基于DCS的聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 然 高德欣 曹夢(mèng)龍

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

基于DCS的聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 然 高德欣 曹夢(mèng)龍

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

以浙大中控ECS-100 DCS系統(tǒng)為核心平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)聚氯乙烯引發(fā)劑安全生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件組態(tài)和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)安全，達(dá)到了規(guī)定的工藝要求和指標(biāo)。

過程控制 DCS 聚氯乙烯引發(fā)劑

在聚氯乙烯懸浮聚合生產(chǎn)過程中，引發(fā)劑是一種重要的助劑。不同活性的引發(fā)劑生產(chǎn)不同型號(hào)的PVC樹脂。如何安全、穩(wěn)定、有效地生產(chǎn)各種類型的引發(fā)劑，以滿足日益增長的需求，成為當(dāng)務(wù)之急[1]。由于生產(chǎn)聚氯乙烯引發(fā)劑的控制過程相對(duì)較為復(fù)雜，對(duì)所需反應(yīng)物料的進(jìn)料量精度和反應(yīng)釜溫度控制要求較高，所以需要DCS進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和控制。DCS系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，如今在化工企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，它有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了管理成本，節(jié)約了能源消耗，并使化工生產(chǎn)逐漸走向智能化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和規(guī)模化[2]。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，DCS系統(tǒng)憑借其自身科學(xué)性的設(shè)計(jì)，對(duì)化工行業(yè)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)[3，4]。

青島某化工企業(yè)聚氯乙烯引發(fā)劑的生產(chǎn)過程，原來需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，現(xiàn)根據(jù)改造升級(jí)要求，采用浙大中控ECS-100 DCS系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)控制過程中所需的壓力、液位和流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和組態(tài)，并通過AdvanTrol-Pro監(jiān)控界面進(jìn)行監(jiān)視。針對(duì)引發(fā)劑反應(yīng)釜進(jìn)料過程和溫度控制要求采用了圖形化編程，整定了控制參數(shù)，使整個(gè)引發(fā)劑生產(chǎn)過程更加安全，操作更加簡(jiǎn)便。

生產(chǎn)聚氯乙烯可采用數(shù)十種引發(fā)劑，其中采用較多的是二碳酸酯、過氧化酯、二酰和偶氮化合物4種結(jié)構(gòu)類別的引發(fā)劑[5]?？刂葡到y(tǒng)工藝說明以過氧化二碳酸雙十六烷基酯(簡(jiǎn)稱DCP)在A反應(yīng)釜的反應(yīng)生成為例。選定A反應(yīng)釜DCP配方進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)默認(rèn)選定堿液高位槽A、雙氧水高位槽A、氯代酯高位槽A，DCP的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 DCP的生產(chǎn)工藝流程

加軟水清洗反應(yīng)釜。在執(zhí)行反應(yīng)操作之前，應(yīng)當(dāng)先將反應(yīng)釜內(nèi)壁用軟水進(jìn)行沖洗，防止前次反應(yīng)的遺留物在反應(yīng)釜內(nèi)結(jié)垢，影響以后的生產(chǎn)。清洗前要確保現(xiàn)場(chǎng)手閥開關(guān)正確且軟水回流泵工作正常。

加無離子水。對(duì)反應(yīng)釜沖洗完畢后，需向反應(yīng)釜內(nèi)加一定量的無離子水(配方，可調(diào))，用于稀釋堿液濃度，并且可以減少聚合反應(yīng)過程中其他離子對(duì)反應(yīng)物純度的影響。生產(chǎn)過程中對(duì)無離子水流量進(jìn)行流量累計(jì)，每次加無離子水完畢后累計(jì)量自動(dòng)清零，確保進(jìn)料精確。

過氧化鈉合成。打開堿高位槽A出料閥和A反應(yīng)釜進(jìn)料閥，向A反應(yīng)釜內(nèi)加一定量的堿液(配方，可調(diào))，經(jīng)過反應(yīng)釜內(nèi)無離子水的稀釋，使釜內(nèi)堿液濃度保持在7%～8%。此時(shí)以釜底溫度TE9115A為主環(huán)溫度，以釜頂溫度TE9101A為副環(huán)溫度進(jìn)行溫度串級(jí)控制，將釜溫維持在設(shè)定值(配方，可調(diào))。當(dāng)堿液進(jìn)料完畢后，自動(dòng)關(guān)閉堿高位槽A出料閥和A反應(yīng)釜進(jìn)料閥，同時(shí)打開雙氧水高位槽A出料閥(調(diào)節(jié)閥閥門開度可調(diào))向反應(yīng)釜A加一定量雙氧水(配方，可調(diào))，進(jìn)行過氧化鈉合成。期間釜溫依靠溫度串級(jí)控制維持在12℃(配方，可調(diào))，持續(xù)25min左右。

