基于PID的NBR聚合工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉軍，朱小平

（1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院 南通校區(qū)，江蘇 南通 226006;2.南通申華化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南通 226010）

0 引言

丁腈橡膠（NBR）是由丁二烯與丙烯腈在低溫條件下乳液聚合，反應(yīng)結(jié)束通過閃沸槽和汽提塔將過量的丙烯腈和丁二烯回收，聚合反應(yīng)后的膠乳經(jīng)摻合（各種添加劑）去制成區(qū)，經(jīng)凝聚、振動(dòng)、脫水、碎料、干燥、包裝等工序生產(chǎn)形成。其中，聚合工藝屬于危險(xiǎn)工藝，在生產(chǎn)過程中對(duì)物料配比、流量、溫度、反應(yīng)壓力均有較高的要求。超壓、物料配比不當(dāng)、物料泄漏等都極易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等事故的發(fā)生［1］。

1 NBR聚合工藝特性

NBR在聚合生產(chǎn)過程中危及生產(chǎn)安全主要有以下四個(gè)方面［2］:

（1）物料:由于丙烯腈、丁二烯、冷媒液氨等原料均屬易燃、易爆物品，且具有較強(qiáng)的毒性，在作業(yè)過程中，若物料輸送超過安全流速，易產(chǎn)生靜電積聚，產(chǎn)生靜電火花而燃爆。

（2）投料比:反應(yīng)過程中物料配比不當(dāng)，反應(yīng)速度過快，會(huì)發(fā)生沖料甚至爆炸的危險(xiǎn)。

（3）攪拌:反應(yīng)過程中攪拌若停止，反應(yīng)熱不能及時(shí)移去，導(dǎo)致反應(yīng)超溫，反應(yīng)超溫容易使反應(yīng)加劇，導(dǎo)致沖料甚至爆炸事故的發(fā)生。

（4）冷媒:聚合反應(yīng)屬中等放熱的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中若冷媒供應(yīng)不足，容易使反應(yīng)超溫，導(dǎo)致反應(yīng)加劇而引發(fā)沖料甚至爆炸事故的發(fā)生。

為滿足安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的需要，本文設(shè)計(jì)出以PLC為主控制器，對(duì)聚合工藝過程中的溫度、壓力、液位、流量等進(jìn)行自動(dòng)控制的自動(dòng)化生產(chǎn)裝置，同時(shí)具有超溫、超壓報(bào)警和自動(dòng)泄壓、聯(lián)鎖等性能，提升了裝置的安全可靠程度。

2 NBR聚合工藝控制要求及流程設(shè)計(jì)

2.1 NBR聚合工藝控制要求

通過對(duì)NBR聚合工藝分析可知，聚合生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是安全可靠性要高，故采取了以下措施來保證:

（1）針對(duì)易燃、有毒物料:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警儀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)濃度超標(biāo)，立刻報(bào)警;在生產(chǎn)之前，對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)空氣進(jìn)行N2置換，空氣置換合格后進(jìn)行物料輸送，防止易燃蒸氣與空氣形成爆炸性混合物。

（2）針對(duì)物料輸送、投料比:在相應(yīng)物料管線設(shè)置流量計(jì)和自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，流量根據(jù)工藝需要預(yù)先設(shè)定范圍，通過PID控制調(diào)節(jié)閥，保證投料比穩(wěn)定。

（3）針對(duì)冷媒:在其冷凍管線上設(shè)置可控制調(diào)節(jié)閥，與反應(yīng)釜上設(shè)置的溫度傳感器（控制在12.5℃左右）實(shí)行反饋連鎖，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度。

（4）異常超溫控制:將進(jìn)料閥門的調(diào)節(jié)由溫度傳感器來控制。若超溫，則自動(dòng)關(guān)閉，待溫度正常時(shí)再打開進(jìn)料。

