加药系统和加药方法与流程

本发明涉及核化工生产技术领域，具体涉及一种加药系统和一种加药方法。

背景技术：

在核化工生产中，各类试剂(硝酸、甲酸、煤油等)在核化工生产线工艺流程中起着重要作用，直接关系到生产过程中反应的效果及产品的质量。

然而，由于核化工生产线具有小批量、断续生产的流程特点，部分加药过程加药量小(0.25≤加药量≤10l)，加药量精度要求高(≤5ml)，现有生产线均利用人工计量加药，这种人工加药方公式仅依靠人工经验来操作，一方面加药量精度得不到保证，重复性差，另一方面加药过程均在手套箱内操作，操作难度大，这不仅加大了操作人员强度，也增大了人员受剂量照射的风险。

因此，本领域亟待提出一种核化工生产线试剂自动加药方案，以实现小剂量试剂加药过程的自动化，降低现场操作人员的辐射剂量及工作强度，并提高加药精度，使产品质量的一致性得到保证。

技术实现要素：

为了至少部分解决现有技术中存在的核化工生产线小剂量试剂人工手动计量加药，加药精度不高的技术问题而完成了本发明。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种加药系统，其包括加药装置和控制器，所述加药装置包括试剂暂存槽、与所述试剂暂存槽的输出端连接的加药管路，以及设置在所述加药管路上的流量测量单元和电磁阀，所述试剂暂存槽用于盛放原料试剂，所述流量测量单元用于实时计量加药量并输出瞬时流量信号；所述控制器包括控制模块，所述控制模块分别与所述流量测量单元和所述电磁阀电连接，用于控制所述电磁阀打开，并持续接收所述流量测量单元输出的瞬时流量信号，以及根据接收结果控制所述电磁阀关闭。

可选地，所述控制模块具体用于：

利用流量累计算法对所述瞬时流量信号进行累积，以得到累积流量fq；

计算阈值a，其中阈值a＝加药量设定值c-加药量偏差值q；

当fq≥a时，控制所述电磁阀关闭。

可选地，所述加药量偏差值q采用如下公式(1)计算得到：

q＝b*f+x(1)

在公式(1)中，b为偏差系数，f为电磁阀关断时瞬时流速，x为补偿值。

可选地，所述偏差系数b采用如下公式(2)计算得到：

在公式(2)中，q0采用如下公式(3)计算得到，f0采用如下公式(4)计算得到：

q0＝(qk+1+qk+2+……+qn)/(n-k)(3)

f0＝(fk+1+fk+2+……+fn)/(n-k)(4)

所述补偿值x采用如下公式(5)计算得到：

x＝[(q1-b*f1)+(q2-b*f2)+……+(qn-b*fn)]/n(5)

在公式(2)至公式(5)中，n和k均为自然数，其中n为试验次数，且n≥10，0≤k≤n；qi为第i组试验中加药量偏差值，fi为第i组试验中电磁阀关断前的瞬时流速，且i依次取1至n。

可选地，所述控制器还包括通信模块，所述通信模块与所述控制模块电连接；所述控制模块还通过所述通信模块与远程的第三方控制系统电连接。

可选地，所述控制器还包括电源模块，所述电源模块分别与所述控制模块、所述流量测量单元和所述电磁阀电连接。

可选地，所述流量测量单元采用电磁流量计；所述电磁阀采用直动公式双向电磁阀。

可选地，所述控制器还包括人机接口界面和开发接口模块。

可选地，所述加药装置还包括与所述试剂暂存槽的输出端连接的手动加药旁路，以及设置在所述手动加药旁路上的手动截止阀和计量器。

本发明还提供一种应用于上述加药系统的加药方法，其包括如下步骤：

控制模块控制所述电磁阀打开，开始加药；

控制模块持续接收所述流量测量单元输出的瞬时流量信号；

控制模块根据接收结果控制所述电磁阀关闭，结束加药。

有益效果：

本发明所述加药系统通过流量测量单元、电磁阀和控制器形成一个反馈闭环控制系统，在该系统中，由控制模块控制加药管路上的电磁阀的开闭实现了加药过程的自动化，相比于现有人工计量加药方公式，降低了现场操作人员的辐射剂量及工作强度；而且，控制模块结合流量测量单元输出的瞬时流量信号来控制电磁阀关闭，有效提高了加药量精度，重复性好，尤其适合小剂量试剂加药过程。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的加药系统中加药装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的加药系统中控制器的结构框图；

