在線分析儀器在智能制造中的應用

                          

                                                       在線分析儀器在智能制造中的應用


一、概述
隨著我國制造業迅速發展，已成為世界第一制造大國，《中國制造2025》指明智能制造是我國現代先進制造業新的發展方向。實現智能制造智就是從原材料、工廠制造、銷售、客戶需求一體化的數字化管理過程，使產品在生產過程中獨立地找到自己的運行路徑，持續提升制造執行力(交付能力)，按用戶需求動態地匹配產品產時、產量、運銷等市場經營品質。智能制造作為一種工具來延展和完善產業鏈，提升我們認識世界和改造世界的能力,助力國家產業轉型升級,將產生是一種全新的智能經濟形態。智能制造是信息化和智能化技術與工業制造過程的深度融合，促進了傳統制造業到新型的轉變。本文主要簡要介紹了在線分析儀器在冶金、石化工業生產中（智能制造）的一些應用,以及引導傳統制造向智能制造轉型升級的思路和過程，力求分析論述預期與客觀效果的結合。
二、在線分析簡介
在線分析儀器（成套系統）是在實驗室離線分析基礎上發展起來的，到目前為止仍有一些儀器是實驗室分析技術的平移。起初在線分析儀器主要是解決實驗室分析難做到的高分析頻次、采樣樣品物性突變、現場采樣安全性等系列問題。隨著在線分析技術的發展，不僅解決了上述問題，主要解決數字化生產中“靶點” 和“靶標”問題，或者說是通過網絡和大數據代替人工找出解決問題的方法，不斷完善和優化數字控制過程，實現清晰智能分析功能。在線分析儀器一般有兩種基本形式，一種是取樣式分析儀器，另一種是非取樣式（原位）分析儀器，讓儀器分成了截然不同的兩大類。取樣式分析儀器由取樣單元、樣品預處理單元、智能分析儀器、數據處理與輸出，以及公用工程的防護、信號傳輸（通信）、電氣輔助設備等設施組成。這類儀器都可嵌入在工業生產流程中，完成對被測工藝介質的自動采樣與物性參數定性、定量分析，連續不間斷地往生產主控計算機（DCS）傳輸分析數據。
 
                                       
                                                                                             圖-1
 
三、原理與分類
工業在線分析儀器的種類繁多，用途各異，按分析方法和原理可分為數百種。按照被測介質的相態劃分，將在線分析儀器分為氣體、液體、固體分析儀器三大類；按照測量原理在冶金、石化等行業使用較多的劃分為：光譜類、色譜類、濕法化學類、物性檢測類。
1、光學儀器類包括采用吸收光譜法的紅外線分析儀、紅外光譜儀、紫外光譜儀、激光分析儀等；采用發射光譜法的化學發光法、紫外熒光法分析儀等。
 2、濕法化學類包括采用化學滴定、化學色差法，PH、電位、電導、電流法的各種電化學分析儀等。
 3、色譜分析類
      采用色譜柱分離技術和檢測器定量的色譜類儀器，與其它分析儀器相比有顯著應用特點，而且使用量較大，單獨劃為一類。
 4、物性分析和專用儀器類
物性分析儀器按其檢測對象來分類和命名，如：露點、熱值、濁度、分離指數等類物性分析儀器；針對石油石化行業的水分、密度、黏度、酸度、餾程、蒸氣壓、閃點、傾點、辛烷值等測定等儀器，統稱為石化專用類。
 5、其它類分析儀器
在上述幾類儀器之外的在線分析儀器，如磁氧分析儀、差熱分析儀、冷焰燃燒分析儀、射線法分析儀（γ射線密度計、中子及微波水分、X射線能譜）等近代物理方法類的在線分析儀器。
典型工業在線分析儀器原理圖（如：圖-2）
                                                       
