基于PCS7聚氯乙烯工業(yè)反應(yīng)的連續(xù)過程控制

王 浩，吳 峰，張建強(qiáng)，李文陽

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 “西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽遼寧工業(yè)大學(xué)Campus-Hub校園學(xué)習(xí)中心，錦州 121001）

聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯單體自由基聚合而成的聚合物。在現(xiàn)在生產(chǎn)中15%～20%的PVC是通過乳液聚合方法合成的，其次懸浮聚合合成的。此連續(xù)過程系統(tǒng)的化學(xué)工藝為懸浮聚合法。懸浮聚合法具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)效益好應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。西門子S7-400 PLC與SIMITIC PCS7軟件通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用，例如石油化工，污水處理，發(fā)電廠等多種場(chǎng)所。此連續(xù)過程控制系統(tǒng)包含工程師站（ES），操作員站（OS），自動(dòng)化系統(tǒng)（AS）硬件組態(tài)，連續(xù)功能圖（CFC）的設(shè)計(jì)順序功能圖（SFC）的編寫，PID控制算法計(jì)算，WinCC監(jiān)控畫面的繪制，閥門特性選擇及安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)備的選擇與系統(tǒng)連接。

1 連續(xù)過程的對(duì)象特征及工藝流程分析

通過圖1可知，此連續(xù)過程反應(yīng)系統(tǒng)是以氯乙烯、去離子水在分散劑（纖維素醚）、引發(fā)劑（過氧化二碳酸二異丙醇）的作用下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)生成聚氯乙烯，雜質(zhì)有未完全反應(yīng)的氯乙烯單體、引發(fā)劑、分散劑等。流程為先將去氯乙烯通入到聚合釜中，再將離子水用泵通入到聚合釜中并啟動(dòng)攪拌器，再加入分散劑和引發(fā)劑。反應(yīng)后過量的氯乙烯經(jīng)閃蒸罐進(jìn)行回收再利用。反應(yīng)設(shè)備包括：聚合釜，預(yù)熱器和閃蒸罐[1]。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

此連續(xù)過程反應(yīng)系統(tǒng)要達(dá)到的最終目的是，在反應(yīng)過程為安全的情況下，在固定時(shí)間內(nèi)積累量達(dá)到最大化。因?yàn)榇讼到y(tǒng)的重點(diǎn)是在固定時(shí)間內(nèi)提高積累量。影響積累量的主要因素為氯乙烯和去離子水配比，分散劑的用量以及聚合釜中溫度、壓強(qiáng)、攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)速率等。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的順序流程

（1）進(jìn)行初始化，關(guān)閉所有的閥門和泵。

（2）初始化結(jié)束后，首先啟動(dòng)氯乙烯的進(jìn)料泵，打開氯乙烯進(jìn)料閥；再啟動(dòng)去離子水的泵，打開去離子水的閥并啟動(dòng)攪拌器。令物料氯乙烯和去離子水進(jìn)入聚合釜。

（3）啟動(dòng)分散劑的進(jìn)料泵，打開分散劑進(jìn)料閥；再啟動(dòng)引發(fā)劑的泵，打開引發(fā)劑的閥。氯乙烯，去離子水，分散劑，引發(fā)劑以 1000∶500∶5∶3 的比例進(jìn)料。

（4）當(dāng)聚合釜的溫度達(dá)到50℃后，打開冷卻水進(jìn)水閥對(duì)聚合釜進(jìn)行降溫，打開冷卻出水閥進(jìn)行對(duì)預(yù)熱罐進(jìn)行加熱，一部分冷卻水進(jìn)入公共工程進(jìn)行回收利用。

（5）啟動(dòng)閃蒸罐中的真空泵，由于氯乙烯是氣體，將從罐頂蒸出進(jìn)入精餾工序提純循環(huán)使用。

（6）當(dāng)聚合釜壓強(qiáng)達(dá)到后0.687 MPa，啟動(dòng)閃蒸罐中的輸送泵，打開閃蒸罐中混合物管線出料閥門，罐底液相混合物進(jìn)入下游分離工序。

