基于DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聚乙烯產(chǎn)品接收罐填充率軟測(cè)量的研究與應(yīng)用

張雪鋒 王科

（中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017302）

0.引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代化工企業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，各種控制系統(tǒng)的使用使得企業(yè)在提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性及安全性的同時(shí)大大降低人力成本，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，伴隨著年輕人擇業(yè)觀的改變，化工行業(yè)人員流動(dòng)也越來(lái)越大。關(guān)鍵崗位有著豐富經(jīng)驗(yàn)的員工的離職在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，雖然利用專業(yè)培訓(xùn)、加強(qiáng)管理等措施能夠在一定程度上緩解這種影響，但是企業(yè)必然承擔(dān)培養(yǎng)新人過(guò)程付出的代價(jià)，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)新的問(wèn)題。如何降低甚至消除人員流動(dòng)對(duì)于生產(chǎn)的影響？越來(lái)越多的企業(yè)管理者將視線投向自動(dòng)化控制方向，探索和嘗試?yán)眉夹g(shù)手段有效地解決這些問(wèn)題。

這種變化對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，DCS結(jié)合APC成為目前化工企業(yè)提高裝置自動(dòng)化水平的首要選擇。APC需要額外增加投資，并且多數(shù)企業(yè)只能通過(guò)購(gòu)買服務(wù)商的后續(xù)服務(wù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)維護(hù)。相對(duì)于APC，企業(yè)技術(shù)人員對(duì)DCS掌握程度更高，擁有自主解決問(wèn)題的能力。某廠聚乙烯裝置工藝及自控技術(shù)人員根據(jù)工藝生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)深入研究DCS系統(tǒng)功能在DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了PC罐填充率軟測(cè)量，有效地輔助操作人員操作是對(duì)高效利用DCS輔助工藝操作人員操作的一次成功探索。

1.聚乙烯部分工藝流程簡(jiǎn)介

1.1 反應(yīng)回路

某廠聚乙烯裝置工藝采用美國(guó)Univation公司的Unipol氣相法流化床工藝技術(shù)，該工藝技術(shù)成熟在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。流化床反應(yīng)器通常在2.15MPa的壓力和大約85℃的溫度條件下發(fā)生聚合反應(yīng)，通過(guò)循環(huán)氣在反應(yīng)器外部冷卻循環(huán)使反應(yīng)床流化，同時(shí)除去反應(yīng)熱。催化劑和精制的原料(乙烯、1-丁烯或1-己烯和氫氣)連續(xù)被送入反應(yīng)器，樹(shù)脂間歇地從反應(yīng)器排入產(chǎn)品排料系統(tǒng)(PDS)（C-4101/ C-4106）。

1.2 產(chǎn)品排料系統(tǒng)（PDS）

反應(yīng)器有兩套產(chǎn)品排料系統(tǒng)(PDS)，用于將產(chǎn)品排出反應(yīng)器。正常情況下，兩套排料系統(tǒng)以交替模式進(jìn)行操作，交替地向每套系統(tǒng)內(nèi)排放粉料。每套排料系統(tǒng)由一個(gè)產(chǎn)品出料罐（PC罐）(C-4101/C-4106)和一個(gè)產(chǎn)品吹出罐（PBT罐）(C-4103/C-4108)組成，粉料和反應(yīng)氣間歇地從反應(yīng)器排入產(chǎn)品出料罐并得到分離。粉料依靠重力從產(chǎn)品出料罐中落到產(chǎn)品吹出罐中，再?gòu)漠a(chǎn)品吹出罐中輸送到樹(shù)脂脫氣倉(cāng)(C-5009)中。

1.3 產(chǎn)品排料系統(tǒng)運(yùn)行難點(diǎn)分析

PDS運(yùn)行時(shí)操作人員通過(guò)設(shè)定進(jìn)入PC罐的閥門（B閥）的開(kāi)啟時(shí)間控制每次排料的數(shù)量，B閥開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)，粉料進(jìn)入PC罐的量多，反之，粉料進(jìn)入量少。粉料堆積過(guò)多，容易結(jié)塊，排料時(shí)可能會(huì)卡住排料閥門造成整個(gè)排料過(guò)程的終止。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，反應(yīng)器就不得進(jìn)行降負(fù)荷甚至停車進(jìn)行處理。B閥開(kāi)啟時(shí)間短，粉料進(jìn)入PC罐的量少，每次排的粉料就少，PDS排料效率低，并且閥門動(dòng)作頻率增加會(huì)大大降低閥門的使用壽命[1]。操作人員通過(guò)估算PC罐填充率設(shè)置B閥的開(kāi)啟時(shí)間，保證每次排的粉料量比較恰當(dāng)，確保PDS穩(wěn)定高效運(yùn)行。但人工估算填充率易出錯(cuò)、誤差大，對(duì)操作人員的能力和經(jīng)驗(yàn)要求比較高。在DCS中實(shí)現(xiàn)PC罐填充率軟測(cè)量，可以有效地解決這個(gè)難題。

