精細化工間歇式生產過程自動化關鍵技術解析

劉迅升　盧健

摘? ?要：隨著我國科學技術不斷發(fā)展，精細化工生產模式已經成為主流生產方案。本文結合精細化工生產工藝、系統(tǒng)自動化要求，設計了以HOLLiAS MACS為核心的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助編程語言能夠有效實現(xiàn)程序升溫控制、滴加控制、保溫控制等功能，借助人機交互界面實現(xiàn)一鍵式操控，有效降低人工勞力投入、提高間歇式生產效率?；诖?，本文重點提出一種基于HOLLiAS MACS技術的精細化工間歇式生產自動化系統(tǒng)。

關鍵詞：精細化工? 間歇式生產? 自動化? 關鍵技術

中圖分類號：TQ06? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0100-02

精細化學品工業(yè)生產的簡稱為“精細化工生產”，考慮到精細化工具有多品小批量特點，因此主要是采用間歇式生產技術。間歇生產是將一定量待加工物料投入到設備中，按照規(guī)定的生產程序加工，從而得到一定量的產品。在科學技術不斷發(fā)展當中，精細化工生產對間歇式生產自動化要求進一步提升，也對產品提出了更高要求。為了能夠滿足工藝生產標準、提高自動化程度、解放生產力，開發(fā)一套精細化間歇式自動化產生系統(tǒng)有著重要意義。精細化工間歇式生產對外部環(huán)境要求很高，為了整個自動化系統(tǒng)運行安全、高效，要對生產壓力、溫度、流量等嚴格管控，減少人為干擾因素，解決質量不過關、生產效率低等問題。

1? 精細化工間歇式自動化系統(tǒng)設計思路

HOLLiAS MACS采用了最新工業(yè)以太網技術，可以保證通信實時性、提高了網絡安全性。同時，HOLLiAS MACS系統(tǒng)還集成了非常先進的Profibus-DP現(xiàn)場總線技術，具有分散危險、分散控制、集中監(jiān)控、節(jié)省電纜費用等優(yōu)勢，因此HOLLiAS MACS系統(tǒng)能夠實現(xiàn)不同智能設備的信息交換，操作十分靈活[1]。

為了能夠突出精細化工間歇式生產的工藝特點、自動化控制要求，借助HOLLiAS MACS系統(tǒng)設批量控制程序，系統(tǒng)要求的配方名單表、工藝執(zhí)行流程、人機交互信息表單轉化為DBF數據庫格式，統(tǒng)一管理。生產人員在人機交互界面上選擇產品生產配方文件，直接在數據庫中提煉、顯示參數名稱，也可以對生產參數進行修改、下裝等，從而實現(xiàn)間歇式自動化生產目標。

工藝執(zhí)行表單主要是結合工藝步驟生產要求，排列生產系統(tǒng)先后操作順序和流程，對相關程序數據進行保存和修改。整個人機界面操作方式要簡單、界面簡潔，根據不同生產要求、生產情況選擇生產工序，如可以進行下一步、掛起步、前后跳步、放棄步等，保證系統(tǒng)操控靈活性，更好的滿足工藝生產要求。工藝執(zhí)行順序表單采用了人機交互信息表單，具有連接性強、數據量大、查找容易等特性。采用DBF數據庫保存數據，除了可以具備較大的容量，還可以直觀看到各個步驟運行記錄。人機交互信息表單主要包括各個步驟執(zhí)行信息，主要是信息存儲、修改、顯示，人機交互界面要能夠根據化工生產情況，調試操作人員生產操作，也可以根據表單自動生產。

2? 精細化工間歇式生產過程自動化控制功能實現(xiàn)

精細化工間歇式生產工藝決定了自動化控制功能實現(xiàn)的復雜性，整個生產過程的核心是溫度控制、壓力控制，盡可能避免溫度、壓力劇烈波動等情況，也要避免間歇失控現(xiàn)象。在工藝層面上主要分為三個階段：（1）加完原料后進行程序升溫、拉真空，之后再次升溫提高釜溫，降低壓力;（2）在程序自動升溫之后，進入到滴加反應放熱、控壓階段;（3）滴加工序完成后進入到保溫階段。這三個階段溫度、壓力控制是否穩(wěn)定，會直接影響化工產品生產效率和質量。具體功能實現(xiàn)需要從以下幾點出發(fā)。

2.1 升溫自動化控制

根據交互界面所選取的配方表單，在完成下裝、原料添加工作后，進入到系統(tǒng)升溫工序、拉真空工序。要求系統(tǒng)在指定時間內，將溫度提升到系統(tǒng)標準溫度點，將壓力逐漸減少到預設真空值，為了保證溫度、壓力的穩(wěn)定性，科學設置溫度升高曲線、壓力下降曲線非常重要[2]。由于釜內具有慣性、滯后等情況，曲線設定要先快后慢，也就是前期快速升溫、快速拉真空，一段時間后放緩升溫、降壓速率，直到系統(tǒng)真空度、溫度貼近物料反應點為止，這樣做法可以有效減少超溫、壓力波動情況。為了避免反應點產生變化或突然反應情況，系統(tǒng)會自動控制釜外盤管進入到冷熱水切換狀態(tài)，加入系統(tǒng)設定量的冷熱循環(huán)水降溫。

