1 引言
目前，复合肥生产线大多为人工操作，工人生产环境差，劳动强度高，而且配料不精确，常常由于人为因素较多而造成产品质量不稳定。锦州特肥厂原有10万吨/年氮磷钾三元素复合肥生产线，2000年通过技术改造，调整为30万吨/年的生产规模。为了进一步提高生产和管理水平，该厂成套配置了复合肥生产计算机控制系统。
生产工艺及控制要点:
氮磷钾三元素复合肥生产分为3个工段:磷酸和硫酸工段、转化和复肥工段、造粒工段。第一个工段主要是生产磷酸和浓硫酸，包括磷酸萃取、硫酸焙烧等工序;在转化和复肥工段，先在反应釜中按比例加入硫酸和氯化钾，加温至110℃并恒温固定时间后进入收集槽，然后在收集槽加入磷酸，混合后经混酸泵打入管式反应器，最后向管式反应器加入中和氨气，生产成品料浆;在造粒工段，成品料浆等经喷浆控制进入造粒机造粒，再经过烘干等处理最后成为成品复合肥。
生产中控制回路主要包括各种原料的比值控制系统、反应器和造粒机温度控制系统、喷浆流量控制系统等;开关控制主要包括各种矿浆物料变频器启/停、各种反应器阀门开/关等。有些设备需要顺序控制和联锁控制。监测参数包括温度、压力、流量、液位等多种参数。
2 控制系统构组成
控制系统采用下位机+上位机+服务器三层模式。下位机包括两套Eurotherm 公司的E2500小型DCS控制装置和一套研华ADAM5510 PLC;上位机为2台工控机，互为热备份;服务器为普通PC机，具体结构如图1所示。
图1 复合肥生产计算机控制系统结构
E2500支持Modbus、Profibus、OPC等多种通讯协议，控制功能丰富。ADAM5510是研华公司的Pc Based产品，支持Modbus协议，采用C语言编程，方便灵活。上位机和服务器分别运行iFIX运行版和开发版工业组态软件，3套计算机通过以太网互联。上位机和下位机连接采用了485网络，Modbus RTU通讯协议，通讯速率19200bps。ADAM5510安装在现场，系统中加装RS485中继器。
3 系统主要功能机及实现
生产线的控制主要由下位机完成，上位机按工段提供人机交互界面，进行数据显示、存储、和统计等功能。服务器备份运行操作和数据，对历史数据进行分析管理。
3.1 上位机主要功能及实现
在上位机，可以通过主界面进入各个工段监控界面。在每个工段监控界面中可以进入其它工段。在工段监控界面中显示有关工艺流程，在相应位置显示过程参数。为适应现场人员习惯，系统设置一个参数列表界面，以表格形式分门别类显示系统所有监控参数。各个工段主要控制回路和监控参数如下:
(1) 磷酸和硫酸工段
· 控制回路:萃取矿浆流量和萃取硫酸流量比值控制;冲盘水流量单回路PID控制;
· 监控参数:萃取矿浆变频器、萃取硫酸变频器启停;硫酸过氧焙烧温度、酸池液位等;
(2) 转化和复肥工段
·控制回路:硫酸流量、氯化钾流量、磷酸流量三比值控制系统;中和混酸流量、中和氨流量比值控制系统;
·监控参数:硫酸变频器、氯化钾变频器、磷酸变频器启停;盐酸流量、水流量、混酸池液位、中和氨压力;
(3) 造粒工段
·控制回路:喷浆流量单回路PID控制A、B、C;温度控制单回路PID控制;
·监控参数:机头温度A、B、C;机尾温度A、B、C;成品料和返料皮带变频器启停;皮带物料重力、速度信号;电机转速。
在对应的工段监控界面中，每一个控制回路有对应的PID操作面板，可以象操作常规仪表一样进行PID参数设定、手动/自动切换等;对于比值控制系统，可以方便地进行比值设定。比值控制系统比值断开/连接等功能。两台上位机互为热备份，在运行监控时可以分别运行在不同的界面，从而大大拓展运行人员监控视野。
3.2 下位机主要功能及实现
下位机具体实现回路控制和参数监控。主要工艺流程由2套E2500实现监控，ADAM5510实现成品料和返料皮带的监控。
E2500控制装置功能丰富，组态灵活。所有参数具有相应的Modbus地址，可以直接供上位机读写。2500控制装置有标准PID控制算法，可以直接用于单回路和比值控制系统。对于系统中反应釜温度控制等，系统随着工况变化有较强的非线性，采用自适应PID控制。同时设置多组PID参数，系统会在对应工况下自动切换运行，从而保证控制质量。
E2500的一些参数具有Modbus地址源地址，利用这一特点，可以方便地在线实现系统连接关系切换。比如，比值控制系统在手动操作或者投运前进行调试时，需要切断比值连接，要求相应PID控制的给定值暂时转换为本地给定。通过运行iFix脚本命令，可以方便地修改给定值源地址实现这种功能。
成品料和返料的监控中，主要是采集重力信号和速度信号，计算瞬时流量和累计流量。系统中利用ADAM5510的COM1口扩展了简单的键盘和显示，可以方便进行就地参数设定和测皮控制、标定等操作。
3.3 报表和系统数据管理
报表实现方法有多种，系统应用VB6.0将EXCEL对象引入应用程序，在已经设定好的报表模板中加入自定义宏，屏蔽掉ＥＸＣＥＬ菜单栏及工具栏中无用的项目而仅留页面设置、打印预览、打印及退出4个项目，使操作人员可以方便操作。每天8:00整打印和存储日报表，报表内容包括各种物料瞬时流量、累计流量、返料量、成品量以及各点温度、压力等的历史纪录。历史纪录是按每半小时统计一次生成的过去24小时数据，产生日报表，每月第一天计算出上月总量，日均消耗各种物料量等，生成生产月报表。
历史数据设计、采集和显示分别用iFIX的HTA、HTC和 HTD，每24小时生成一个文件存储在硬盘上。通过趋势显示、历史报告和数据分析，对生产情况进行评估，不断优化生产过程。
4 系统可靠性设计
系统在电源、上位机和E2500控制装置两级上都作了冗余设计。上位机两台工控机一台运行，一台热备份，通过iFix开发工具EDA编程互相监控。两台工控机都通过RS-485通讯接口连接E2500。E2500系统中采用双CPU模块冗余技术，两台CPU模块应用程序相同，一台CPU模块周期性与另一CPU模块通讯，超时未得到应答则自动转入运行状态。
生产线上所有的设备都有现场手动开关，可随时脱离控制系统转换到手动操作模式，而不影响整条生产线的工作，便于设备维护，增进了系统可靠性。
5 结束语
锦州特肥厂复合肥生产计算机控制系统2000年全面投运，运行稳定可靠，大大提高了生产效率，同时使工厂生产、管理都提高到一个新的水平。由于系统已经采集了生产线上大量数据，如何进行深层次的数据挖掘和分析，是一个有意义的新的课题。
参考文献
[1] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京:清华大学出版社.1999.
[2] 李 棋.工控软件IFIX在DCS改造中的应用[J]. 华东电力,2003,(.6)
作者：许洪华
作者简介
许洪华(1968-) 男 清华大学自动化系控制理论与控制工程在读硕士,研究方向:现场总线与控制网络。