DCP合成。過氧化鈉合成完畢后，將一定量的氯代酯(配方，可調(diào))加入反應(yīng)釜A中，此時(shí)雙氧水高位槽A出料閥自動(dòng)關(guān)閉，氯代酯高位槽A出料閥與調(diào)節(jié)閥打開，并啟動(dòng)攪拌電機(jī)。反應(yīng)期間串級(jí)控制主回路TIC9101A溫度控制在9℃左右，副回路TICA9101A輸出-20℃冷凍鹽水調(diào)節(jié)閥開度，保證釜溫穩(wěn)定，持續(xù)反應(yīng)3h，直至反應(yīng)結(jié)束。

水洗、提純、干燥。反應(yīng)結(jié)束后，手動(dòng)打開冷凍鹽水閥進(jìn)行冷卻、降溫，將反應(yīng)生成物用冷水洗滌過濾得到DCP粗品，于30℃環(huán)境下干燥24h，然后用酒精提純制得DCP成品。反應(yīng)釜A控制流程如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜A控制流程

2 聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙大中控ECS-100 DCS系統(tǒng)是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，包含過程控制級(jí)和過程監(jiān)視級(jí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、控制、通信和顯示4C技術(shù)[6，7]。筆者所設(shè)計(jì)的聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)以ECS-100 DCS系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)包含工廠管理層、過程控制層和現(xiàn)場(chǎng)儀表層3個(gè)部分。ECS-100 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ECS-100 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工廠管理層采用C/S網(wǎng)絡(luò)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)報(bào)警提示、歷史趨勢(shì)及歷史操作查詢等功能。通過管理信息網(wǎng)，廠長辦公室、總工程師辦公室和生產(chǎn)調(diào)度室可隨時(shí)掌握工廠生產(chǎn)狀況，并完成管理者和各職能科室生產(chǎn)管理報(bào)表生成的任務(wù)。

過程控制層運(yùn)用高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)SCnetII網(wǎng)絡(luò)，直接連接上位機(jī)操作站和操作目標(biāo)，是控制過程中信息傳送的重要通道，主要包括操作員站、工程師站和由主控制卡構(gòu)成的控制站。其中控制站采用冗余配置(即雙主控卡互為冗余)，配合冗余SCnetII網(wǎng)絡(luò)，可使整個(gè)信息傳輸通道更加穩(wěn)定可靠。

現(xiàn)場(chǎng)儀表層包括就地儀表、傳感器、執(zhí)行電機(jī)、變頻器、開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥，用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)采集、頻率設(shè)定和閥門控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需要采集的點(diǎn)數(shù)來決定ECS-100 DCS控制柜中I/O卡件的個(gè)數(shù)。I/O卡件的功能是將從現(xiàn)場(chǎng)采集的各種模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，通過C/S網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)再通過符合工藝流程的控制程序計(jì)算出控制量，將它下達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)儀表層中的各個(gè)單位執(zhí)行。

3 聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于不同的工程項(xiàng)目，DCS為實(shí)現(xiàn)過程控制所需建立的控制站是不同的。控制站主要包括控制站機(jī)柜、交流溫控器、卡件機(jī)籠、通信接口卡、電源指示卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、主控制卡、電源模塊及I/O卡件等。其中卡件機(jī)籠、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、主控制卡、電源和I/O卡件是組成控制站不可缺少的部分，其他部分可根據(jù)工程需要進(jìn)行遴選[8，9]。

3.1測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與硬件選型

根據(jù)聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)所需要的點(diǎn)數(shù)確定控制系統(tǒng)的規(guī)模，即統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)中的點(diǎn)數(shù)，列出點(diǎn)數(shù)列表(表1)，然后以此列表為依據(jù)，確定該控制系統(tǒng)所需要的相應(yīng)卡件數(shù)和端子板數(shù)目。

表1 聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)列表

完成點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，根據(jù)實(shí)際點(diǎn)數(shù)的性質(zhì)，確定各類I/O卡件的數(shù)量，需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膫溆命c(diǎn)，以便對(duì)于重要的信息采集點(diǎn)進(jìn)行冗余操作。

表1中熱電阻信號(hào)點(diǎn)數(shù)為26。熱電阻信號(hào)可由模擬量輸入卡件FW353(B)采集，F(xiàn)W353(B)卡件通道數(shù)為8，即每一個(gè)FW353(B)卡件可采集8個(gè)熱電阻信號(hào)。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)出的熱電阻信號(hào)點(diǎn)數(shù)，共需4個(gè)FW353(B)卡件，冗余6點(diǎn)作為備用。