（7）通過逐步加大氯乙烯、去離子水的物料閥的開度以提升負(fù)荷。

2.2 進(jìn)料流量比值控制

流量控制系統(tǒng)中控制的對(duì)象是一個(gè)連續(xù)的過程，該過程有4種物料，為了保證正常工況反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡以及滿足工藝的要求，四種物料按設(shè)定的比例進(jìn)料，同時(shí)為了適應(yīng)生產(chǎn)的靈活性以及在開車段對(duì)進(jìn)料的要求，同時(shí)為了抑制流量的擾動(dòng)，減小流量的干擾，使流量跟隨給定，我們采用了四閉環(huán)比值控制。

2.3 反應(yīng)釜的溫度控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，物體傳熱過程的控制就是溫度控制，包括傳導(dǎo)傳熱，輻射傳熱和對(duì)流傳熱。其操縱變量一般是流量，例如加熱介質(zhì)的流量，冷卻介質(zhì)的流量，燃料的流量等。溫度控制包括冷卻控制段和物料控制段。冷卻控制段是指溫度隨著反應(yīng)的進(jìn)行改變自來水的進(jìn)料來控制；物料控制段的控制對(duì)象較為復(fù)雜，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，四種物料的不斷流入，反應(yīng)釜內(nèi)的物料不斷的流出，反應(yīng)釜內(nèi)的物料成分不斷地發(fā)生變化，其特性也一定一直處于變化之中，模型也不易建立。在SFC開車過程中反應(yīng)釜升溫段的控制原則是：保持第一階段連續(xù)快速升溫，但不能升溫過快而導(dǎo)致失控。為了針對(duì)溫度PID調(diào)節(jié)滯后較大的特點(diǎn)，故采用如圖2所示溫度串級(jí)控制。

圖2 溫度串級(jí)控制圖Fig.2 Temperature cascade control diagram

氯乙烯懸浮聚合溫度的高低決定著聚合產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量大小，因此，在確定配方的物料比后，必須嚴(yán)格控制聚合溫度。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，通?？刂圃谝?guī)定溫度的±0.5℃范圍波動(dòng)，最理想的是控制在±0.2℃范圍內(nèi)[2]。當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%～70%時(shí)，發(fā)生自加速現(xiàn)象，反應(yīng)加快，放熱現(xiàn)象強(qiáng)烈，應(yīng)增加冷卻水。因此結(jié)合SCL語言控制溫度的緩慢上升，達(dá)到設(shè)定溫度后保持該溫度，該控制方法能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善控制質(zhì)量，此外串級(jí)控制還有一定的自適應(yīng)能力。從而達(dá)到理想的控制效果。

控制段的SCL語言如下：

2.4 安全方案設(shè)計(jì)

該反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)，物料的反應(yīng)使得溫度上升，溫度上升就會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)的壓力，所以壓力受到進(jìn)料物料流量的影響，冷卻水的流量以及出口流量的影響。在壓力允許的范圍內(nèi)處于正常工況；當(dāng)壓力超過允許的范圍但是又不至于緊急停車時(shí)，可以通過控制冷卻水的閥門開度，降低反應(yīng)器的溫度同時(shí)壓力也會(huì)降低，這樣就不會(huì)因?yàn)閴毫Φ囊稽c(diǎn)超限而引起緊急停車，造成浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成一定影響；但是壓力超出限定值時(shí)，就必須加入反應(yīng)抑制劑，因?yàn)閴毫^大可能會(huì)引起反應(yīng)器的爆炸，從安全、環(huán)保方面等都是不利的。一是可以通過升溫控制單元來控制壓力，二是就可以加入反應(yīng)抑制劑來阻止反應(yīng)的進(jìn)行。但是加入反應(yīng)抑制劑就不利于生產(chǎn)了，這也是最不利的做法。因此我們主要依靠冷卻水控制溫度的同時(shí)也控制罐內(nèi)壓強(qiáng)。

由于該反應(yīng)加入催化劑進(jìn)行反應(yīng)，催化劑的量會(huì)影響反應(yīng)的劇烈程度，從而也會(huì)間接的影響的反應(yīng)罐的壓強(qiáng)。這就需要在進(jìn)料比上去靈活控制。這就是變比值控制。

