HOLLiAS MACSTM系統(tǒng)在丙烯酸樹脂行業(yè)的應(yīng)用

廖友輝，李建君

（1.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018；2.上海保立佳化工股份有限公司，上海 200000）

丙烯酸樹脂工藝是典型的批量生產(chǎn)工藝，其中的配方管理、批次生產(chǎn)、滴加反應(yīng)、溫度控制等是精細(xì)化工行業(yè)自動化生產(chǎn)比較難的部分，常規(guī)DCS系統(tǒng)難以滿足當(dāng)前對生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)信息化等方面提出的要求，也難以實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的自動化。和利時公司的HOLLIASMACS系統(tǒng)，是基于電子技術(shù)、信息技術(shù)而研發(fā)出的第五代產(chǎn)品，兼顧了生產(chǎn)現(xiàn)場對安全、開放的要求，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的配方管理和批次控制，同時HOLLIAS-MACS的Batch系統(tǒng)靈活、易用、功能豐富等特點滿足了間歇生產(chǎn)的自動控制要求，不僅能提高人員、設(shè)備等效率，更能提升產(chǎn)品的品質(zhì)，降低現(xiàn)場操作出錯率和人員勞動強(qiáng)度。從而提升間歇生產(chǎn)企業(yè)的人員、設(shè)備、物料等方面的管理水平，為企業(yè)生產(chǎn)帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 生產(chǎn)工藝概述

丙烯酸樹脂工藝主要采用乳液聚合和懸浮聚合法生產(chǎn)，具有大批量間歇式生產(chǎn)、放熱量大且難以控制的工藝特點，主要表現(xiàn)在：

1）產(chǎn)品配方多

在同一條生產(chǎn)線，可根據(jù)用戶訂單的變化和產(chǎn)品的變化而實時生產(chǎn)，通過選擇不同的配方（Recipe），創(chuàng)建批次計劃，由選擇的配方即可知該配方下的生產(chǎn)工藝流程（Formular）、原料（BOM）和控制參數(shù)（Parameter）等，不同配方有不同的相應(yīng)工藝流程，通過這種方式改變其反應(yīng)的特性，達(dá)到生產(chǎn)不同產(chǎn)品的目的。

2）人為干預(yù)多

生產(chǎn)過程中有較多的物料添加是需要人工操作的，這導(dǎo)致操作過程的隨意性和人為失誤等會加大，怎樣減少物料添加過程中的多加、少加、錯加、漏加等情況的發(fā)生，減少人為因素對生產(chǎn)的品質(zhì)、生產(chǎn)的效率、物料的損耗等方面的影響，則是整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括自控系統(tǒng)所必須重點考慮的。

3）危險性較大

聚合工藝有很多種類，按聚合方法可分為本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合、溶液聚合等。聚合是一種或幾種小分子化合物變成大分子化合物的反應(yīng)，聚合原料具有自聚和燃爆危險性；如果反應(yīng)過程中熱量不能及時移出，隨著物料溫度上升，發(fā)生裂解和暴聚，所產(chǎn)生的熱量使裂解和暴聚過程進(jìn)一步加劇，進(jìn)而引發(fā)反應(yīng)器爆炸，且部分聚合助劑危險性較大。

2 系統(tǒng)可行性論證

針對精細(xì)化工行業(yè)間歇生產(chǎn)裝置的特點，對控制系統(tǒng)而言主要有兩個需求和兩個難點，分別為：配方管理和批次控制這兩個需求，滴加反應(yīng)和溫度控制這兩個難點。

配方管理：裝置根據(jù)用戶訂單，能立即實現(xiàn)產(chǎn)品的快速切換，產(chǎn)品切換可能會包括：原料的不同、配比的不同、投料順序的不同、控制參數(shù)的不同等多個方面的不同，要求系統(tǒng)軟件可快速實現(xiàn)這類切換，為訂單的快速交付節(jié)約生產(chǎn)時間。

