真空制盐工艺流程图
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目前，我国真空制盐蒸发系统生产过程中的工艺参数的监控绝大多数厂家采用传统模拟仪表，其中蒸发室的液位控制通常由人工通过操纵器进行手工操作调节，有的甚至由操作工在现场直接操作进料阀进行控制。劳动强度大，液位控制质量差，罐内液位波动较大，进而造成整个生产过程运行工况波动不稳，最终导致生产效率低、能耗大的不良后果。同时，监控所有的模拟仪表可靠性差、故障率高、维修量大。众所周知，自八十年代以来，微型计算机技术飞速发展，工业计算机系统性能价格比大幅提高，特别是计算机在线工作可靠性已远远超过常规仪表，在工业自动化领域计算机应用越来越广泛，工业上由计算机取代常规仪表已是科技进步的必然趋势。基于此，我公司于1993年决定对四效蒸发装置的原有控监系统进行技术改造，采用计算机监控技术；于1994年6月～8月间，集散型计算机控制系统的现场控制单元、监控与管理的上位机依次投入正常运行，通过几年的运行情况来看，达到设计的预期要求，操作简便，稳定可靠，使我公司几年来生产工况十分平稳，产量增加，能耗下降，工人劳动条件得以改善，劳动强度大大降低，因此获得很大的经济效益和社会效益。
2 系统总体设计方案
2.1计算机系统结构
根据真空制盐生产工艺的监控技术要求和生产现场有盐尘易腐蚀的特点，本着运行可靠，操作简便，成本低廉的原则，采用小型计算机集散系统的结构。由一台STD总线八路现场控制机、一台PC-486和一台24针打印机构成，其原理如图1-1所示。
图1-1
现场控制机对蒸发系统的工艺参数进行实时数据采集和监控，并通过CRT和专用键盘进行有效运行控制操作；上位机安装在总调度室，对现场进行监控和调度管理。现场控制机和上位机之间通过各自串行通讯口用信号增强器和电缆相联，可以实现两台机器之间的通讯，进行数据交换。另外，上位机今后可通过软件功能的扩展，同其他现场监控计算机联网，实现对全厂生产集中监控和调度管理。
2.2 监控系统方案
根据真空制盐生产工艺的特点和要求，罐内液位的稳定对保持首效蒸汽压力、罐内料液的固液比、末效真空度、排盐量等四个参数的运行平稳尤为重要；所以罐内料液液位被选为控制参数，而其余工艺参数仅作监视。蒸发罐内液位控制采用简单的PID反馈加前馈补偿器的复合控制结构，如图1-2所示。
图1-2
但由于液位差压变送器测量出的数据不仅与实际液位高度有关，还与罐内料液的比重成正比，因此，罐内料液的比重将直接影响液位变送器的测量精度。目前国内没有比重在线测量仪器，无法用料液比重来补偿液位的测量值。然而罐内料液比重与固液比有单函数关系，按生产工艺的要求，固液比要定时测量，所以，采用固液比定时对液位的测量进行定时校正。这样虽不能准确校正，但可以大大降低液位测量误差，从而相应地使得液位控制精度可以满足生产要求，实践证明，这样做法简单明了。
3 上位机软件设计
上位机与控制单元的功能分工明确，界面清晰，可进行调试和检测，按照约定的数据结构和通讯协议，通过RS-232串行通讯口联系，以中断方式处理收、发数据。上位机为控制单元与操作员之间通讯提供界面，从而使操作人员十分方便地对整个生产过程进行集中监视与管理，控制单元主要完成控制系统的内部仪表功能，执行直接数字控制。
上位机界面的设计原则是：提供全面的、直观的画面显示运行时的各种参数。所有画面都具有当今流行的WINDOWS风格，文字信息均用汉字给出，便于操作人员的使用。
上位机的各画面功能：
3.1 主菜单
主菜单给出了该软件的功能全貌，共有四个主菜单项。
“系统”：打印班报表，修改时间，退出系统；
“查看”：工艺流程图、运行曲线图、控制参数表、报警记录表；
“操作”：内部仪表图、系统监视表；
“帮助”：关于操作说明。
