基于PLC的間歇式聚合反應(yīng)器自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樸星宇 梁永恒

(1、科世達(dá)汽車電器有限公司,吉林 長春 130000 2、吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

1 概述

在聚合工藝中，影響生產(chǎn)過程的主要參數(shù)為進(jìn)料與產(chǎn)物流量、反應(yīng)釜液位、反應(yīng)溫度及反應(yīng)壓力。傳統(tǒng)的間歇式聚合生產(chǎn)工藝，往往由操作人員讀取現(xiàn)場儀表參數(shù)，通過手動調(diào)節(jié)控制閥門的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)過程具有生產(chǎn)成本高、安全性與經(jīng)濟(jì)效益低、人為因素影響大等特點(diǎn)。因此，本文以間歇式聚合反應(yīng)器為研究對象，提出一套基于PLC的間歇式聚合反應(yīng)器自動控制系統(tǒng)。所謂間歇式聚合就是將所有反應(yīng)所需組分一次性全部加入到反應(yīng)器內(nèi),然后在特定的反應(yīng)條件下完成聚合反應(yīng)直到出料[1]。間歇聚合較其他聚合反應(yīng)相比具有操作容易、較易控制的特點(diǎn),因此在合成氯乙烯及橡膠等單體的聚合中得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。

可編程控制器，簡稱PLC。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，通用性強(qiáng)、編程方法簡單易學(xué)等特點(diǎn)。隨著可編程控制器的日漸成熟，越來越多設(shè)備的控制都采用PLC控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1所示為PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，PLC通過下位機(jī)程序及上位機(jī)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場各種設(shè)備的控制以及各種數(shù)據(jù)的采集，然后將采集的數(shù)據(jù)及信號發(fā)送到上位機(jī)，接收由上位機(jī)發(fā)送的控制閥門開度的命令，通過與其相對應(yīng)的地址模塊進(jìn)行處理并輸出，進(jìn)而控制各個(gè)閥門的開度。在本系統(tǒng)中，下位機(jī)采用西門子公司的S7-400 PLC[3]。

圖1 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)料控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的進(jìn)料程序使用CFC編寫。通過比值控制程序可以實(shí)現(xiàn)兩種物料按比例投放到反應(yīng)釜中的功能[4]。程序中首先由CH_AI模塊將物料A流量信號轉(zhuǎn)換后送給PID程序模塊的PV_IN，并將該值通過兩個(gè)不同的乘法指令放大或縮小后作為B物料及催化劑的設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)比值控制，最后PID控制器把計(jì)算好的輸出數(shù)值由CH_AO模塊輸出給物料A流量控制閥。物料A進(jìn)料控制程序如圖2所示。

圖2 物料A進(jìn)料控制程序

將物料B的測量值通過CH_AI功能圖轉(zhuǎn)換送到其流量PID控制器的PV_IN，將物料A的輸入轉(zhuǎn)換值通過乘法器乘以0.3 4送入PID的SP作為物料B的設(shè)定值，最后由CH_AO模塊輸出控制物料B的流量閥。物料B進(jìn)料控制程序如圖3所示。

圖3 物料B進(jìn)料控制程序

3.2 反應(yīng)溫度程序設(shè)計(jì)

通過在CFC編寫溫度控制程序可以實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，當(dāng)聚合反應(yīng)發(fā)生使罐內(nèi)溫度升高時(shí)，通過對冷卻水流量控制使反應(yīng)罐溫度下降，進(jìn)而保證反應(yīng)能夠在一個(gè)幾乎趨于平穩(wěn)的溫度環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)。程序中通過兩個(gè)不同的CH_AI功能圖分別對溫度、流量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并送入相應(yīng)的PID控制器，同時(shí)將反應(yīng)罐溫度控制器的輸出值作為冷卻水流量控制器的輸入值，最后將流量控制器的輸出通過CH_AO功能圖輸出控制冷卻水流量閥，通過對冷卻水流量的控制實(shí)現(xiàn)溫度的定值控制，程序如圖4所示。

圖4 反應(yīng)罐溫度-流量串級控制程序

3.3 順序控制程序設(shè)計(jì)

在SFC中編寫程序系統(tǒng)的初始化程序在系統(tǒng)運(yùn)行前，確保所有閥門和泵全部處于關(guān)閉狀態(tài)，所有PID控制器均為手動狀態(tài)，且設(shè)定值為0.0 。初始化完成后系統(tǒng)將開始運(yùn)行，將A物料進(jìn)料閥全開，B物料閥與催化劑閥也會相應(yīng)打開，所有閥開度穩(wěn)定后，系統(tǒng)投入到自動模式加料。當(dāng)物料到達(dá)反應(yīng)釜液位值的50%時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)料閥與進(jìn)料泵，同時(shí)打開攪拌器進(jìn)行攪拌。之后設(shè)置反應(yīng)釜溫度為86度，壓力為8.1 bar，并將溫度與壓力PID控制器投入到自動模式運(yùn)行。在反應(yīng)進(jìn)行60分鐘后，關(guān)閉攪拌器并將所有之前使用到的閥門、泵和PID控制器等恢復(fù)初始狀態(tài)，打開產(chǎn)物排放閥將產(chǎn)物全部送出，本次生產(chǎn)結(jié)束。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對間歇式聚合反應(yīng)生產(chǎn)裝置的智能監(jiān)控，大大減少了生產(chǎn)過程中的手工操作環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。本系統(tǒng)能顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，能對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行操作，具有PID手動/自動切換、趨勢曲線顯示、歷史流量查詢等功能。