2.PC罐填充率的分析與計(jì)算

2.1 總體思路

PC罐的填充率無(wú)法像溫度、壓力等參數(shù)一樣使用測(cè)量?jī)x表測(cè)量，實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算出來(lái)的軟儀表參數(shù)，它表征了粉料樹(shù)脂在PC罐的填充情況。填充率是單次PC罐的排出粉料體積占PC罐容積的百分比，由于PC罐容積是一個(gè)固定的值，只需要計(jì)算出單次排出粉料體積就可以得出PC罐填充率。實(shí)際生產(chǎn)中取單位時(shí)間內(nèi)的PC罐填充率的平均值作為參考，本文中后面所說(shuō)填充率均為填充率的平均值。通過(guò)反應(yīng)器—PDS物料平衡模型及單位時(shí)間內(nèi)PDS排料次數(shù)，計(jì)算出PC罐平均單次出料量，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室粉料堆密度計(jì)算出PC罐粉料體積，最終計(jì)算出PC罐填充率。

2.2 反應(yīng)器—PDS物料衡算算式的建立

反應(yīng)器—PDS作為一個(gè)整體是一個(gè)敞開(kāi)體系，進(jìn)入體系的物料量與離開(kāi)體系的物料量是相等的。忽略微小量的進(jìn)入物料，進(jìn)入體系物料量可以近似取流入反應(yīng)器的主物料量（乙烯和共聚單體的量）。同樣，忽略微小量的排出物料，離開(kāi)體系的物料量近似取PDS出料量（PC罐平均每次出料量與出料次數(shù)之積）。故周期時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器—PDS物料衡算算式表示為

上式中：F1為實(shí)測(cè)的乙烯流量（FI4001-1），單位kg/h；F2為實(shí)測(cè)的共聚單體流量（FI4001-8），單位kg/h；T為選定計(jì)算周期；為PC罐平均單次出料量；n為PC罐周期時(shí)間內(nèi)兩條出料腿出料次數(shù)之和。

2.3 PC罐平均單次出料量方程

根據(jù)反應(yīng)器—PDS物料衡算算式，可以得到PC罐平均單次出料量的計(jì)算方程如

實(shí)際計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)便運(yùn)算，T取1h，故方程（2）可以簡(jiǎn)化為：

2.4 PC罐平均單次排出粉料體積方程

根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量、密度、體積之間的物理關(guān)系，結(jié)合式（3）可以推導(dǎo)出PC罐平均排出粉料體積方程為：

上式中：ρ為實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的粉料堆密度，單位kg/m3；為PC罐平均單次排出粉料體積。

2.5 PC罐填充率方程

根據(jù)填充率是粉料體積占PC罐容積的百分比，本例中兩套排料系統(tǒng)的PC罐容積均為5.08m3，結(jié)合方程（4）可以推導(dǎo)出PC罐平均填充率方程為：

上式中：Peff為PC罐填充率。

3.相關(guān)控制系統(tǒng)介紹

聚乙烯裝置基本過(guò)程控制是由DCS實(shí)現(xiàn)的，PC罐填充率計(jì)算所需要的乙烯流量和共聚單體流量在DCS中完成測(cè)量及數(shù)據(jù)處理。DCS選用的是美國(guó)霍尼韋爾公司的Experion PKS 300產(chǎn)品，該產(chǎn)品使用圖形化的組態(tài)編程技術(shù)，擁有豐富控制功能塊庫(kù)，可以完成復(fù)雜的過(guò)程控制和計(jì)算，易于學(xué)習(xí)和掌握。

PDS主要過(guò)程控制是產(chǎn)品的出料控制，具有順序控制的特點(diǎn)，選用的是德國(guó)西門子公司S7400H系列產(chǎn)品，具有程序掃描周期短、編程靈活、穩(wěn)定性高、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。PLC系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus方式傳輸?shù)紻CS中。

