基于丙烯液相聚合反應設計的計算機控制系統

[摘 要] 針對丙烯液相聚合反應裝置，利用在線測控儀表、可編程控制器、工業計算機及組態軟件構建計算機控制系統。該系統具有在線監控、自動控制、系統管理等功能，并具有模塊化組合結構，使用靈活方便，性能穩定，直觀性強，可應用于科研和實際生產。

[關鍵詞] 計算機控制系統 可編程控制器 自動控制 聚合反應

目前國內聚丙烯裝置一般采用的是“間歇液相本體法”工藝，該工藝具有工藝流程簡單、投資少、見效快的特點。但是原來采用電Ⅲ型調節器控制聚合反應溫度和壓力，由于聚合反應機理復雜，各種條件如丙烯濃度、催化劑類型、添加數量、循環熱水壓力、溫度、流量的變化，反應有較大的時變性非線性、延時性。采用簡單的PID調節根本不可能實現自動控制。幾年來，一直采用人工手動控制，工人的勞動強度大，控制水平質量比較低。根據這一情況，我們對控制系統進行了改造，利用在線測控儀表、工業專用計算機及組態軟件構建計算機控制系統。該系統具有模塊化組合結構，使用靈活方便，性能穩定，直觀性強，目前用于理論研究，效果良好，為實現聚丙烯生產的工業化自動控制奠定了基礎。

一、聚丙烯反應釜工藝流程簡介

本體法聚丙烯生產裝置工藝流程如圖1所示，此聚合反應可分為4個階段:

1.升溫階段

由于整個反應是間歇式的，在加熱前必須重新向聚合釜中投放物料和催化劑。投放完畢打開熱水閥，將循環熱水打入反應釜夾套中進行加熱升溫，以便誘導聚合反應，當聚合釜內溫度升至60℃時應注意加熱水的流量。

2.過渡階段

當釜內溫度升至60℃時，聚合反應開始，進入放熱過程，該階段的反應極為敏感，許多干擾極有可能造成超溫或過度冷卻而轉型的工況:如(1)活化劑質量不穩定，使反應初期的放熱量極不穩定；(2)冷卻水過早地切入，則會導致冷卻過度，激落已經開始的反應，發生工程上俗稱的“感冒”現象；(3)熱水溫度較高，流量過大，升溫速率過快，當熱水停止循環后，釜溫仍急劇上升。這一階段在整個反應過程中極為重要，它是整個聚合反應能否獲得高質量產品的關鍵，假如升溫過慢，產品質量會降低，升溫過快，釜內溫度會難以控制。

3.恒溫階段

在第2階段中溫度平穩上升，當溫度升至74±2℃，釜壓為3.4±0.1 MP點后，便開始恒溫控制，約經過4--5小時反應過程結束。

4.結束階段

釜內反應結束后，釜壓開始明顯下降，反應終止，全流量切入冷水，進行產品回收。

二、系統構建

聚合反應裝置的計算機控制系統主要由在線測控儀表、下位機（PLC）、上位機等構成。

1.在線測控儀表

在線測控儀表實時測量裝置的重要參數并執行下位機的控制命令。根據設計目的，該系統通過采集模擬量信號，控制調節閥。反應溫度由一體化鉑電阻測量，反應壓力由差壓變送器測量變送。

2.下位機

下位機即PLC控制站.主要對在線檢測儀表的信號進行實時采集、處理、運算及控制。該功能的實現分別由相應的軟硬件實現。下位機硬件采用S7-200系列PLC，編程軟件采用采用C++for Windows編程，運行于中文Windows 2000環境下，界面友好，操作簡便。在上位機上編制，并下載到下位機CPU處理器模塊中運行。

3.上位機

上位機主要起定時數據記錄、在線監控、系統管理等作用。硬件選用工業專用計算機一IPC，軟件采用Kingview6.5版組態工軟件，根據對象特點與要求，按組態規則進行畫面控制、系統等組態，生成形象逼真、生動具體、便于觀察計算機在線監控系統與自動控制系統界面。系統主畫面圖主要包括六個模塊:工藝控制流程圖、報警信息窗口、閥的開關狀態顯示，測量值棒圖顯示及系統功能模塊。