3.2 工艺流程图
该画面显示了制盐车间的主要工艺流程图，并在具体位置实时显示各主要运行参数，包括近似显示蒸发罐的液位。通过这幅画面可以直观地、方便地观察系统的运行状况。
3.3 内部仪表
该画面同时模拟地显示现场的八块常规仪表，所以象读常规仪表一样读出设定值、测量值、操作输出值以及控制方式、报警范围等，非常直观和符合原操作习惯。另外，在操作调整图中显示出了详细的控制参数及其近一段时间的运行曲线，在此画面中通过调整控制参数，可以改善控制性能。
3.4 运行曲线
画面以曲线的方式对生产中运行的主要参数进行分页显示和生产分析。
3.5 控制参数表
表中显示出八块仪表的各个控制运行参数。
3.6 系统监视表
表中显示出整个系统各个监视量物的值，其数据以按实际使用工程量表示并标明了单位，使操作者对整个系统的当前运行情况一目了然。
3.7 报警记录表
对系统运行中出现参数超限进行自动记录、报警。记录的数据有：报警日期、时间、消除报警的时间、报警回格名、报警类型、报警时的测量值、报警时的控制方式等。
3.8 打印班报表
班报表的打印是为了直接输出系统运行文档。
3.9 修改时间
显示出当前系统时间及采样时间，允许操作员根据生产实际运行需要进行必要的修改。
4 现场控制机硬、软件结构和功能
4.1控制机的硬件选用了具备可靠性高、抗干扰性能强、适应性好、易维护等优点的STD总线结构。同时，还根据本系统一些具体要求，在加强功能、提高可靠性等方面做了进一步的优化设计，设计中主要优化原则和措施。
4.1.1 对整个系统的各个功能集中考虑、统一设计，在满足所有功能需要的同时尽可能减少不必要的功能和部件，以进一步提高整机的可靠性。
4.1.2 在设计中充分运用各种技巧，使整个系统具有模块功能的特点，又尽可能使功能相对集中，减少模块的数目，同时做到除总线外各功能模块之间无任何联接，有效地增强了抗干扰性和可维护性。
4.1.3 对于现场连接的信号端采取必要的安全措施，尽可能减少现场故障对控制的影响，使控制机由于外界因素引起的故障降低到最低限度。
硬件的主要功能：
STD总线控制机的配置由5块模板构成，系统结构如图2所示。
主机板：
主机板选用8031单片机(6M的主频、配置32K程序存储器和8K数据存储器)，并配有通用打印接口。同时，为了使数据存储器在掉电时存储不被破坏，进行特殊设计，使之具有可靠的掉电保护功能。
A/D转换模板(把由现场仪器输入的各种模拟信号转换为数字信号)：
A/D转换模板设计了32个通道的12位和8位两种精度的模板，软件上也为其配置了全兼容的操作和变换程序，输入信号可根据要求适配于各种工业标准。同时，转换中还设计有输入保护电路，允许现场有+80V的非法电压输入而不致破坏转换板的正常工作。
D/A转换模板(D/A转换模板的输出信号与现场的各种执行器连接，输出模拟控制信号)：
D/A转换模板设有8个通道和相应的V/I转换电路，信号可根据需要适配于各种工业标准。
I/O接口模板(用于输入、输出开关量信号)
设有8个电流为150mA，电压小于24V的驱动输出；8个光电隔离，电流为100mA，电压小于24V的隔离开关量输出，8个光电隔离开关量输入，其中有两路可作为频率小于10Hz的低频脉冲信号输入，这样多功能设计，在许多使用环境中为减少模板的数量提供了有利条件。
CRT显示模板和键盘模板。
为配置CRT显示器和专用键盘提供硬件。
隔离A/D转换模板：主要用来采集热电偶、热电阻等传感器直接获得的毫伏级信号。
STD总线控制机系统结构
4.2 软件结构和功能
现场控制机功能包括如下几个方面：
4.2.1 模拟信号的采集和控制信号的输出；
4.2.2 数字量和脉冲量输入功能；
4.2.3 反馈控制和基本顺序控制功能；
4.2.4 报警功能；
4.2.5 与上位机联系的通讯功能。