4.PC罐填充率組態(tài)

根據(jù)DCS與PLC系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合該廠自控技術(shù)人員對(duì)兩套控制系統(tǒng)的技術(shù)掌握情況決定在DCS中實(shí)現(xiàn)PC罐填充率軟測(cè)量。PC罐填充率DCS組態(tài)可以分為3個(gè)部分，包括周期計(jì)時(shí)態(tài)、排料次數(shù)計(jì)數(shù)以及平均填充率的程序組態(tài)，其中周期自動(dòng)計(jì)時(shí)（單位時(shí)間）和排料次數(shù)計(jì)數(shù)是填充率DCS組態(tài)過(guò)程中的兩個(gè)難點(diǎn)。下文將對(duì)詳細(xì)的組態(tài)過(guò)程進(jìn)行介紹。

4.1 周期計(jì)時(shí)程序組態(tài)

圍繞PKS 300系統(tǒng)功能塊庫(kù)中的TIMER功能塊定時(shí)功能，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)周期計(jì)時(shí)的程序，基本設(shè)計(jì)思路是：TIMER功能塊計(jì)時(shí)輸出對(duì)其自身進(jìn)行復(fù)位，延時(shí)一定時(shí)間后，自行啟動(dòng)計(jì)時(shí)器進(jìn)行下一周期計(jì)時(shí)。

具體實(shí)現(xiàn)方法：將TIMER功能塊的參數(shù)TIMERBASE（時(shí)間基準(zhǔn)）設(shè)定為MINUTES（分鐘），參數(shù)SP（設(shè)定值）設(shè)定周期時(shí)間，周期時(shí)間可以任意設(shè)定，但是本例為了計(jì)算簡(jiǎn)便周期時(shí)間設(shè)定60min即1h。為了實(shí)現(xiàn)初始手動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)功能，在設(shè)計(jì)TIMER功能塊的啟動(dòng)命令時(shí)，將TIMER功能塊的輸出狀態(tài)參數(shù)（SO）與手動(dòng)啟動(dòng)按鈕做“或”邏輯處理，其結(jié)果再經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖（PULSE）處理與TIMER功能塊的啟動(dòng)引腳（STARTFL）相連；將TIMER功能塊的輸出狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過(guò)一個(gè)PULSE處理后與其復(fù)位引腳（RESETFL）相連，實(shí)現(xiàn)周期的計(jì)時(shí)器復(fù)位和啟動(dòng)。

組態(tài)注意事項(xiàng)：TIMER功能塊RESETFL命令執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高于STARTFL，周期計(jì)時(shí)程序中命令執(zhí)行的邏輯順序是先復(fù)位再啟動(dòng)，并且因?yàn)镻KS300系統(tǒng)程序執(zhí)行與各功能塊執(zhí)行次序緊密相關(guān)，所以復(fù)位脈沖功能塊的執(zhí)行次序數(shù)要小于啟動(dòng)脈沖功能塊。

4.2 排料次數(shù)計(jì)數(shù)的程序組態(tài)

PDS排料工作時(shí)，對(duì)于每條排料腿而言滿足條件后PC罐與PBT罐之間的出料閥門會(huì)打開(kāi)，粉料依靠重力從PC罐中落到PBT罐中，每一個(gè)排料周期都如此。因此可以選擇計(jì)時(shí)周期內(nèi)出料閥的開(kāi)的次數(shù)作為 PDS在排料次數(shù)計(jì)數(shù)的標(biāo)志。設(shè)法實(shí)現(xiàn)每次出料閥開(kāi)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)程序組態(tài)就可以了。

組態(tài)編程使用的主要功能塊及其作用：TYPECOVERT（數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換塊）將從PDS的PLC系統(tǒng)通訊到DCS的閥門開(kāi)信號(hào)由枚舉量轉(zhuǎn)換為布爾量。RTRIG（上升沿檢測(cè)塊）將轉(zhuǎn)換為布爾量的閥門開(kāi)信號(hào)進(jìn)行上升脈沖化處理，其輸出作為計(jì)數(shù)功能塊的輸入。CTUD（上升/下降計(jì)數(shù)功能塊）與本文4.1周期計(jì)數(shù)程序的輸出結(jié)合完成周期脈沖計(jì)數(shù)，其輸出結(jié)果即為PDS出料腿單位時(shí)間內(nèi)的排料次數(shù)。

