廖友輝(1972-)男，湖南湘鄉(xiāng)人，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司任DCS系統(tǒng)項目經(jīng)理，主要從事DCS工程的實施、應(yīng)用以及實際控制方案的探索。   

　
 


　 摘要：丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂生產(chǎn)工藝是精細化工生產(chǎn)中比較難于控制的裝置，是比較典型的批量控制生產(chǎn)方式。單純的采用某種控制模式或單個步驟采用特殊的控制設(shè)備，不利于整個項目的集中管理和優(yōu)化控制。采用和利時公司的HOLLiAS MACS系統(tǒng)對整個生產(chǎn)流程進行配方管理和集中控制，且運用HOLLiAS MAC系統(tǒng)的靈活性和開放性實現(xiàn)了釜式反應(yīng)的自動控制，提高了釜式反應(yīng)的自動化程度，降低了釜式反應(yīng)對各種控制軟件包的依賴。從而使釜式反應(yīng)的自動控制變得更加簡便，節(jié)約項目的時間和成本，降低了員工的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

　　關(guān)鍵詞：順序功能圖;批量控制;配方管理;丙烯酸樹脂

　　Abstract: The Crylic acid resin producing procedure, typically the batch control method, is hard to control in the fine chemistry industry. If adopting single process control model or special control devices used in some process steps, it would be not good to the whole project’s concentrating manage and optimizing control. Hollias Macs control system is applied here, which can achieve the concentrating manage, the optimizing control of the whole process line. and the automatic control of the chemical reaction in reactor. The system has high flexibility of system and opening features, therefore, greatly improves the automatization degree of batch control in chemical reactor without help of another control software pack. The design makes Hollias Macs control system in chemical reactor easy and simply, which reduces working intensity of the operator, improves the product efficiency.

　　Key words: SFC;Batch Control;Recipe Manage;crylic acid resin

　　1 工藝簡介

　　浙江山特萊德化工有限公司是全球有影響力的丙烯酸漿料/丙烯酸樹脂生產(chǎn)型企業(yè)，主要以生產(chǎn)丙烯酸及其丙烯酸酯漿料、丙烯酸酯樹脂等丙烯酸類下游產(chǎn)品，其中丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂等丙烯酸類相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)量占國內(nèi)的60%以上，是國內(nèi)丙烯酸樹脂及其丙烯酸水性涂料的龍頭企業(yè)。

　　丙烯酸酯漿料、丙烯酸酯樹脂分別采用乳液聚合和懸浮聚合法生產(chǎn)，它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：

　　1.1 品種的多樣性

　　在同一個反應(yīng)釜里，可以選擇不同的配方(Recipe)，通過選擇的配方加入不同的原料或控制其進料量的多少，來改變其反應(yīng)的特性，以達到生產(chǎn)不同產(chǎn)品的目的。

　　1.2 不同的反應(yīng)時間和反應(yīng)條件

　　所選擇的配方不同，配方管理表單中有不同的反應(yīng)時間和反應(yīng)條件，從而使反應(yīng)釜根據(jù)選擇的條件進行生產(chǎn)，達到生產(chǎn)不同品種的目的。

　　1.3 操作的勞動強度、復(fù)雜性較大

　　一個反應(yīng)過程從配料到反應(yīng)結(jié)束，其時間有10個小時左右;如果完全靠現(xiàn)場操作，則操作人員的勞動強度大，操作復(fù)雜，容易造成操作失誤等;如果在DCS界面手動操作，則操作人員忙于進行畫面切換、操作設(shè)備的切換，容易產(chǎn)生疲勞導(dǎo)致操作失誤。

　　1.4 反應(yīng)的危險性

　　由工藝條件決定在反應(yīng)過程中同時要滴入一定的催化劑以加速和引發(fā)其反應(yīng);因為丙烯酸漿料/丙烯酸樹脂分別屬于乳液聚合和懸浮聚合反應(yīng)，這一反應(yīng)過程如果失控，將造成反應(yīng)釜溫度超高，溫度超高就會引起反應(yīng)急劇加速，這一過程失控則容易引起暴聚、溢鍋。