图3为图2中人机接口界面的示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种加药方法的流程图；

图5为本发明实施例2提供的另一种加药方法的流程图。

图中：1－试剂暂存槽；2－液位计；3－加药管路；4－流量测量单元；5－电磁阀；6－手动加药旁路；7－计量器；8～12－手动截止阀；13－控制模块；14－通信模块；15－第三方控制系统；16－开发接口模块；17－人机接口界面；18－开发接口模块。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供了一种加药系统，具体为一种试剂精确自动加药系统。

如图1和图2所示，所述加药系统包括加药装置和控制器。加药装置包括试剂暂存槽1、与试剂暂存槽1的输出端连接的加药管路3，以及设置在加药管路3上的流量测量单元4和电磁阀5；试剂暂存槽1用于盛放原料试剂，流量测量单元4用于实时计量加药量并输出瞬时流量信号，电磁阀5用于控制加药管路3的连通和截止。控制器包括控制模块13，控制模块13分别与流量测量单元4和电磁阀5电连接，用于在加药时控制电磁阀5打开，并持续接收流量测量单元4输出的瞬时流量信号，以及根据接收结果控制电磁阀5关闭。

其中，试剂暂存槽1的容积范围优选为30～50l。流量测量单元4可采用现有的电磁流量计，电磁流量计测量流速的范围优选为0.3～10m/s，公称通径范围优选为dn2.5～15mm。电磁阀5可采用现有的直动公式双向电磁阀，这种电磁阀为常闭型，即断电后关闭。控制模块13可以为可编程控制器，用于信号处理、计算及程序算法的实现等。

本实施例中，通过流量测量单元、电磁阀和控制器形成一个反馈闭环控制系统，在该系统中，由控制模块控制加药管路上的电磁阀的开闭实现了加药过程的自动化，相比于现有人工计量加药方公式，降低了现场操作人员的辐射剂量及工作强度；而且，控制模块结合流量测量单元输出的瞬时流量信号来控制电磁阀关闭，有效提高了加药量精度，重复性好，尤其适合小剂量试剂加药过程。

下面详细描述控制模块13的工作原理。

控制模块13具体用于：利用流量累计算法对瞬时流量信号进行累积，以得到累积流量fq；计算阈值a，其中阈值a＝加药量设定值c-加药量偏差值q；当fq≥a时，控制电磁阀关闭。

本实施例中，在满足fq≥(c-q)时才关断电磁阀，即通过加药量滞后补偿的方公式提前关断电磁阀，避免了由于电磁阀和控制器等存在的误差而导致的加药量滞后，有效克服了系统滞后误差，可实现加药量的精确控制，从而实现标准试剂的精确、自动加药。其中，加药量设定值c和加药量偏差值q可由本领域技术人员结合实际情况进行设定。

进一步地，发明人经大量试验分析计算得出，加药量偏差值q与电磁阀关断时瞬时流速f成近似线性关系，因此加药量偏差值q采用如下公式(1)计算得到：

q＝b*f+x(1)

在公式(1)中，b为偏差系数，f为电磁阀关断时瞬时流速，x为补偿值。

本实施例中，如果加药装置的结构不变，则b和x均为常数，本领域技术人员可根据加药装置的实际结构来设定b和x的值。

在实际应用中，可根据n组试验数据计算得出b和x的值。

针对某一加药装置，得到试验数据如下表所示，试验次数n＝20。

具体地，偏差系数b采用如下公式(2)计算得到：

在公式(2)中，q0采用如下公式(3)计算得到，f0采用如下公式(4)计算得到：

q0＝(qk+1+qk+2+……+qn)/(n-k)(3)

f0＝(fk+1+fk+2+……+fn)/(n-k)(4)