具體實(shí)現(xiàn)方法，以KV4101-D所在排料腿PC罐單位時(shí)間出料次數(shù)程序組態(tài)編程為例：（1）通訊到DCS的閥門開(kāi)信號(hào)由枚舉量轉(zhuǎn)換為布爾量從DCS功能塊庫(kù)中選擇一個(gè)TYPECOVERT塊，其輸入?yún)?shù)設(shè)為230KV4101_1D_O，其輸出參數(shù)設(shè)置為UINIT（無(wú)符號(hào)整形數(shù)）；再選擇一個(gè)TYPECOVERT塊，其輸入與前一個(gè)TYPECOVERT塊的輸出相連，其輸出參數(shù)設(shè)置為BOOLEAN（布爾量）并作為一個(gè)FLAG塊（標(biāo)志量）的輸入?yún)?shù)，為后續(xù)計(jì)數(shù)編程做準(zhǔn)備。（2）從DCS功能塊庫(kù)中選擇一個(gè)RTRIG（上升沿檢測(cè)）功能塊，將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換后的KV4101-1D閥開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志量鏈接到該RTRIG功能塊的輸入?yún)?shù)引腳，實(shí)現(xiàn)閥每開(kāi)一次輸出一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為t(t為DCS系統(tǒng)的一個(gè)程序執(zhí)行周期時(shí)長(zhǎng))的上升脈沖。將RTRIG功能塊的輸出連接到CTUD的CNTUPFL參數(shù)引腳，再將本文4.1周期計(jì)時(shí)程序的輸出經(jīng)過(guò)脈沖化處理連接到CTUD的RESETFL參數(shù)引腳上，即可實(shí)現(xiàn)KV4101-D所在排料腿每小時(shí)排料次數(shù)的計(jì)數(shù)程序組態(tài)。

組態(tài)注意事項(xiàng)：（1）由于本例中PDS有兩條出料腿，另外一條腿的排料次數(shù)程序組態(tài)方法與上述方法一致。（2）PKS 300 組態(tài)時(shí)可以直接調(diào)用的通信程序中的數(shù)據(jù)，但是閥門狀態(tài)在調(diào)用時(shí)為枚舉量數(shù)據(jù)，所以必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

4.3 填充率的計(jì)算程序組態(tài)

填充率計(jì)算程序組態(tài)使用功能塊庫(kù)中的AUXCALAC（輔助計(jì)算）塊，該功能塊編寫(xiě)最多8個(gè)表達(dá)式來(lái)計(jì)算PV值，為了程序的可讀性高，本例使用3個(gè)表達(dá)式完成填充率的計(jì)算。

組態(tài)注意事項(xiàng)：（1）需要注意將全部的PC罐排料次數(shù)均連接到輔助計(jì)算功能塊上，進(jìn)行求和計(jì)算后，再代入填充率計(jì)算式中。（2）應(yīng)確保各參數(shù)單位的正確性，通常密度單位kg/m3，所以乙烯及共聚單體流量單位應(yīng)為kg/h，如果單位不同需要進(jìn)行單位換算。

5.結(jié)語(yǔ)

為了降低實(shí)施的難度，本文在聚乙烯裝置PC罐填充率軟測(cè)量的研究過(guò)程中使用了多處近似處理，因而測(cè)量結(jié)果近似于實(shí)際填充率。PC罐填充率軟測(cè)量在DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，工藝操作人員不需要人工計(jì)算填充率，不僅能夠降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠提高PDS的工作效率，降低能耗。

基于DCS完成工藝參數(shù)的軟測(cè)量是充分利用DCS的數(shù)據(jù)處理功能解決工藝生產(chǎn)難題、輔助工藝生產(chǎn)的有益嘗試，采用PC罐填充率軟測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法，該廠工藝及自控技術(shù)人員此后陸續(xù)完成了聚丙烯/聚乙烯裝置廢三乙基鋁罐三乙基鋁濃度測(cè)量、甲醇制烯烴裝置原料純度測(cè)量等多項(xiàng)輔助生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)的軟測(cè)量。綜上所述，基于DCS完成工藝參數(shù)的軟測(cè)量應(yīng)用效果顯著，且不需要額外增加設(shè)備、購(gòu)買服務(wù)，可節(jié)省大量投資，因而筆者認(rèn)為具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。