　　本裝置中存在的這些特殊性和危險性，對自動控制系統(tǒng)的性能和要求提出了更高的標準;如何實現(xiàn)整個車間全自動生產(chǎn)：包括復(fù)雜多配方管理、溫度精確控制等全自動的實現(xiàn)，對國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的可靠性、靈活性、軟件編程語言、工程實施等方面是一個考驗，也是一次提升。

　　2 國內(nèi)該類裝置控制目前的狀況

　　從目前國內(nèi)的大部分該類型裝置來說，主要以選擇國外DCS廠家為主，吉化、上海石化、寧波等廠家都采用了國外的DCS系統(tǒng)。由于國內(nèi)DCS廠商基本都沒有批量軟件包，多配方管理一直是國內(nèi)DCS廠商不敢涉及的方面。對于釜式反應(yīng)的溫度控制高要求，國內(nèi)大部分廠家積累的經(jīng)驗并不多，所以間歇生產(chǎn)的反應(yīng)溫度超調(diào)、遲緩等難于控制是普遍存在的狀況。

　　本項目通過和利時公司和浙江山特萊德工藝專家的反復(fù)深入探討，對整個生產(chǎn)過程進行了全面的分析和解剖，以工藝為軸線，進而提煉、把握其控制的關(guān)鍵點。提出了一種多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控、平穩(wěn)勻速滴加的控制方案，根據(jù)反應(yīng)過程的溫度趨勢來判斷反應(yīng)過程的進展程度，然后，通過控制反應(yīng)釜外盤管冷卻循環(huán)水的大小，來實現(xiàn)溫度的精細化、梯度化控制，解決反應(yīng)釜反應(yīng)溫度超標的難題，并最終實現(xiàn)了取消冷凍鹽水、控制冷卻循環(huán)水水量即實現(xiàn)對溫度的平穩(wěn)控制。

　　3 控制方案和配方管理設(shè)計思路

　　3.1 配方管理設(shè)計思路

　　為了體現(xiàn)丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂對在單個反應(yīng)釜具有生產(chǎn)多品種的生產(chǎn)工藝特點和現(xiàn)場控制要求這一特性，通過HOLLiAS MACS系統(tǒng)的人機界面軟件(FacView)設(shè)計了反應(yīng)釜的配方管理程序，將系統(tǒng)要求完成的配方(包括品名、進料單體名稱、進料量、相關(guān)控制參數(shù))保存為Excel表單DBF格式，操作人員可通過在畫面上選擇相應(yīng)的配方(品名)，實現(xiàn)對Excel表單相應(yīng)參數(shù)的顯示、修改、下傳等功能，達到自動實現(xiàn)配方管理的目的。

　　配方的管理，包括：品名、原料、工藝參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的修改及其保存的方式。

　　配方(品名)的修改、選擇、操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據(jù)現(xiàn)場不同的實際生產(chǎn)情況，并在相應(yīng)權(quán)限的許可下，可以進行各種參數(shù)的調(diào)整，滿足生產(chǎn)控制對配方的管理及控制的要求;實時監(jiān)視批量控制程序物料的選擇、品種的選擇及其反參數(shù)的選擇及其修改等配方管理。

　　配方(品名)的存儲方式：配方的保存方式應(yīng)該體現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、鏈接性好、容易查找等特點。采用Excel格式來保存數(shù)據(jù)，不僅能實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的保存，更能直觀地記錄各品名的數(shù)值。

　　3.2 控制方案思路

　　丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂的工藝特點決定了其控制方案的復(fù)雜性，貫穿整個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵點是對溫度穩(wěn)定度的要求，避免溫度的忽高忽低或出現(xiàn)短暫的失控。從工藝情況分析，分成三個階段：原料加畢后升溫、催化劑滴加造成的溫度升高、滴加完畢的保溫;這三個階段溫度控制的好壞，直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)出率。下面分別從這三個階段來討論控制方案的異同點和對生產(chǎn)帶來的效果。