批次控制：需要系統(tǒng)對每個批次的生產(chǎn)作清晰的標(biāo)識，包括當(dāng)前批次運行到了哪個設(shè)備、進(jìn)行哪些動作、投入了哪些原料等生產(chǎn)軌跡，并隨著生產(chǎn)往下一個設(shè)備移轉(zhuǎn)而實現(xiàn)批號的傳遞和跟蹤，以及實現(xiàn)同一條產(chǎn)線實現(xiàn)多批次同時運行的批次控制功能。

滴加反應(yīng)：大多數(shù)間歇裝置生產(chǎn)都有催化劑、引發(fā)劑等進(jìn)行滴加，且對滴加的速率、滴加的平穩(wěn)性等都有較高的要求，且不同的產(chǎn)品其滴加的速率可能會不同，這些滴加參數(shù)需自控系統(tǒng)保存在對應(yīng)的產(chǎn)品配方表中，當(dāng)生產(chǎn)該配方時系統(tǒng)會自動下達(dá)這些參數(shù)給自控系統(tǒng)，使裝置能快速進(jìn)入平穩(wěn)滴加，從而為平穩(wěn)反應(yīng)創(chuàng)造有利條件。

溫度控制：反應(yīng)釜的溫度因其為典型的大慣性、大滯后、非線性等特點，其控制一直是現(xiàn)場生產(chǎn)的“痛點”，且滴加與溫度具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，需進(jìn)行解耦控制。

和利時從2005年開始摸索和實踐Batch系統(tǒng)在間歇裝置上的使用，2006年推出國產(chǎn)第一套Batch軟件系統(tǒng)，歷經(jīng)200多個現(xiàn)場的“磨練”，Batch系統(tǒng)不斷成熟，逐步應(yīng)用于高端用戶，不僅能方便地實現(xiàn)用戶訂單不同所需的多配方管理和多批次控制功能，而且針對復(fù)雜的滴加反應(yīng)和釜溫控制，和利時Batch系統(tǒng)都有成熟和完善的解決方案。Batch將不同產(chǎn)品的滴加和控溫參數(shù)以及操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗參數(shù)儲存到相應(yīng)的產(chǎn)品配方表中，當(dāng)生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品時，系統(tǒng)自動調(diào)用配方內(nèi)的這些工藝和反應(yīng)參數(shù)，可大大縮短裝置的調(diào)試時間，起到提高裝置的自動化投運率，提升裝置的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的品質(zhì)等作用。

3 系統(tǒng)設(shè)計思路

3.1 工藝流程

丙烯酸樹脂工藝主要是從原料罐區(qū)進(jìn)料到中間計量槽，然后，從中間計量槽滴加物料到反應(yīng)釜，完成滴加、反應(yīng)生成新的物質(zhì)，即丙烯酸樹脂；從設(shè)備角度考慮，分為以下幾類：

原料罐：一般存儲于罐區(qū)，用于存儲各種原料物料。

計量罐：包括單體罐（主原料罐）、引發(fā)罐、氧化罐、還原罐等，一般用于從原料罐區(qū)進(jìn)料，然后，滴加物料至反應(yīng)釜完成反應(yīng)。

