控制的温度补偿算法。

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3.4 溶液酸碱控制

在原料的反应过程中，pH值是表征溶液是否具备理想反应条件的重要参数，通过闭环控制系统来实现对其控制，可有效抑制各种扰动的影响，使溶液的被控pH值趋近于给定pH值。

通过pH值计协议读取pH值，通过温度的补偿后，直接将数字量写入系统PLC的算法当中，参与下一步的PID运算。PID将实测值与pH值的给定值进行比较后，其误差通过PROFINET协议控制酸泵或碱泵的流量，实现对pH值的闭环控制［5］。pH值的PID控制系统结构见图5。

pH值计中的读数通过滴定曲线使步进电机调整滴定管，滴定曲线见图6。

3.5 远程维护及远程控制

该试验装置结构复杂，控制点较多，借助PLC实现自动控制是必然选择；然而高端的自动化运行系统所需要的人力维护成本不容忽视，一旦出现故障或运行轨迹错误，将影响整个试验的工作进度，带来不可避免的损失。

远程维护与控制系统由物联网设备和物联网云监控平台组成，基于以太网、WiFi、4G网络高覆盖，实现工业设备联网。该系统将试验装置作为信息节点，通过控制器的自有协议和远程设备进行通讯，从而实现数据采集与控制，最终融入到整合化信息管理中，实时、准确、自动地为整个信息系统提供及时、有效、真实的数据，以实现远方与本地之间的信息交流和协同工作；下发准确的操作、维护指令构建1个现场综合数据交换平台，包括设备状态监控、报警推送、远程调试和数据报表等功能，满足生产、维护所需的数据采集与管理需求，有效降低运维成本［6］。同时，支持手机APP对试验装置的运行进行远程预警、监控。该装置的终端使用者能随时随地观察设备的运行状态，及时进行预警，提高其运行的可靠性，避免因故障带来不必要的损失；也能通过远程实时查看设备的运行状态，及时排除故障，提高维修的时效性。

远程控制由设备通过TCP与监控终端交互完成，远程维护由工业路由完成。远程监控可直观查看装置的当前情况，以及各个参数的当前值，有无超限情况，还可查看当前一段时间的数据趋势变化，便于对设备运行状态进行有效追踪。

4 应用情况

设备自运行以来稳定正常，数据采集满足试验要求，从一定程度上提高了试验效率及人员工作效率；但也存在一些问题，例如，传感器出现瞬间波动，导致数据异常或不准确，需要在换算函数中自动过滤异常数据（加快采集频次的同时，3次采集报错算作异常）；出现干扰源时，数据会出现小幅波动，则采用添加临时堆栈通过滤波得以提高用户体验。

5 结语

某研究机构通过研究，针对制药厂或类似传统试验室提出了一种智能化非标设备设计与应用，功能、流程和步骤相对简单，具备了接口灵活、跨平台等特性，满足了试验人员对数据的基本管理和分析要求。