　　3.2.1 升溫控制

　　根據(jù)選擇的配方加完各種原料后，緊接著就是對反應(yīng)釜升溫，使物料達到誘發(fā)反應(yīng)的溫度。在規(guī)定的時間內(nèi)，把溫度升至設(shè)定的溫度點，為了防止出現(xiàn)超溫，設(shè)定溫度的升溫曲線尤為重要，考慮到反應(yīng)釜存在慣性和滯后的問題，設(shè)定的曲線應(yīng)該先快后慢，即先快速升溫一段時間，然后放慢速度升溫，直至溫度接近物料反應(yīng)點的溫度，這種平緩靠近反應(yīng)溫度的做法，使超溫現(xiàn)象問題得以解決。為了防止因為反應(yīng)點的變化，產(chǎn)生突然反應(yīng)的情況，此時在反應(yīng)釜的外盤管已經(jīng)進行冷熱媒的切換，并通入了適當?shù)睦鋮s循環(huán)水防止超溫。其升溫曲線如圖1所示。

　　
圖1 升溫控制曲線和實際溫度曲線

　　3.2.2 滴加控制

　　當溫度達到反應(yīng)溫度時，判斷反應(yīng)是否發(fā)生的依據(jù)是：溫度快速上升，且其斜率曲線較陡;具體則以連續(xù)的3個變化率數(shù)值來判斷，即在連續(xù)5個周期(每個周期為0.5s)內(nèi)取一個變化率值，連續(xù)觀測3個變化率值，如果這個值大于一個定值(此定值由經(jīng)驗所得的最小值)，則可以判斷已經(jīng)發(fā)生反應(yīng);接下來就是迅速把循環(huán)冷卻水調(diào)節(jié)閥開至100%，再通過PID根據(jù)該品種配方設(shè)定的溫度進行自動調(diào)節(jié)。根據(jù)管徑大小及所設(shè)定的滴加完畢的時間進行初始滴加調(diào)節(jié)閥門開度的換算，即在開始滴加的時候其閥門的開度，這樣催化劑的加入速度在開始就能控制得比較平穩(wěn)，在此基礎(chǔ)上進行滴加調(diào)節(jié)、控制，確保整個過程都能按照設(shè)定量加入催化劑。滴加主要是控制計量槽內(nèi)物料重量的下降速率與計算所得的下降速率，調(diào)節(jié)其閥門的大小，滴加的平穩(wěn)性好(平穩(wěn)勻速滴加)，其反應(yīng)釜的溫度控制也比較平穩(wěn)，如果滴加出現(xiàn)大幅整蕩，反應(yīng)釜的溫度也難以控制，且不易穩(wěn)定。其滴加曲線如圖2所示。

　　
圖2 滴加設(shè)定曲線和實際曲線

　　3.2.3 保溫控制

　　滴加結(jié)束接下來進行保溫控制，在設(shè)定的時間內(nèi)保持溫度的穩(wěn)定，要求反應(yīng)釜溫度與設(shè)定溫度基本一致，其誤差為±1℃，溫度的設(shè)定值由配方數(shù)據(jù)表單一起管理，其值隨著配方的不同而相互不一致。為了達到工藝的精確控制要求，采用了多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控的方案來實現(xiàn)溫度的控制。

　　反應(yīng)釜溫度具有滯后、積聚的特點，當溫度出現(xiàn)上升或下降時，如果采用常規(guī)PID回路來調(diào)節(jié)，超調(diào)或遲緩?fù)?jīng)常發(fā)生，致使溫度難于調(diào)節(jié)，無法滿足工藝的要求。經(jīng)過與現(xiàn)場工藝人員的多次溝通、探討了解到，當溫度無論是正向偏離設(shè)定值還是負向偏離設(shè)定值，只要出現(xiàn)變化的趨勢，調(diào)節(jié)閥必須馬上跟著動作，調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)水的大小，以適應(yīng)這種變化，防止溫度隨著正向偏離越來越多產(chǎn)生積聚效應(yīng)，使反應(yīng)急劇放量增快，越往后越往難以控制，即使把冷卻循環(huán)水控制閥開足100%也壓制不住這種積聚反應(yīng)，而該廠老裝置就因為這種原因采用了冷凍鹽水來壓制這種非正常的過快反應(yīng)，否則，將造成反應(yīng)顆粒過大、粘鍋等情況，嚴重的將造成反應(yīng)釜溢出、發(fā)生爆炸等;同時，如果溫度負向偏離的時候，冷卻循環(huán)水控制調(diào)節(jié)偏慢或調(diào)節(jié)幅度偏大，將使反應(yīng)釜溫度負向偏離越來越多，最后反應(yīng)釜因為溫度過低，達不到反應(yīng)的溫度，使反應(yīng)變慢或停止反應(yīng)，這樣將造成產(chǎn)出量低，反應(yīng)不完全，品質(zhì)不能滿足要求。