反應(yīng)釜：用于樹脂、乳液、染料的化學(xué)反應(yīng)，容量一般有：2t ～ 50t不等。

調(diào)節(jié)釜：用于各種化工產(chǎn)品在制作過程中的調(diào)和反應(yīng)使產(chǎn)品均勻的融合在一起。

包裝釜：包裝過程中存儲用過渡釜。

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

3.2 生產(chǎn)過程

丙烯酸樹脂的生產(chǎn)過程大致如下：

1）罐區(qū)原料出料：通過出料泵向各生產(chǎn)單體罐打料。

2）單體罐配料：多種單體原料根據(jù)配方需求量逐次進(jìn)料，并加入相應(yīng)比例的純水?dāng)嚢枞芙狻?/p>

3）引發(fā)劑配料：包含2組分、3組分等配料，加入相應(yīng)比例的純水?dāng)嚢枞芙狻?/p>

4）后處理配料：氧化、還原劑的配料，加入相應(yīng)比例的純水?dāng)嚢枞芙狻?/p>

5）滴加：各配料罐物料通過滴加進(jìn)入反應(yīng)釜攪拌反應(yīng)。

6）反應(yīng)：在反應(yīng)釜中進(jìn)行的反應(yīng)，溫度精確控制在工藝范圍內(nèi)。

7）轉(zhuǎn)料：成品檢驗合格后轉(zhuǎn)移至調(diào)節(jié)釜或包裝釜。

3.3 控制功能

丙烯酸樹脂生產(chǎn)工藝，從控制角度考慮，可以根據(jù)工藝過程和控制功能來進(jìn)行拆分和細(xì)化，比如根據(jù)功能歸類來劃分，大致可分為：

1）Dosing（加料）

執(zhí)行加料前，要先對累計值清零，同時將相關(guān)聯(lián)的設(shè)備初始化。

啟動累計要在閥門開啟之前，關(guān)閉累計要在閥門關(guān)閉之后，否則會丟掉部分流量累計，需要根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置提前量關(guān)閉閥門。

2）Drop（滴加）

主要有反應(yīng)時的單體料滴加和引發(fā)劑滴加以及后處理的氧化、還原滴加。

滴加時需要控制滴加流速，根據(jù)配方工藝的不同，有些為一段滴加、有些為多段滴加，一段滴加即為在規(guī)定時間內(nèi)把規(guī)定的物料滴加進(jìn)入反應(yīng)釜，滴加量與時間就組成一個穩(wěn)定的線性函數(shù)；分段滴加即把滴加時間分為數(shù)段，在各段時間內(nèi)把規(guī)定的物料量滴加進(jìn)入反應(yīng)釜，滴加量與時間就組成多個時間段的線性函數(shù)。

3）Te_CTL（控溫）

滴加過程就是反應(yīng)的過程，為保證反應(yīng)充分，開啟攪拌加速單體與引發(fā)劑的均勻分布之外，還需把溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，有些產(chǎn)品甚至要求溫度波動±0.5℃之內(nèi)。

4）Transfer（轉(zhuǎn)料）

執(zhí)行轉(zhuǎn)料前，要先判斷授料罐是否滿足授料條件，有沒有超液位報警，有無重量，是否有物料存在等條件，有物料存在繼續(xù)轉(zhuǎn)料是否允許等；相關(guān)聯(lián)的閥門是否被聯(lián)鎖。

是否開始轉(zhuǎn)料由授料命令發(fā)出。

轉(zhuǎn)料結(jié)束命令由全部轉(zhuǎn)完或者由達(dá)到設(shè)定量；轉(zhuǎn)料動作必須與授料動作配合使用。

5）Receive（授料）

執(zhí)行授料前，檢查授料罐是否正常，授料命令由Batch發(fā)出。

結(jié)束根據(jù)轉(zhuǎn)料結(jié)束或者達(dá)到設(shè)定量。

圖2 Batch軟件特點圖Fig.2 Batch software advantage diagram

4 功能實現(xiàn)

精細(xì)化工行業(yè)對精細(xì)化生產(chǎn)、控制、管理、全流程監(jiān)控等方面提出了越來越高的要求，但如何解決這些非生產(chǎn)核心的束縛，更容易實現(xiàn)高效安全地生產(chǎn)、穩(wěn)定可靠的高品質(zhì)、產(chǎn)供銷一體化管理等，讓生產(chǎn)企業(yè)有更多精力投入到工藝創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新等主業(yè)上，則需要批量控制軟件（Batch）具備較為強(qiáng)大的管理和控制功能，以方便企業(yè)達(dá)到下面目的：