表1中模擬量輸入點(diǎn)數(shù)共有29個(gè)(4～20mA模擬電流信號(hào))，包括壓力、液位、重量和流量信號(hào)。這些標(biāo)準(zhǔn)模擬量電流輸入信號(hào)可由FW351(B)卡件進(jìn)行采集，F(xiàn)W351(B)卡件通道數(shù)為8，即每一個(gè)FW351(B)卡件可采集8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬量電流輸入信號(hào)。根據(jù)工藝控制要求，標(biāo)準(zhǔn)模擬量電流輸入信號(hào)的采集十分重要，所以需要多預(yù)留點(diǎn)數(shù)，共采用5塊FW351(B)卡件，冗余11點(diǎn)作為備用。

表1中模擬量輸出點(diǎn)數(shù)共有20個(gè)(4～20mA模擬電流信號(hào))，主要控制各個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度。此類信號(hào)可由FW372(B)卡件進(jìn)行控制。FW372(B)為8路點(diǎn)點(diǎn)隔離型信號(hào)輸出卡。本系統(tǒng)采用3塊FW372(B)卡件，冗余4點(diǎn)備用。

表1中數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)共有69個(gè)，采用FW366(B)卡件進(jìn)行處理。FW366(B)為16路數(shù)字信號(hào)輸入卡。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的需求，共需要5塊FW366(B)卡件，冗余11點(diǎn)備用。

表1中數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)共有35個(gè)，由卡件FW367(B)進(jìn)行處理。FW367(B)卡提供16個(gè)MOS管作為16路輸出。共需要3塊FW367(B)卡，冗余13點(diǎn)備用。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)的I/O卡件數(shù)量，可以確定控制站和操作站的個(gè)數(shù)。浙大中控ECS-100 DCS系統(tǒng)共有4個(gè)機(jī)籠，每個(gè)機(jī)籠有20個(gè)插槽。除去主控卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡所占用的卡槽，每個(gè)機(jī)籠留給I/O卡件的卡槽為0～15號(hào)(共16個(gè))。為使I/O卡件正常工作，需要FW252-03A卡件對(duì)它供電(5V，直流)。因?yàn)槟承㊣/O卡件需要向外供電，故必須準(zhǔn)備FW252-04A的電源卡件對(duì)外提供24V直流電。最后根據(jù)生產(chǎn)方要求，將控制系統(tǒng)分為一個(gè)工程師站和兩個(gè)操作員站。最終需要的卡件數(shù)見表2。

表2 聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)卡件數(shù)統(tǒng)計(jì)

(續(xù)表2)

3.2卡件布局

根據(jù)表2所統(tǒng)計(jì)的卡件數(shù)量進(jìn)行ECS-100 DCS控制柜的卡件布局設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)共需20個(gè)I/O卡件，占用兩個(gè)機(jī)籠，剩余的卡槽不參與任何控制，為防止灰塵進(jìn)入卡槽內(nèi)部，剩余的卡槽需插入空卡卡件FX000。為了更好地發(fā)揮卡件冗余特性并方便以后維護(hù)，現(xiàn)對(duì)控制柜按照?qǐng)D4進(jìn)行布局。

圖4 ECS-100 DCS控制柜卡件布局

4 聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)控制系統(tǒng)組態(tài)

控制系統(tǒng)采用ECS-100 DCS組態(tài)軟件SCKey進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。SCKey組態(tài)軟件能通過簡(jiǎn)明的下拉菜單和彈出式對(duì)話框建立友好的人機(jī)交互界面，并大量采用Windows標(biāo)準(zhǔn)控件，保持了操作的一致性。該組態(tài)軟件功能齊全、操作簡(jiǎn)捷，可進(jìn)行卡件組態(tài)，建立操作小組，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)流程界面設(shè)計(jì)、圖形化編程等操作。

4.1主機(jī)設(shè)置

主機(jī)設(shè)置主要用于主控制卡和操作站的設(shè)置，點(diǎn)擊菜單欄中的“總體信息/主機(jī)設(shè)置”可彈出主機(jī)設(shè)置操作界面。該界面主要包括主控制卡設(shè)置和操作站設(shè)置。主控制卡設(shè)置項(xiàng)主要用于完成對(duì)主控制卡(即控制站)參數(shù)的設(shè)置，主要包括主控制卡IP地址、運(yùn)行周期、型號(hào)、通信協(xié)議及冗余狀況等。操作站設(shè)置項(xiàng)主要完成操作站(工程師站、數(shù)據(jù)站和操作員站)的設(shè)置，其中包括IP地址、類型選擇、冗余設(shè)置及關(guān)聯(lián)策略等操作項(xiàng)。在該設(shè)置界面的右側(cè)有4個(gè)命令按鈕可進(jìn)行設(shè)置操作，其中，整理命令按鈕是將現(xiàn)有設(shè)置項(xiàng)按地址順序進(jìn)行排序。增加命令按鈕可在現(xiàn)有設(shè)置項(xiàng)中增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)。刪除命令按鈕是將現(xiàn)有設(shè)置項(xiàng)中選中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)刪除。退出命令按鈕則執(zhí)行退出設(shè)置界面的操作，并將設(shè)置期間的更改項(xiàng)進(jìn)行保存。