（5）異常超壓控制:將超壓報(bào)警與緊急卸料閥門和終止劑管線閥門連鎖。當(dāng)異常超壓時(shí)，加入緊急終止劑并打開緊急出料閥，卸料至受槽，同時(shí)停車［3］。

2.2 NBR聚合工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)工藝要求的分析，設(shè)計(jì)了如圖1所示的NBR聚合生產(chǎn)原理示意圖，圖中主要控制閥門及傳感器分布見表1，聚合工藝流程主要有以下五步驟:

表1 控制閥門及傳感器分布表

（1）檢查確認(rèn)反應(yīng)釜所有進(jìn)料管線閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，打開真空系統(tǒng)閥門1YA，抽真空10分鐘，關(guān)閉1YA;打開氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)閥門2YA，吹掃5分鐘，關(guān)閉2YA;現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)氧含量，控制氧含量在1%以下，若檢測(cè)合格，準(zhǔn)備反應(yīng)。若不合格，則重復(fù)此過程。

（2）打開丙烯腈管線電磁閥門3YA和皂化液管線電磁閥門5YA向反應(yīng)釜加料至反應(yīng)釜指定液位（由液位計(jì)傳感器4CA控制），關(guān)閉進(jìn)料閥門。

（3）打開冷凍管線控制閥門10YA，通入冷媒液氨冷卻物料，當(dāng)反應(yīng)釜溫度達(dá)到5℃時(shí)，開啟反應(yīng)釜攪拌裝置。同時(shí)打開引發(fā)劑管線控制閥門6YA和丁二烯管線控制閥門4YA，丁二烯和引發(fā)劑的量分別通過各自流量計(jì)傳感器5CA和6CA與控制閥門連鎖自動(dòng)調(diào)節(jié)其配比。

（4）反應(yīng)過程中，通過反應(yīng)釜溫度傳感器2CA與冷凍系統(tǒng)管線控制閥10YA連鎖，自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜器溫度（10℃ ～15℃）。

（5）當(dāng)反應(yīng)釜物料至高液位時(shí)，關(guān)閉引發(fā)劑和丁二烯，切斷進(jìn)料閥門，保溫反應(yīng)約10 h～12 h，檢測(cè)物料轉(zhuǎn)化率，檢測(cè)合格后（若不合格，再保溫反應(yīng)一段時(shí)間），停止攪拌，打開出料閥門出料，自動(dòng)關(guān)閉冷凍管線閥門。

3 NBR聚合工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)裝置應(yīng)用了檢測(cè)、信息處理、自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，力求整體設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化，確保生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。以可編程控制器（PLC）為核心進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用溫度、壓力、液位、流量及氣體等傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，控制對(duì)象主要是各類電磁閥等。此外，為便于操作和監(jiān)控，設(shè)計(jì)了觸摸屏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控［4］。

整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)字輸入量15個(gè)，數(shù)字輸出量14個(gè)，模擬輸入量5個(gè)，模擬輸出量3個(gè)。為滿足需求并考慮發(fā)展余地及性價(jià)比，設(shè)計(jì)采用德國(guó)西門子公司的S7－200系列CPU226、EM231熱電阻輸入模塊及模擬量輸入模塊各1個(gè)、EM232模擬量輸出模塊2個(gè)，其外部接線如圖2所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)觸摸屏監(jiān)控程序和下位機(jī)PLC控制程序設(shè)計(jì)。

3.2.1 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏界面設(shè)計(jì)采用TouchWin公司TP系列觸摸屏專用組態(tài)軟件TouchWin V2.89，其界面友好，操作簡(jiǎn)單直觀，可在組態(tài)軟件中選擇觸摸屏型號(hào)和PLC型號(hào)，并可設(shè)置串口通訊參數(shù)。觸摸屏設(shè)計(jì)界面見圖3。

