基于丙烯液相聚合反應設計的計算機控制系統(tǒng)

[摘 要] 針對丙烯液相聚合反應裝置，利用在線測控儀表、可編程控制器、工業(yè)計算機及組態(tài)軟件構建計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有在線監(jiān)控、自動控制、系統(tǒng)管理等功能，并具有模塊化組合結(jié)構，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強，可應用于科研和實際生產(chǎn)。

[關鍵詞] 計算機控制系統(tǒng) 可編程控制器 自動控制 聚合反應

目前國內(nèi)聚丙烯裝置一般采用的是“間歇液相本體法”工藝，該工藝具有工藝流程簡單、投資少、見效快的特點。但是原來采用電Ⅲ型調(diào)節(jié)器控制聚合反應溫度和壓力，由于聚合反應機理復雜，各種條件如丙烯濃度、催化劑類型、添加數(shù)量、循環(huán)熱水壓力、溫度、流量的變化，反應有較大的時變性非線性、延時性。采用簡單的PID調(diào)節(jié)根本不可能實現(xiàn)自動控制。幾年來，一直采用人工手動控制，工人的勞動強度大，控制水平質(zhì)量比較低。根據(jù)這一情況，我們對控制系統(tǒng)進行了改造，利用在線測控儀表、工業(yè)專用計算機及組態(tài)軟件構建計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有模塊化組合結(jié)構，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強，目前用于理論研究，效果良好，為實現(xiàn)聚丙烯生產(chǎn)的工業(yè)化自動控制奠定了基礎。

一、聚丙烯反應釜工藝流程簡介

本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置工藝流程如圖1所示，此聚合反應可分為4個階段:

1.升溫階段

由于整個反應是間歇式的，在加熱前必須重新向聚合釜中投放物料和催化劑。投放完畢打開熱水閥，將循環(huán)熱水打入反應釜夾套中進行加熱升溫，以便誘導聚合反應，當聚合釜內(nèi)溫度升至60℃時應注意加熱水的流量。

2.過渡階段

當釜內(nèi)溫度升至60℃時，聚合反應開始，進入放熱過程，該階段的反應極為敏感，許多干擾極有可能造成超溫或過度冷卻而轉(zhuǎn)型的工況:如(1)活化劑質(zhì)量不穩(wěn)定，使反應初期的放熱量極不穩(wěn)定；(2)冷卻水過早地切入，則會導致冷卻過度，激落已經(jīng)開始的反應，發(fā)生工程上俗稱的“感冒”現(xiàn)象；(3)熱水溫度較高，流量過大，升溫速率過快，當熱水停止循環(huán)后，釜溫仍急劇上升。這一階段在整個反應過程中極為重要，它是整個聚合反應能否獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關鍵，假如升溫過慢，產(chǎn)品質(zhì)量會降低，升溫過快，釜內(nèi)溫度會難以控制。

3.恒溫階段

在第2階段中溫度平穩(wěn)上升，當溫度升至74±2℃，釜壓為3.4±0.1 MP點后，便開始恒溫控制，約經(jīng)過4--5小時反應過程結(jié)束。

4.結(jié)束階段

釜內(nèi)反應結(jié)束后，釜壓開始明顯下降，反應終止，全流量切入冷水，進行產(chǎn)品回收。

二、系統(tǒng)構建

聚合反應裝置的計算機控制系統(tǒng)主要由在線測控儀表、下位機（PLC）、上位機等構成。

1.在線測控儀表

在線測控儀表實時測量裝置的重要參數(shù)并執(zhí)行下位機的控制命令。根據(jù)設計目的，該系統(tǒng)通過采集模擬量信號，控制調(diào)節(jié)閥。反應溫度由一體化鉑電阻測量，反應壓力由差壓變送器測量變送。

2.下位機

下位機即PLC控制站.主要對在線檢測儀表的信號進行實時采集、處理、運算及控制。該功能的實現(xiàn)分別由相應的軟硬件實現(xiàn)。下位機硬件采用S7-200系列PLC，編程軟件采用采用C++for Windows編程，運行于中文Windows 2000環(huán)境下，界面友好，操作簡便。在上位機上編制，并下載到下位機CPU處理器模塊中運行。