1）五清：批次清、數(shù)量清、質(zhì)量清、責(zé)任清、生產(chǎn)動態(tài)清。

2）四分批：分批入料、分批加工（反應(yīng)）、分批輸送、分批入庫。

3）二快：產(chǎn)品質(zhì)量波動原因查找快、新產(chǎn)品新配方投產(chǎn)周期快。

4）二保密：配方保密、生產(chǎn)工序保密。

Batch軟件特點如圖2所示。

4.1 一體化全局管控

Batch軟件作為整個生產(chǎn)裝置的既具備管理功能又具備執(zhí)行功能的系統(tǒng)，需有全廠一體化的“視野”和控制管理“中樞”，為生產(chǎn)提供嚴(yán)謹(jǐn)、標(biāo)準(zhǔn)、詳細(xì)的工藝配方和動作步序，從全局性分析其優(yōu)勢為：

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠媱澟女a(chǎn)功能，為企業(yè)提供從“小規(guī)模定制”到“大規(guī)模定制”的銷售訂單轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)任務(wù)的計劃排產(chǎn)管理功能。

標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝配方，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供了可視化的、透明的、標(biāo)準(zhǔn)的配方流程圖，標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程是高品質(zhì)產(chǎn)品的保障。

詳細(xì)的生產(chǎn)信息提示，為現(xiàn)場生產(chǎn)和操作提供了詳細(xì)的指導(dǎo)，將以前常用的“紙質(zhì)工單”全面轉(zhuǎn)換為“電子工單”，并與現(xiàn)場操作人員進(jìn)行詳細(xì)的互動，Batch根據(jù)互動信息和人工確認(rèn)完成配方動作步序，同時把互動信息記錄進(jìn)入Batch系統(tǒng)。

表1 批記錄報表Table 1 Batch record report

圖3 用戶權(quán)限設(shè)置圖Fig.3 User authority setting diagram

4.2 核心知識產(chǎn)權(quán)保密

知識產(chǎn)權(quán)和企業(yè)優(yōu)勢地位的保護(hù)，通過工藝和設(shè)備的保密已很難實現(xiàn)，而主要依靠配方數(shù)據(jù)來達(dá)到其目的；和利時Batch軟件在保密性方面有嚴(yán)格的措施，確保用戶的配方數(shù)據(jù)不泄密。

嚴(yán)格的密碼管理：Batch各操作界面都有授權(quán)密碼，如配方組態(tài)、在線信息、配方執(zhí)行步驟等都需進(jìn)行授權(quán)才能登陸、編輯或查看，確保配方數(shù)據(jù)不泄密；人員離崗自動登出，防止他人冒用而泄密的情況發(fā)生。

用戶權(quán)限設(shè)置如圖3所示。

4.3 過程追溯

根據(jù)配方自動生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程的執(zhí)行情況如何，是否出現(xiàn)了延遲、人工干預(yù)、誤操作等情況，這些都要求Batch具有較好的可追溯性。

圖4 條碼管理圖Fig.4 Barcord management diagram

和利時Batch以批次為單位存儲和查詢生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，如：記錄該批次的使用設(shè)備、開始時間、結(jié)束時間、設(shè)定量、實際量、偏差量、操作人等。

批次追溯數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

4.4 投料防錯

人工投料時，防止操作員誤操作，進(jìn)行操作員掃碼，判斷該物料是否正確。如正確則允許加料，否則提示操作員；可設(shè)置條形碼格式，并按照組態(tài)的格式生成條碼，還對生成的條形碼進(jìn)行打印、刪除和條件組合查詢等。條碼管理如圖4所示。

圖5 配方運行圖Fig.5 Batch recipe running diagram

圖7 自動加料圖Fig.7 Auto dosing diagram

4.5 監(jiān)控清晰透明

生產(chǎn)過程中配方運行過程簡潔清晰，以直觀的步序和不同顏色反映當(dāng)前生產(chǎn)過程步。

1）在線運行配方管理

在建立了生產(chǎn)計劃、配方分配后，在過程管理中集中顯示了各計劃、配方的ID以及配方運行狀態(tài)和參數(shù)信息。配方運行如圖5所示。

2）單元運行狀態(tài)顯示

在單元狀態(tài)頁面，分為反應(yīng)、乳化、引發(fā)、氧化、還原5 個單元，可獨立同步進(jìn)行，單元運行如圖6所示。

3）操作步驟運行顯示

在操作流程中，顯示了每一步驟的執(zhí)行情況，如圖中“開始乳化加水”已完成，正在運行“乳化加水”，后面的步驟為等待執(zhí)行狀態(tài)，按順序執(zhí)行。