将公式(2)至(4)代入上述表格中数据，若k取0，则可以计算出：

q0＝40.434，f0＝7.17，b＝5.5。

补偿值x采用如下公式(5)计算得到：

x＝[(q1-b*f1)+(q2-b*f2)+……+(qn-b*fn)]/n(5)

根据已计算出的q0、f0、b值，将公式(5)代入上述表格中数据，可计算出：

x＝1。

在公式(2)至公式(5)中，n和k均为自然数，其中n为试验次数，且n≥10，0≤k≤n；qi为第i组试验中加药量偏差值，fi为第i组试验中电磁阀关断前的瞬时流速，且i依次取1至n。

其中，qi为第i组试验中，电磁阀关断后直至加药系统稳定、加药管路中药剂停止流动时，系统总体的加药量偏差，且偏差值＝实测累积流量-加药量设定值。加药装置在开始试验时得到的数据并不稳定，往往需要去除1至3组试验数据，因此k的取值取决于试验数据的稳定性。在实际应用时，需要将加药量偏差值q与电磁阀关断时瞬时流速f的试验数据耦合成曲线，并根据该曲线是否线性判断试验数据是否稳定。

本实施例中，根据试验数据计算出偏差系数b和补偿值x后，控制模块就可自动按照加药量偏差q与电磁阀关断时瞬时流速f的数学计算模型(即公式(1))计算出不同瞬时流速f下的加药量偏差值q，再结合加药量设定值c和累积流量fq，就可得到控制电磁阀关闭的时机，从而实现加药量的精确控制。

如图2所示，所述控制器还包括通信模块14。通信模块14与控制模块13电连接；控制模块13还通过通信模块14与远程的第三方控制系统15电连接。

其中，通信模块14可提供2路rs485通信接口，支持modbus-rtuxiey，用于与其他系统的通信。

本实施例中，由于设置了通信模块，可以通过第三方控制系统远程操作所述加药系统，从而实现了加药过程的远程自动操作。

如图2所示，所述控制器还包括电源模块16。电源模块16分别与控制模块13、电磁流量计(流量测量单元4)和电磁阀5电连接，用于为这三者供电。

其中，电源模块16可提供一路24vdc、500w电源输入，以及分别用于为电磁流量计和电磁阀5供电的两路24vdc、100w电源输出。

如图2所示，所述控制器还包括人机接口界面17和开发接口模块18。

其中，人机接口界面17可用于加药系统加药量、瞬时流量、累积流量等参数的显示、系统内部参数的设置，以及加药系统的控制等。开发接口模块18可提供1路usb接口及rj45接口，用于程序下载接口。

如图3所示，人机接口界面包括显示区域、功能键和数字键等。具体地，f1键为就地/远程切换键，可选择加药系统处于就地控制模公式或远程控制模公式，当选择远程控制模公式时，加药系统可通过通信总线接受第三方控制系统的控制；f2键为手/自选择键，可选择手动加药模公式或自动加药模公式；f3键为参数设置键，可配合上下左右操作键(即图3中上下左右箭头键)及回车键完成系统内部参数的设置；f4/f5键为备用键；set键为加药量设定值设置键，可配合数字键0-9完成加药量设定值的设置；sta键为加药系统启动键，用于在手动、自动加药模公式下打开电磁阀；rec键为复位键，用于在手动模公式下关闭电磁阀，自动模公式下系统复位；ok键为确认键，用于参数设置、加药控制过程的确认操作；del键为删除键。

综上所述，控制器是整个加药系统的核心，其包括电源模块16、通信模块14、开发接口模块18和人机接口界面17，当然还应包括与控制模块13配合使用的用于仪表信号输入的输入模块，以及用于仪表信号输出的输出模块，其中输入模块用于接收电磁流量计提供的1路4～20ma信号，输出模块用于向电磁阀提供1路开关量输出信号，以控制电磁阀打开或关闭。这些模块相互配合，用于信号处理、计算、加药过程参数的显示、控制及程序算法的实现等。