                                                                                                                          圖-2
 
四、工業在線分析儀器典型應用
（一）濕法化學在線分析（滴定）成套系統在冶金行業應用
1、在線酸濃度分析的由來
酸洗是冷軋帶鋼生產的龍頭工序，酸洗液濃度的控制會直接影響到產品的質量；如果酸洗液濃度偏低，會有氧化皮殘留在鋼鐵表面；酸洗液濃度偏高，酸洗過度，鋼鐵表面則會出現針眼狀凹坑。正常的鹽酸酸洗能夠有效溶解氧化鐵皮，同時生成溶于水的氯化亞鐵。當酸洗過程中鐵離子濃度逐漸升高到一定量時，酸洗環境就發生改變，即使再增加酸的濃度，氧化皮（氧化亞鐵）不發生置換反應，而是與金屬鐵發生復雜的氧化反應，致使金屬鐵被腐蝕。這時候就需要把酸換成新酸，才能恢復正常的酸洗流程。所以鋼鐵行業迫切需要對下面兩個工藝參數動態控制和準確的分析：①酸洗槽中的酸濃度變化值，以動態補酸維持酸洗環境；②跟蹤分析鐵離子濃度的增加量，確定最佳 “換新酸節點”傳統酸洗液檢測方法是，人工在生產線上取酸樣（通常頻次為1次/4h），用化學滴定分析酸濃度和鐵離子含量。再由生產線操作人員依據酸濃度分析數據憑經驗補酸（維持酸濃度）；依據鐵離子含量數據確定換酸（換新配酸洗液）。此方式采樣存在較多安全生產隱患，人工分析有及時性和頻次問題，不適合規模化生產模式。雖然，行業也使用壓差法、電磁法、ＰＨ計、β射線法等酸洗中分析法（壓差法和β射線法是測密度原理），終因鐵離子的干擾檢測和不斷補充輔助計算機校正模型庫，分析數據誤差較大，不適合數字化生產線。實踐證明，濕法化學在線酸濃度分析（滴定）成套系統能較好解決上述問題。
2、分析模型
帶鋼酸洗件表面氧化層主要為FeO（>96%）和少量的Fe2O3和Fe3O4含量，酸洗過程的反應原理為：FeO + HCl= FeCl2 + H2O酸濃度（H⁺%）和鐵離子（Fe⁺²g/l）含量分析模型，其反應式如下:NaOH + HCl = NaCl + H2O………………………………..(1)2NaOH + FeCl2 = 2NaCl + Fe(OH)2……………………(2)滴定HCl溶液，化學計量關系式：（CV）HCL=（CV1）NaOH …………(3)滴定Fe2+離子，化學計量關系式：（CV）Fe=（CV2）NaOH ..…………(4)綜合滴定曲線（如：圖-3）
 
                                      
                                                                        圖-3
 
紅色曲線為改進后實際滴定曲線，紅色虛線為人工滴定曲線，紅點等當點。
計算公式：   C HCL %=(CV)NaOH×36.5/VHCl ……………⑴  
                     CFeg/L=(CV)NaOH ×MFe/VHCl……….……⑵
3、控制模型
①控制模型流程圖（如：圖-4）
                                                  
                                                                                                                 圖-4
②軟件組態圖（如：圖-5）
 
                                                          
③滴定控制圖（如圖-6）：
 
 
                                                                  
                                                                                                                     圖-6
 
4、智能控制
使用在線分析系統后，解決了人工采樣分析和自動上傳分析數據的問題，接下來就是要把分析系統嵌入到生產工藝控制系統中，實現智能補酸和換酸功能。根據即酸濃度（H⁺%）和Fe⁺²離子的濃度建立數據庫，門限值和優化區間上下限，以及線性跟蹤糾偏輔助數據庫，將（H⁺%）和Fe兩組數據間設置關聯計算因子，關聯計算換酸點，將補酸與換酸數據關聯到DCS控制系統中實現智能控制。DCS生產線控制系統顯示界面（如圖-7）：
 
                                                               
                                                                       圖-7  酸濃度和鐵離子的濃度關系圖（交點為換酸點）  
5、應用考核與評價
技術參數考核結果如下表（表-1）

在線滴定分析儀檢測精度數據略（與標樣對比驗證）
 
（二）在線色譜分析成套系統在石化行業典型應用
1、氯化芐及相關生產工藝控制檢測背景
氯化芐產品是一個易燃、易爆、有毒、有害的危險化學品，相關生產過程危險性較大，安全生產一直是企業永恒的主題。應生產企業要求，我們做了相應在線分析方案，解決生產中檢測分析和安全需求。經過實地考察了解相關的生產工藝、物料物性和分析檢測現狀，充分考慮到生產工藝過程特殊性，有針對性的設計和編制了工業在線分析系統技術配套方案，確保現場應用的可靠性、完整性及安全性。
2、物料物性與分析需求
（1）檢測需求    氯化芐反應工段（區）：8臺反應釜的反應產物組成含量分析原料區：2個原料罐物質組成含量分析精餾區：3臺精餾塔塔頂塔底產物組成含量分析
（2）精餾產物
 

 
3、檢測原理 
在線分析檢測系統，是根據擬定檢測的物料按流路輸送到各個采樣預處理單元，通過臨界流量控制動和分子仿真技術，使物料中待測組分和雜質分離，經過高選擇性檢測器檢測出含量信號，分析系統再將檢測信號解讀成可識別分析結果，并且自動傳輸到用戶DCS窗口。 
4、分析系統流程
                                                 
  5、檢測流路取樣流程
 
                               
  配置說明：  反應工序8臺反應釜出料（產品），共用一套工業在線分析檢測系統（IGC）；精餾區的三個精餾塔的塔頂產品中高沸點雜質較少，共用一套IGC；精餾塔的塔釜回流液和1#塔進料含有高沸點物，共用一套IGC，減少過載。
6、色譜分析單元控制圖
                                             
7、無殘留進樣控制示意圖
                                                
8、分析小屋布局圖（視現場情況確定）