5 達(dá)到的效果

5.1 調(diào)試簡單

面板化調(diào)試操作畫面，操作簡單直觀，當(dāng)各功能根據(jù)面板調(diào)試完成后，即可將Batch直接與其對接，這時再調(diào)試Batch，則會輕松許多，其調(diào)試效率大大提高。

1）加料操作面板

加料面板中設(shè)計了原料選擇、加料量設(shè)定、提前量設(shè)定、實際顯示值和啟停按鈕，自動加料如圖7所示。

圖6 單元運行圖Fig.6 Batch unit running diagram

圖8 自動滴加圖Fig.8 Auto drop diagram

圖9 溫控和轉(zhuǎn)料圖Fig.9 Temperature control and material transfer diagram

2）滴加面板

滴加中設(shè)計了滴加時間、流速設(shè)定、初始開度以及實際重量、運行時間和實際流速，自動滴加如圖8所示。

3）溫控面板和轉(zhuǎn)料面板

溫控面板中包含了升溫、控溫、保溫、冷卻、復(fù)位功能。

轉(zhuǎn)料面板中包含了從聚合反應(yīng)釜到調(diào)節(jié)釜、從聚合反應(yīng)釜到包裝釜，從調(diào)節(jié)釜到包裝釜的3跳路徑選擇，溫控和轉(zhuǎn)料如圖9所示。

圖10 Batch人機(jī)交互圖Fig.10 Batch HMI diagram

4）顯示在線運行配方

Batch運行的配方在操作畫面上顯示，直觀地展現(xiàn)了各單元的生產(chǎn)情況；Batch人機(jī)交互如圖10所示。

5.2 控制精確

1）滴加控制

當(dāng)反應(yīng)釜溫度接近反應(yīng)溫度時，程序需進(jìn)行判斷其反應(yīng)是否開始，如果判斷已經(jīng)開始，則：

◇ 控溫開始：打開循環(huán)冷卻水調(diào)節(jié)閥，Batch傳遞該生產(chǎn)配方的相關(guān)溫度參數(shù)至該溫控PID，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

◇ 滴加開始：滴加催化劑/乳化劑，滴加函數(shù)開始運行，控制滴加的初始加入速度，待滴加順暢后，根據(jù)滴加函數(shù)自動調(diào)節(jié)滴加閥門，控制滴加的平穩(wěn)性，確保在規(guī)定時間滴加規(guī)定的滴加量。

滴加需考慮的因素有滴加罐內(nèi)物料重量的下降速率與設(shè)定的下降速率形成的函數(shù)關(guān)系、閥門的特性、外部的干擾等，滴加平穩(wěn)性的好壞（如：平穩(wěn)勻速滴加），直接影響反應(yīng)釜的溫度；如果滴加平穩(wěn)，則反應(yīng)釜溫度控制也會比較平穩(wěn)；如果滴加出現(xiàn)大幅整蕩，則反應(yīng)釜的溫度也會出現(xiàn)大幅波動，滴加和溫度則相互影響和干擾。

和利時采用Batch和滴加專用功能塊，很好地解決了困擾反應(yīng)釜滴加自動化的問題，滴加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，為反應(yīng)釜的控溫提供了良好的條件。

其滴加曲線如圖11所示。

2）溫度控制

反應(yīng)釜的溫度具有大慣性、大滯后、非線性等特點，一直是精細(xì)化工行業(yè)反應(yīng)釜生產(chǎn)的難點，常規(guī)控制手段都很難達(dá)到其效果：