(1)工藝控制流程圖模塊

在圖中的左上側為聚丙烯反應釜工藝流程圖，控制器為一臺工控機，其輸出控制熱水閥和冷水閥的開度，即采用分程控制方案，對應的電磁閥與冷熱水閥同步動作，控制器為反作用控制，熱冷水調節閥分別采用氣開、氣關形式，其動作方式如圖2所示。

(2)報警信息窗口模塊

在系統主畫面圖中的右上角，設置了報警信息裝置，時刻跟蹤反應釜內的溫度、壓力這兩個測量值。當溫度或壓力超限時，發生報警，窗口內的“O”變為紅色，并發出嗡嗡的轟鳴聲，其報警信息分別為“溫度過高”、“溫度過低”、“壓力超高”、“壓力過低”；當測量值在所限定范圍之內時，窗口內的“O”為無色，報警信息為空白。

(3)閥的開關狀態顯示模塊

如圖2示，當閥打開時，其相應的“ON”欄內的“O”為紅色，“OFF”欄內的“O”為白色，當閥為關閉狀態時，其相應的“ON”欄內的“O”為白色，“OFF”欄內的“O”為紅色。

(4)測量值棒圖顯示模塊

為了更加動態的顯示一些重要測量值的量化情況，加入了棒圖顯示的方式。在反應過程中，方框內的紅色液柱隨著釜溫、釜壓、熱水溫、冷水溫的高低而上下變化，同時在棒圖的左側顯示相應的測量值，為設計增添了動態感，同時也便于觀察。

三、控制方案

根據聚合反應的工藝要求，通過溫度控制系統來實現整個聚合過程的自動控制。溫度控制系統是一個簡單控制系統。該系統是將100熱電阻溫度計插入反應釜內攪拌區，測量溫度。由外加恒溫槽，并通過調節進出夾套水的溫度來控制反應溫度(控制精度在±2℃)，即構成以反應釜內溫度為被控變量，以進出夾套水溫度為操縱變量的溫度定值控制系統。圖2所示為系統結構圖，圖3為閥的分程示意圖。通過此控制曲線，調節自動控制中控制器各參數，以便反應能夠正常進行。

四、系統特點

計算機在線監控技術及自動控制技術用于該套聚丙烯聚合反應裝置中，具有模塊化組合結構，使用靈活方便，性能穩定，直觀性強。其下位機卡件采用模塊化設計，便于系統構建與組態；控制程序采用模塊化設計，便于各個模塊的編程與調試；在線記錄、保存信息具有實時性，不僅可杜絕手工記錄的可能差錯，正確進行數據處理，而且便于事后檢查和分析指導；功能強大的組態軟件可組態豐富細膩的流程圖、實時趨勢、控制畫面，顯示更加直觀，生動具體，便于觀察；該計算機控制系統不僅具有通用性，而且具有開放性，能方便地與一些專業的計算機應用程序掛接，滿足特定的需要。

五、結束語

控制方案經實驗室調試后投入運行，運行效果良好。控制系統的升溫過程穩定平滑，特別是過渡段的60℃-74℃中間平穩兩端過渡轉換沒有太大波動，恒溫過程溫度控制在2℃以內達到了預期效果，其社會經濟效益顯著。

參考文獻：

[1]王國海:可編程序控制器及其應用[M]．北京:中國勞動社會保障出版社，2001

[2]梁 波 趙吉良 梁清華:SLPC在丙烯聚合過程控制中的應用[J].遼寧工學院學報，1996，16(1):48～501

[3]奏家忠 段天平 麥燕萍:DCS集散控制在間隙式液相本體聚丙烯裝置上的應用[J].天然氣與石油，2001，19(2):38～401

[4]王驥程:化工過程控制工程[M].北京：:北學工業出版社，1981

[5]謝佑國 徐菊美 曹硯君等:計算機在線監控技術在工程類實驗教學裝置上的應用[J].實驗室研究與探索，2005，24(4):43～47

[6]張萬忠:可編程控制器應用技術[M]．北京:化學工業出版社，2002