　　通過對工藝的分析和實際生產(chǎn)的反應(yīng)情況來看，把反應(yīng)釜溫度分為六個階段：

　　● 反應(yīng)釜溫度高于設(shè)定值+0.5，溫度處在上升階段;

　　● 反應(yīng)釜溫度高于設(shè)定值+0.5，溫度處在下降階段;

　　● 反應(yīng)釜溫度低于設(shè)定值-0.5，溫度處在上升階段;

　　● 反應(yīng)釜溫度低于設(shè)定值-0.5，溫度處在下降階段;

　　● 反應(yīng)釜溫度處在設(shè)定值的±0.5范圍之內(nèi)，溫度處在上升階段;

　　● 反應(yīng)釜溫度處在設(shè)定值的±0.5范圍之內(nèi)，溫度處在下降階段。

　　在這個控制過程中，采用了反應(yīng)釜溫度的變化率來控制冷卻循環(huán)水的大小，以冷卻循環(huán)水的溫度作為參考指標，這樣，只要反應(yīng)釜溫度產(chǎn)生正向或負向偏離，冷卻循環(huán)水控制閥就開大或開小，開度變化的大小根據(jù)反應(yīng)釜溫度的變化率、反應(yīng)釜的實際溫度、冷卻循環(huán)水的溫度三個參數(shù)量動態(tài)監(jiān)測、運算，實現(xiàn)自動尋找對應(yīng)的閥門開度值。如圖3所示。這種動態(tài)模型的建立實現(xiàn)了反應(yīng)釜溫度控制穩(wěn)定的第一步，緊接著在調(diào)試過程，摸索各種實際工況的參數(shù)，在生產(chǎn)過程中總結(jié)各種經(jīng)驗值都是至關(guān)重要的，供應(yīng)商與用戶的共同努力下，最終實現(xiàn)了溫度的平穩(wěn)控制，滿足了生產(chǎn)的精確控制要求。

　　
圖3 溫度控制的程序?qū)崿F(xiàn)方式

　　
圖4 溫度設(shè)定曲線和溫度實際曲線

　　多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控模式的自動控制是否能夠順利投入運行，關(guān)鍵在于自動程序是否緊跟現(xiàn)場實際需要，是否很好地理解了其生產(chǎn)工藝特點;如果工藝控制條件的隨意性大，將給編程增加很大的難度，也給經(jīng)驗參數(shù)的摸索帶來一定的困難;經(jīng)過現(xiàn)場兩年的運行證明，其編程思路是可靠的，其控制方案是可行的;多參數(shù)動態(tài)監(jiān)控模式的投入大大降低了操作工人的勞動強度，產(chǎn)品穩(wěn)定性也得到了很大的提高。

　　4 結(jié)語

　　間歇生產(chǎn)的全自動控制由于受工藝、設(shè)備、編程方式等多方面的因素制約，一直是自動控制系統(tǒng)的難點;國外大多數(shù)DCS廠家都是單獨開發(fā)相應(yīng)的批量控制軟件包，并且單獨計算費用。HOLLiAS MACS系統(tǒng)在丙烯酸樹脂項目上的使用，利用其自身具有的靈活性和可靠性，達到了自動控制的要求，為企業(yè)節(jié)約了時間，避免了額外費用的開支。該項目的成功運行為其他間歇式生產(chǎn)提供了可行的編程思路，HOLLiAS MACS系統(tǒng)為間歇生產(chǎn)工藝提供了可靠、靈活的硬件和編程軟件。

　　參考文獻：

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