为了实现以上功能，同时也为了便于操作人员理解和使用方便，控制单元的软件采用了“内部仪表”的形式，如PID调节器、流量累积器、报警指示单元等。
程序结构与框图：
(1)主控制程序单元的软件组成包括系统自检、通讯处理、输入、输出处理、仪表运算及报警等功能。
主程序框图
定时器中断服务程序
(2)时钟中断服务程序
包括两功能：一是不是100ms计数，以确定是否到采样时间，二是对脉冲量进行累积。
(3)通迅中断服务程序
控制单元与上位机的通讯采用了缓冲区技术和中断技术，使得通讯完全处于操作方式，不影响其他任务的完成。
4.3 内部仪表功能说明
在控制系统中，所有控制功能都由“内部仪表”完成。
4.3.1 单点数据采集显示仪表
该仪表能完成单个模拟信号的数据采集与显示功能，同时能完成输入线性化、报警检查功能，主要用于重要参数，如蒸汽流量等。
4.3.2 四点数据采集显示仪表
该仪表能完成四个信号的数据采集与显示功能，能对每点信号进行线性化处理，但无报警功能。用于次要参数，如各温度参数。
4.3.3 PID控制仪表
该仪表能完成单回路PID控制，算法采用增量式计算全量输出。具有前馈、顺馈功能，控制算法具有抗积分饱和功能。能进行被控制量的线性化、报警检查及输出限幅处理。控制作用有正作用和反作用之区别。
4.3.4 PD控制仪表
该仪表功能和(3)相似，但算法作为PID算法。
4.3.5 流量累积仪表
该仪表累积流量值。
4.3.6 脉冲量累积仪表
该仪表累积脉冲信号
4.3.7 二级报警功能
通讯中断程序框图
该仪表对特别重要的参数进行二次报警检查，如超限则输出一开关量，供报警连锁装置使用。
仪表运算程序框图
5 经济效益分析
自1994年6月，我公司正式在真空制盐蒸发系统生产运行中投运集散型计算机控制系统以来，不仅改善操作条件和降低工人劳动强度，更关键是稳定生产工况上起到了很大的作用，延长了有效生产时间，增加了产量，降低了各项能源消耗；这给我公司带来了很大的社会效益和经济效益。
下面通过该系统投运前后的各项指标对比来进行经济效益分析：
项 目 投运前 投运后
有效生产时间(天) 742 335.4
总产量(吨) 303，7.69 153，939.94
总耗汽量(吨) 433，187.5 196，916.33
总耗卤量(m) 139，8224.4 651，062.26
总耗电量(kwh) 40，2，350 32，456，500
总耗水量(m/t) 6，4，416 3，320，750
吨盐耗汽(t/t) 1.4261 1.279
吨盐耗卤((m/t) 4.603 4.229
吨盐耗电(kwh/t) 41.284 39.075
吨盐耗水(m/t) 22.70 21.57
平均日产(t/天) 409.38 458.9268
按年有效生产时间310天计算，节能降耗一年所产生的经济效益：
5.1 降低汽耗所增加的效益：
(1.4261-1.279)t/t×458.9268t/天×310天×45元/t=94.17万元
5.2 降低卤耗所增加的效益：
(4.603-4.229)m/t×458.9268×310天=15.96万元
5.3 降低电耗所增加的效益：
(41.284-39.075)kwh/t×458.9268t/天×310天×0.25元/kwh=6.914万元
5.4 降低水耗所增加的效益：
(22.7-21.57)m/t×458.9268t/天×310天×0.5元/m=7.23万元
合计一年中节能降耗所增加经济效益约为：124.274万元(94.17+15.96+6.914+7.23)。
总之，集散型计算机控制系统在真空制盐蒸发系统中的成功应用，将会给企业带来很大的社会效益和经济效益，已被我公司的实践所证明。因此，计算机技术在真空制盐生产中的推广应用具有很大的开发前景。