4.2卡件設(shè)置

卡件組態(tài)是根據(jù)卡件的冗余情況和卡件在SBUS-S2網(wǎng)絡(luò)上的地址進(jìn)行的組態(tài)。在菜單欄中選擇“控制站/IO組態(tài)”，即會(huì)彈出卡件組態(tài)設(shè)置界面?？M態(tài)設(shè)置界面主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡設(shè)置、I/O卡件設(shè)置和I/O點(diǎn)設(shè)置3項(xiàng)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡設(shè)置項(xiàng)用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的地址、型號(hào)及冗余等設(shè)置操作。I/O卡件設(shè)置項(xiàng)用于設(shè)置不同型號(hào)的I/O卡件，以及它們的注釋、地址和冗余狀況信息。I/O點(diǎn)設(shè)置項(xiàng)是在不同I/O卡件下設(shè)置相應(yīng)的I/O點(diǎn)，這些I/O點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)位號(hào)相對(duì)應(yīng)，保證信號(hào)傳輸?shù)恼_性，也可在此設(shè)置項(xiàng)中設(shè)置不同I/O點(diǎn)的位號(hào)、地址、各項(xiàng)參數(shù)(包括上下限、信號(hào)類型等)及報(bào)警等。

4.3流程圖組態(tài)

流程圖是ECS-100 DCS系統(tǒng)中最重要的監(jiān)控操作界面，用于顯示被控設(shè)備對(duì)象的整體流程和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并操作相關(guān)數(shù)據(jù)量。因此，控制系統(tǒng)的流程圖應(yīng)具有較強(qiáng)的圖形顯示(包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài))和數(shù)據(jù)處理功能[10]。

流程圖組態(tài)所用組態(tài)軟件是SCDrawEx。選擇菜單欄中的“操作站/流程圖”，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要增添流程圖頁數(shù)，點(diǎn)擊編輯可進(jìn)入流程圖制作頁面。流程圖中可對(duì)I/O點(diǎn)設(shè)置中的位號(hào)進(jìn)行引用，并且可以顯示或操作位號(hào)狀態(tài)(ON、OFF或相應(yīng)數(shù)字量)。流程圖監(jiān)控主界面如圖5所示。

圖5 流程圖監(jiān)控主界面

除流程圖主界面之外，SCDrawEx還提供“彈出式流程圖”設(shè)計(jì)操作。彈出式流程圖與一般流程圖制作過程完全一樣，只需在流程圖主界面中設(shè)置特殊翻頁按鈕，并添加相應(yīng)的彈出式流程圖頁數(shù)，即可在監(jiān)控模式下點(diǎn)擊特殊翻頁按鈕彈出相對(duì)應(yīng)的彈出式流程圖。這為操作人員提供了多樣化操作方式，并能使流程圖主界面在簡(jiǎn)潔明確的前提下，提供更多的操作渠道，使監(jiān)控主界面功能更加全面。本控制系統(tǒng)彈出式流程圖可執(zhí)行選擇配方、軟水累計(jì)流量清零、進(jìn)料開始與停止、進(jìn)料暫停與重啟操作，同時(shí)還提供相應(yīng)反應(yīng)釜的實(shí)時(shí)顯示。彈出式流程圖如圖6所示。

圖6 反應(yīng)釜A彈出式流程圖

流程圖作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要界面，需秉承“集中控制，操作簡(jiǎn)捷，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確”的原則。同時(shí)應(yīng)參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流程圖制作。整體界面應(yīng)條理有序、主次分明、避免高亮的顏色，以防操作人員視覺疲勞。

5 結(jié)束語

通過本次青島某化工企業(yè)設(shè)備改造升級(jí)，基于浙大中控ECS-100 DCS的控制系統(tǒng)得以成功應(yīng)用，從根本上解決了該化工企業(yè)控制水平落后、安全可靠性不足及生產(chǎn)效率低等諸多問題，提高了聚氯乙烯引發(fā)劑生產(chǎn)系統(tǒng)整體的自動(dòng)控制水平。該系統(tǒng)所采用的硬件設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件技術(shù)都較為成熟，可廣泛推廣。

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DesignofDCS-basedControlSystemforProductionofPVC’sInitiator

LIU Ran, GAO De-xin, CAO Meng-long

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266042,China)

Taking SUPCON ECS-100 DCS as key platform, a control system for production of PVC’s initiator was designed and its overall structure, hardware design, software configuration and monitoring interface design were described. Application result shows that this DCS system can run stably and can achieve targets as the process required.

process control, DCS, PVC’s initiator

TH865

B

1000-3932(2016)06-0573-06

2015-09-16