2.2 滴加自動化控制

在溫度、壓力趨于穩(wěn)定之后，要判定是否發(fā)生了物料反應。根據溫度曲線情況，如果溫度前期迅速上升、斜率曲線陡表示曲線符合系統(tǒng)要求。之后要根據曲線連續(xù)變化率進行判定，在連續(xù)5個周期中（間隔0.5s）取一個變化值，觀測3個變化率值的走向情況，如果其中一個數值超出了額定數值，則表示物料已經發(fā)生反應。發(fā)生反應后系統(tǒng)會自動開啟循環(huán)冷卻水，閥門開到100%，根據品種配方表單標準值，通過PID換算滴加調節(jié)閥開度，也就是滴加閥門開度自動控制，這樣物料加入速度全程都可以平穩(wěn)控制，借助自動化滴加調節(jié)，確保間歇式生產系統(tǒng)按照設定滴加量進行。自動化滴加控制主要對象是計量槽物料中物料下降速率控制，計算所得下降速率實現(xiàn)閥門開度自動控制，這樣可以保持滴加平穩(wěn)性，內釜溫度變化也十分平穩(wěn)。傳統(tǒng)的控制方案滴加速率較高，內釜溫度變化波動大，難以控制，所以穩(wěn)定滴加方案更適合自動化間歇式生產模式。

2.3 保溫自動化控制

滴加完成之后要控制內釜溫度的穩(wěn)定性，指定時間內溫度變化不超過標準范圍，釜內溫度與預設溫度保持一致，誤差不超過±1℃，通常配方數據單中就會設定溫度標準值。為了確保生產工藝精度，可以借助多參數動態(tài)監(jiān)控手段控制溫度。由于釜內溫度存在聚集、滯后等特性，如果溫度上下波動，過去都是人工采用PID回路調節(jié)，容易產生超調、遲緩等問題，溫度調節(jié)十分困難，無法滿足精細化工生產標準。結合自動化生產系統(tǒng)設計經驗總結發(fā)現(xiàn)，釜內溫度無論是正偏移還是負偏移，一旦產生了變化趨勢控制閥也要跟著響應，自動調節(jié)冷卻循環(huán)水閥門開度，從而適應溫度變化，避免溫度正向聚集產生溫度積聚效應，增加反應效率，溫度聚集后控制難度進一步增加，甚至將循環(huán)冷卻水閥門開到100%也難以降溫。而釜內溫度負向偏移，一旦冷卻循環(huán)水調節(jié)速率慢、開度過大，會讓負偏移持續(xù)增加，反應釜會因為溫度低而減緩反應，甚至是停止運行[3]。

因此，可以憑借反應釜溫度變化率控制冷卻循環(huán)水閥門開度，以循環(huán)水溫度作為參考指標，這樣反應釜溫度產生偏移后就會自動控制閥門開度，閥門開度根據釜內溫度變化而變化，系統(tǒng)實時對反應釜溫度、釜內溫度變化率、冷卻循環(huán)水溫度實時監(jiān)控，得出最佳的閥門開度值。之后進行閥門自動化調控過程，結合精細化工生產參數，讓自動程序緊跟參數變化、動作，更好的適應精細化工間歇式生產特點。多參數動態(tài)監(jiān)測模式有效的降低了人工勞動力，提高了精細化工產品生產穩(wěn)定性。

3? 結語

綜上所述，精細化工間歇式自動化生產受到了工藝、設備、編程等因素制約，想要實現(xiàn)全自動化生產難度很高，國外DCS廠家所采用的獨立批量控制軟件運行成本高，因此本文提出了基于HOLLiAS MACS系統(tǒng)的精細化工間歇式自動化生產模式，并且自動化操控更加靈活、可靠，提高了精細化工生產效率、降低了生產成本，為精細化間歇式生產提供了可行性編程思路，并且已經有了很多的成功應用案例。

參考文獻

[1] 周銀.精細化工中自動化技術的應用[J].化工設計通訊，2018（5）：93-94.

[2] 鄒志云，劉燕軍，劉興紅.精細化工過程控制技術的重要發(fā)展趨勢[J].冶金自動化，2011（5）：19-21.

[3] 鄒志云，王志甄，孟磊.精細化工過程系統(tǒng)工程技術的若干發(fā)展趨勢探討[J].計算機與應用化學，2016（10）：1052-1054.