因此，所述控制器的功能包括仪表信号的输入输出，信号处理、计算，仪表阀门供电，逻辑算法实现，过程参数(加药量设定值、瞬时流量、累积流量等)显示，加药系统控制，与其他系统接口实现等。

通过前述功能模块的设置，使得所述加药系统具有如下功能：

1)具有手/自动切换功能，可实现自动、手动两种模公式下完成加药过程。

2)在人机接口界面可实现加药量设定值的实时在线输入。

3)在自动模公式下可按照加药量设定值，自动完成试剂加药过程。

4)可在线、实时显示瞬时流量、累积流量、加药量设定值、阀门状态、手/自状态、就地/远程状态等关键参数。

如图1所示，所述加药装置还包括与试剂暂存槽1的输出端连接的手动加药旁路6，以及设置在手动加药旁路6上的手动截止阀8和计量器7。其中，计量器7用于人工辅助计量加药量，当然，在正常自动加药工况下不使用计量器7；手动截止阀8用于手动控制手动加药旁路6的连通和截止。

本实施例中，所述试剂暂存槽的输出端还连接手动加药旁路，并在手动加药旁路上设置手动截止阀和计量器，可用于自动加药装置(包括控制器、流量测量单元和电磁阀)故障工况下的手动加药。

当然，加药装置的管路上各主要设备前可分别设置手动截止阀，这些手动截止阀在正常工况下处于常开状态，当系统维护或维修时关闭。

具体地，加药管路3与手动加药旁路6并联，二者的入口与试剂暂存槽1的输出端之间通过入口管路连通，二者的出口与工艺设备入口之间通过出口管路连通。所述入口管路上设置有手动截止阀9；加药管路3上还设置有手动截止阀10，且电磁阀5设置在流量测量单元4与手动截止阀10之间，其中流量测量单元4相对更靠近试剂暂存槽1；计量器7设置在所述出口管路上，且在所述出口管路上、计量器7前后，分别设置有手动截止阀11和手动截止阀12。

此外，如图1所示，试剂暂存槽1上还设置有液位计2。液位计2用于实时测量试剂暂存槽1中试剂的液位，以判断试剂暂存槽1中的试剂是否充足。

可以看出，本实施例提供的加药系统包括加药装置和控制器两部分，其中加药装置主要利用重力自流原理，再结合控制器，就可实现试剂自动加药过程。

而且，在自动加药过程中，由于电磁阀和控制器等存在误差，如果在累积流量fq达到加药量设定值c时才关闭电磁阀，加药量存在滞后，从而在小剂量试剂(0.25l≤加药量≤10l)加药过程中严重影响加药精度，不能满足生产工艺要求。本实施例通过加药量滞后补偿的方公式提前关断电磁阀，可实现加药量的精确控制。

发明人经试验验证得知，本实施例所述加药系统在实现核化工生产线小剂量试剂(0.25l≤加药量≤10l)自动加药过程中，加药量控制误差绝对值≤3ml，加药精度原有高于人工计量加药过程的精度，且重复性好，能满足生产线的工艺要求。

实施例2：

本实施例提供了一种应用于实施例1所述加药系统的加药方法。如图4所示，所述加药方法包括如下步骤s101至s103。

s101.控制模块控制电磁阀打开，开始加药；

s102.控制模块持续接收流量测量单元输出的瞬时流量信号；

s103.控制模块根据接收结果控制电磁阀关闭，结束加药。

本实施例中，控制模块控制电磁阀的开闭实现了加药过程的自动化，相比于现有人工计量加药方公式，降低了现场操作人员的辐射剂量及工作强度；而且，控制模块结合流量测量单元输出的瞬时流量信号来控制电磁阀关闭，有效提高了加药量精度，重复性好，尤其适合小剂量试剂加药过程。

步骤s103具体为：

控制模块利用流量累计算法对流量测量单元输出的瞬时流量信号进行累积，以得到累积流量fq，系统扫描周期应小于或等于500ms；控制模块计算阈值a，其中阈值a＝加药量设定值c-加药量偏差值q；当fq≥a时，控制模块控制电磁阀关闭。其中，加药量偏差值q的计算方公式已在实施例1中详细描述，此处不再赘述。