3.2.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用梯形圖，，程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，，便于維護(hù)和擴(kuò)展。程序包括主程序、參數(shù)初始化子程序、點(diǎn)動(dòng)子程序、加工參數(shù)顯示子程序、冷媒流量PID控制中斷程序、引發(fā)劑流量PID控制中斷程序、及丁二烯投放比PID中斷控制程序和PLC與觸摸屏通信程序等模塊。

主程序主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令、調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)NBR聚合過程控制，主程序流程見圖4，各個(gè)子程序通過中斷實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的功能。

圖2 觸摸屏設(shè)計(jì)界面

圖3 觸摸屏設(shè)計(jì)界面

下面重點(diǎn)介紹PID調(diào)節(jié)程序的設(shè)計(jì)。在NBR聚合生產(chǎn)過程中，溫度的控制（冷媒的投放量）、物料的投放比（引發(fā)劑和丁二烯的投放量）均由相應(yīng)的控制閥通過閉環(huán)控制，為提高控制精度，確保生產(chǎn)安全，程序設(shè)計(jì)采用PID控制算法。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，提供了專門的PID指令，以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制功能。PLC的PID算法簡(jiǎn)單、可靠性高、具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性、使用方便，直接套用即可，實(shí)際工程中易于實(shí)現(xiàn)。

使用PID指令，需要確定采樣周期Ts，比例增益Kp、積分增益Ki及微分增益Kd等控制參數(shù)。以丁二稀流量PID控制參數(shù)為例分析:

圖4 PLC主程序流程圖

（1）采樣周期Ts的確定:根據(jù)“香農(nóng)定理”并考慮工程實(shí)際，“Ts≤0.1T”，式中T為被采樣信號(hào)的周期，取Ts=0.1s。

（2）根據(jù)本控制對(duì)象屬于惰性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)這一特點(diǎn)（Kd=0），確定Kp、Ki:

①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式“Kp≤0.9S/?！保街蠸為系統(tǒng)響應(yīng)度，Γ為死區(qū)時(shí)間，取Kp=0.2。

② 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式“KI≤0.27S·Kpp≤IΓ2”，式中Kpp為系統(tǒng)曲線比例增益，取Ki=0.2 min［5，6］。

在本系統(tǒng)中，共有三個(gè)中斷程序INT0、INT1、INT2分別實(shí)現(xiàn)溫度、引發(fā)劑流量和丁二稀流量的PID控制。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PLC作為控制平臺(tái)的控制核心，對(duì)NBR聚合工藝過程中的物料流量、反應(yīng)釜溫度等采用PID算法編程控制，提高了系統(tǒng)的控制精度;同時(shí)，對(duì)超溫、超壓采取自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)泄壓等安全控制方式，提高了聚合工序的安全可靠性，提升了整個(gè)裝置的本質(zhì)安全度。本設(shè)計(jì)也對(duì)其他化工企業(yè)特別是間歇生產(chǎn)中涉及高危工藝的，具有一定的借鑒價(jià)值。

［1］呂詠梅.丁腈橡膠生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展建議［J］.中國(guó)橡膠，2007，24（9）:7－10.

［2］趙燕，鄭彩琴，趙繼忠.改進(jìn)丙烯腈回收系統(tǒng)穩(wěn)定丁腈橡膠聚合工藝［J］.齊魯石油化工，2007，35（2）:77－79.

［3］李曉強(qiáng)，唐斌.軟丁腈橡膠的性能及其配合技術(shù)［J］.特種橡膠制品，2004，39（2）:1－4.

［4］李宏，岳清濤，江琳.基于觸摸屏和PLC的數(shù)字觸發(fā)式整流電源設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（5）:68－70.

［5］黃振國(guó)，馬旭彥，李雪東.基于PID指令的PLC溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［J］.可編程控器與工廠自動(dòng)化，2008，9（12）:55 －57.

［6］張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門到精通——西門子S7－200PLC技術(shù)與應(yīng)用［M.］北京:人民郵電出版社，2007:351－353.