3 控制器的選擇

在這次工程中，控制器選用的是PID控制器，對(duì)PID的選擇主要是對(duì)它的控制規(guī)律和正反作用。正作用控制器：控制器的輸出隨著被調(diào)節(jié)量或輸入偏差的增大而增大；反作用控制器：控制器的輸出隨著被調(diào)節(jié)量或輸入偏差的增大而減小。PID控制規(guī)律：P控制器響應(yīng)快速，調(diào)節(jié)及時(shí)，但不能消除余差；I控制器反應(yīng)迅速，可以有效地消除余差；如果被控對(duì)象存在較大的滯后，則需要選擇D控制器[3]。通過其對(duì)進(jìn)出口物料閥門的控制來實(shí)現(xiàn)工程的穩(wěn)定運(yùn)行，而在整個(gè)工程中主要涉及到了單回路控制、變比值控制、串級(jí)控制和比例控制，通過四者的結(jié)合以及PID參數(shù)的調(diào)節(jié)來保證工程的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 控制系統(tǒng)的開發(fā)

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高級(jí)多功能仿真系統(tǒng)（SMPT-1000）模擬由鍋爐，蒸發(fā)器，反應(yīng)釜等組成反應(yīng)過程。SMPT-1000的硬件組成為數(shù)字式軟儀表，設(shè)備盤臺(tái)，嵌入式工控機(jī)，接口硬件，輔助操作臺(tái)。SMPT 1000能夠利用設(shè)備左側(cè)的（AI/AO，DI/DO）端子排與外部PLC或DCS控制系統(tǒng)相連接。且提供了ProfibusDP和OPC Server都可以與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？刂破鳛镾IMITIC S7-400 PLC。其控制硬件系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 硬件控制圖Fig.3 Hardware control diagram

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在控制方案中，我們所使用的軟件是PCS7 V8.0 SP1。其特點(diǎn)是擁有集成度較高的基于SQL服務(wù)器的歸檔系統(tǒng)即強(qiáng)大的HMI系統(tǒng)，基于IEC 61131的集中式，工廠范圍內(nèi)的工程系統(tǒng)。且有較強(qiáng)的伸縮性。最高可以控制高達(dá)60000個(gè)過程對(duì)象的工廠。

如圖4、圖5所示在組件視圖進(jìn)行創(chuàng)建硬件組件，總線組態(tài)，過程I/O和PC站的硬件組態(tài)。

圖4 AS硬件組態(tài)Fig.4 AS hardware configuration

圖5 OS硬件組態(tài)Fig.5 OS hardware configuration

我們這次的組態(tài)是單工作站系統(tǒng)，ES和OS在同一臺(tái)PC機(jī)上，此時(shí)，配置本地PC代表ES和OS。在完成AS和OS編譯和下載后，如圖6所示，打開NetPro視圖，建立OS站和AS站的連接。

在工廠視圖中進(jìn)行連續(xù)功能圖CFC的設(shè)計(jì)，順序功能圖SFC的編寫與調(diào)試。

4.3 控制效果

此工程的控制系統(tǒng)運(yùn)行曲線如圖7所示。反應(yīng)罐液位達(dá)到50%后穩(wěn)定，由于此化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以當(dāng)反應(yīng)誘發(fā)成功后，反應(yīng)溫度以一定速率上升，為了使溫度緩慢上升到設(shè)定值，此時(shí)打開冷卻水進(jìn)水閥通過PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，使其達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定[4]。從而，在經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，此時(shí)濃度達(dá)到90%以上，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。說明了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行且穩(wěn)定的。

圖6 NetPro視圖Fig.6 NetPro view

圖7 運(yùn)行效果圖Fig.7 Running effect diagram

5 結(jié)語

根據(jù)聚氯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)流程，對(duì)整個(gè)連續(xù)過程控制系統(tǒng)從物料配比、混合罐液位、反應(yīng)釜液位、反應(yīng)溫度以及壓強(qiáng)等方面進(jìn)行合理的優(yōu)化，并且在SMPT-1000上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：控制系統(tǒng)可以控制工藝流程中的變量達(dá)到所設(shè)置的工藝要求?？刂葡到y(tǒng)有效、安全、可行、具有較高的穩(wěn)定性。