◇ 采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)，超調(diào)或遲緩?fù)?jīng)常發(fā)生，調(diào)節(jié)閥門也會大開大合，不僅影響溫度的平穩(wěn)性，也影響調(diào)節(jié)閥的使用周期。

◇ 采用串級回路，溫度的平穩(wěn)雖有一定效果，但一旦出現(xiàn)干擾，很難快速恢復(fù)到平穩(wěn)控制階段，致使溫度難于調(diào)節(jié)，無法滿足工藝的要求。

圖11 滴加曲線圖Fig.11 The drop curve diagram

圖12 溫度控制曲線圖Fig.12 Temprature control curve diagram

◇ 采用模糊控制，雖然能解決一些問題，比如產(chǎn)品、參數(shù)、工況等相對固定的情況，則有很好的使用效果，但一旦某一參數(shù)出現(xiàn)變化，比如循環(huán)水在夏天和冬天的溫度差異，則會影響其使用效果。

由于反應(yīng)釜溫度難以采用單一手段來達(dá)到很好的控制效果，而溫度控制的好壞不僅影響反應(yīng)效率、產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)的安全等方方面面，比如：溫度超溫過大，則容易導(dǎo)致溫度積聚，造成反應(yīng)顆粒過大、粘鍋等情況，嚴(yán)重地將造成反應(yīng)釜溢出、發(fā)生爆炸等；溫度負(fù)偏離過大，使反應(yīng)變慢或停止反應(yīng)，將造成產(chǎn)出量低、反應(yīng)不完全、品質(zhì)不達(dá)標(biāo)等情況。

和利時為了解決這一溫控問題，采用Batch和溫控專用功能塊，通過反應(yīng)釜溫度區(qū)間、變化率、循環(huán)水溫度等進(jìn)行建模，根據(jù)溫度變化率、實際溫度、循環(huán)水溫度等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)自適應(yīng)，自動尋找最優(yōu)的閥門調(diào)節(jié)值，解決了反應(yīng)釜溫度控制的平穩(wěn)性問題，結(jié)合生產(chǎn)過程中的實際工況、配方參數(shù)、經(jīng)驗值等，最終實現(xiàn)了各配方產(chǎn)品的溫度平穩(wěn)控制，達(dá)到了生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度控制精度要求高的這一目的。

溫度控制的效果如圖12所示。

6 結(jié)論

在DCS系統(tǒng)里集成了以加料、滴加、溫控等關(guān)鍵控制點的功能塊和操作面板，根據(jù)不同的顯示界面直觀顯示相關(guān)的功能信息，規(guī)則統(tǒng)一，可復(fù)制性強(qiáng)，易用性好，便于用戶的操作。

丙烯酸樹脂類型生產(chǎn)企業(yè)一般都基于同樣的生產(chǎn)裝置根據(jù)不同的批次或產(chǎn)品方便地調(diào)整自動控制需要，Batch控制配方滿足這樣要求的批量過程，具有非常高的靈活性。配方的靈活性組合給用戶生產(chǎn)帶來了許多優(yōu)勢：

1）提高生產(chǎn)效率，收集單元設(shè)備使用信息，仲裁占用沖突，提高了設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)周期。

2）滴加和溫度控制更加平穩(wěn)，不僅穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，也提高了生產(chǎn)靈活度，并為提高質(zhì)量找到了優(yōu)化和完善等方法和手段。

3）保障生產(chǎn)安全，預(yù)防生產(chǎn)事故，完善的單元設(shè)備監(jiān)管、異常檢測、報警和流程確認(rèn)機(jī)制，操作可追溯。

4）掌握生產(chǎn)批次信息在線SFC流程實時顯示，批次完成后自動生成批次報表信息。

5）最小化生產(chǎn)成本，生產(chǎn)可重復(fù)性高嚴(yán)格按照組態(tài)流程自動監(jiān)控執(zhí)行，人工干預(yù)少，生產(chǎn)可重復(fù)性高。