本实施例中，在满足fq≥(c-q)时才关断电磁阀，可见步骤s103提供了一种试剂精确自动加药系统的加药量滞后补偿方法，即通过加药量滞后补偿的方公式提前关断电磁阀，避免了由于电磁阀和控制器等存在的误差而导致的加药量滞后，有效克服了系统滞后误差，可实现加药量的精确控制，从而实现标准试剂的精确、自动加药。

在步骤s101之前，还可包括如下步骤s100-1和s100-2。

s100-1.启动加药系统的控制器；

s100-2.使系统复位(即累积流量清零)，设置加药量设定值c。

步骤s103结束之后，表明本次加药过程结束，可开始下一轮加药操作，即返回步骤s100-2。

本实施例还提供了另一种应用于实施例1所述加药系统的加药方法。如图5所示，所述加药方法包括如下步骤s200至s223。

s200.加药前准备。系统上电，并保证试剂暂存槽中试剂量充足，准备开始加药。

s201.通过就地/远程切换键选择加药系统处于就地工作模公式或远程工作模公式，如果选择就地工作模公式，则执行步骤s202；如果选择远程工作模公式，则执行步骤s216。

s202.通过手/自选择键选择加药系统处于自动模公式或手动模公式，如果选择自动模公式，则执行步骤s203；如果选择手动模公式，则执行步骤s211。

s203.加药系统在自动模公式下运行。

s204.加药系统复位。通过复位键使加药系统复位，累积流量fq清零。

s205.加药量设定。通过加药量设定值设置键，结合数字键0-9完成加药量设定值的设置。

s206.加药系统启动。通过加药系统启动键启动加药系统，开始加药。

s207.打开电磁阀，开始加药。

s208.计算阈值a。电磁阀打开后，试剂开始流经电磁流量计，瞬时流量开始累积，则控制模块自动计算阈值a，其中阈值a＝加药量设定值c-加药量偏差值q。其中，加药量偏差值q的计算方公式已在实施例1中详细描述，此处不再赘述。

s209.控制模块判断是否满足fq≥a，如果满足，则执行步骤s201，否则，返回步骤s209。

s210.自动关闭电磁阀，结束加药。

s211.加药系统在手动模公式下运行。

s212.加药量设定。

s213.打开手动截止阀8，开始加药。

s214.人工判断计量器示值是否达到加药量设定值，如是，则执行步骤s215，否则，返回步骤s214。

s215.关闭手动截止阀8，结束加药。

s216.加药系统处于plc/dcs控制下的自动模公式。

s217.加药系统复位。远程控制加药系统复位，累积流量fq清零。

s218.加药量设定。远程完成加药量设定值的设置。

s219.加药系统启动。远程启动加药系统，开始加药。

s220.远程控制电磁阀打开，开始加药。

s221.计算阈值a。电磁阀打开后，试剂开始流经电磁流量计，瞬时流量开始累积，则控制模块自动计算阈值a，其中阈值a＝加药量设定值c-加药量偏差值q。其中，加药量偏差值q的计算方公式已在实施例1中详细描述，此处不再赘述。

s222.控制模块判断是否满足fq≥a，如果满足，则执行步骤s223，否则，返回步骤s222。

s223.自动关闭电磁阀，结束加药。

本实施例所述加药方法中采用了加药量滞后补偿方公式，可实现加药量的精确控制，加药量控制误差绝对值≤3ml，加药精度远高于人工计量加药过程的精度，并且实现了远传自动操作。

综上所述，通过本发明试剂精确自动加药系统和加药方法的应用，解决了核化工生产线小剂量试剂加药过程的人工计量问题，提高了试剂加药效率，实现了加药过程的远程自动操作，提高了试剂加药量控制精度，降低了人员的辐射剂量，具有设计科学、稳定性高、安全可靠的优点。

可以理解的是，以上实施方公式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方公式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。