3.上位機

上位機主要起定時數(shù)據(jù)記錄、在線監(jiān)控、系統(tǒng)管理等作用。硬件選用工業(yè)專用計算機一IPC，軟件采用Kingview6.5版組態(tài)工軟件，根據(jù)對象特點與要求，按組態(tài)規(guī)則進行畫面控制、系統(tǒng)等組態(tài)，生成形象逼真、生動具體、便于觀察計算機在線監(jiān)控系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)界面。系統(tǒng)主畫面圖主要包括六個模塊:工藝控制流程圖、報警信息窗口、閥的開關狀態(tài)顯示，測量值棒圖顯示及系統(tǒng)功能模塊。

(1)工藝控制流程圖模塊

在圖中的左上側(cè)為聚丙烯反應釜工藝流程圖，控制器為一臺工控機，其輸出控制熱水閥和冷水閥的開度，即采用分程控制方案，對應的電磁閥與冷熱水閥同步動作，控制器為反作用控制，熱冷水調(diào)節(jié)閥分別采用氣開、氣關形式，其動作方式如圖2所示。

(2)報警信息窗口模塊

在系統(tǒng)主畫面圖中的右上角，設置了報警信息裝置，時刻跟蹤反應釜內(nèi)的溫度、壓力這兩個測量值。當溫度或壓力超限時，發(fā)生報警，窗口內(nèi)的“O”變?yōu)榧t色，并發(fā)出嗡嗡的轟鳴聲，其報警信息分別為“溫度過高”、“溫度過低”、“壓力超高”、“壓力過低”；當測量值在所限定范圍之內(nèi)時，窗口內(nèi)的“O”為無色，報警信息為空白。

(3)閥的開關狀態(tài)顯示模塊

如圖2示，當閥打開時，其相應的“ON”欄內(nèi)的“O”為紅色，“OFF”欄內(nèi)的“O”為白色，當閥為關閉狀態(tài)時，其相應的“ON”欄內(nèi)的“O”為白色，“OFF”欄內(nèi)的“O”為紅色。

(4)測量值棒圖顯示模塊

為了更加動態(tài)的顯示一些重要測量值的量化情況，加入了棒圖顯示的方式。在反應過程中，方框內(nèi)的紅色液柱隨著釜溫、釜壓、熱水溫、冷水溫的高低而上下變化，同時在棒圖的左側(cè)顯示相應的測量值，為設計增添了動態(tài)感，同時也便于觀察。

三、控制方案

根據(jù)聚合反應的工藝要求，通過溫度控制系統(tǒng)來實現(xiàn)整個聚合過程的自動控制。溫度控制系統(tǒng)是一個簡單控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將100熱電阻溫度計插入反應釜內(nèi)攪拌區(qū)，測量溫度。由外加恒溫槽，并通過調(diào)節(jié)進出夾套水的溫度來控制反應溫度(控制精度在±2℃)，即構成以反應釜內(nèi)溫度為被控變量，以進出夾套水溫度為操縱變量的溫度定值控制系統(tǒng)。圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構圖，圖3為閥的分程示意圖。通過此控制曲線，調(diào)節(jié)自動控制中控制器各參數(shù)，以便反應能夠正常進行。

四、系統(tǒng)特點

計算機在線監(jiān)控技術及自動控制技術用于該套聚丙烯聚合反應裝置中，具有模塊化組合結(jié)構，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強。其下位機卡件采用模塊化設計，便于系統(tǒng)構建與組態(tài)；控制程序采用模塊化設計，便于各個模塊的編程與調(diào)試；在線記錄、保存信息具有實時性，不僅可杜絕手工記錄的可能差錯，正確進行數(shù)據(jù)處理，而且便于事后檢查和分析指導；功能強大的組態(tài)軟件可組態(tài)豐富細膩的流程圖、實時趨勢、控制畫面，顯示更加直觀，生動具體，便于觀察；該計算機控制系統(tǒng)不僅具有通用性，而且具有開放性，能方便地與一些專業(yè)的計算機應用程序掛接，滿足特定的需要。

五、結(jié)束語

控制方案經(jīng)實驗室調(diào)試后投入運行，運行效果良好?？刂葡到y(tǒng)的升溫過程穩(wěn)定平滑，特別是過渡段的60℃-74℃中間平穩(wěn)兩端過渡轉(zhuǎn)換沒有太大波動，恒溫過程溫度控制在2℃以內(nèi)達到了預期效果，其社會經(jīng)濟效益顯著。

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