基于DCS的聚氯乙烯引發劑生產控制系統設計

劉 然 高德欣 曹夢龍

(青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266042)

基于DCS的聚氯乙烯引發劑生產控制系統設計

劉 然 高德欣 曹夢龍

(青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266042)

以浙大中控ECS-100 DCS系統為核心平臺，設計了一套針對聚氯乙烯引發劑安全生產的控制系統。詳細介紹了系統的整體結構、硬件設計、軟件組態和監控界面設計。現場實際運行結果表明：該系統運行穩定、生產安全，達到了規定的工藝要求和指標。

過程控制 DCS 聚氯乙烯引發劑

在聚氯乙烯懸浮聚合生產過程中，引發劑是一種重要的助劑。不同活性的引發劑生產不同型號的PVC樹脂。如何安全、穩定、有效地生產各種類型的引發劑，以滿足日益增長的需求，成為當務之急[1]。由于生產聚氯乙烯引發劑的控制過程相對較為復雜，對所需反應物料的進料量精度和反應釜溫度控制要求較高，所以需要DCS進行整體設計和控制。DCS系統出現在20世紀80年代，如今在化工企業中已得到廣泛應用，它有效提高了企業的生產效率，降低了管理成本，節約了能源消耗，并使化工生產逐漸走向智能化、復雜化、自動化和規模化[2]。隨著計算機與網絡技術的迅猛發展，DCS系統憑借其自身科學性的設計，對化工行業的發展做出了卓越的貢獻[3，4]。

青島某化工企業聚氯乙烯引發劑的生產過程，原來需要現場手動操作，現根據改造升級要求，采用浙大中控ECS-100 DCS系統，對整個控制過程中所需的壓力、液位和流量進行統計和組態，并通過AdvanTrol-Pro監控界面進行監視。針對引發劑反應釜進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，使整個引發劑生產過程更加安全，操作更加簡便。

生產聚氯乙烯可采用數十種引發劑，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種結構類別的引發劑[5]。控制系統工藝說明以過氧化二碳酸雙十六烷基酯(簡稱DCP)在A反應釜的反應生成為例。選定A反應釜DCP配方進行反應，同時默認選定堿液高位槽A、雙氧水高位槽A、氯代酯高位槽A，DCP的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 DCP的生產工藝流程

加軟水清洗反應釜。在執行反應操作之前，應當先將反應釜內壁用軟水進行沖洗，防止前次反應的遺留物在反應釜內結垢，影響以后的生產。清洗前要確保現場手閥開關正確且軟水回流泵工作正常。

加無離子水。對反應釜沖洗完畢后，需向反應釜內加一定量的無離子水(配方，可調)，用于稀釋堿液濃度，并且可以減少聚合反應過程中其他離子對反應物純度的影響。生產過程中對無離子水流量進行流量累計，每次加無離子水完畢后累計量自動清零，確保進料精確。

過氧化鈉合成。打開堿高位槽A出料閥和A反應釜進料閥，向A反應釜內加一定量的堿液(配方，可調)，經過反應釜內無離子水的稀釋，使釜內堿液濃度保持在7%～8%。此時以釜底溫度TE9115A為主環溫度，以釜頂溫度TE9101A為副環溫度進行溫度串級控制，將釜溫維持在設定值(配方，可調)。當堿液進料完畢后，自動關閉堿高位槽A出料閥和A反應釜進料閥，同時打開雙氧水高位槽A出料閥(調節閥閥門開度可調)向反應釜A加一定量雙氧水(配方，可調)，進行過氧化鈉合成。期間釜溫依靠溫度串級控制維持在12℃(配方，可調)，持續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)加入反應釜A中，此時雙氧水高位槽A出料閥自動關閉，氯代酯高位槽A出料閥與調節閥打開，并啟動攪拌電機。反應期間串級控制主回路TIC9101A溫度控制在9℃左右，副回路TICA9101A輸出-20℃冷凍鹽水調節閥開度，保證釜溫穩定，持續反應3h，直至反應結束。

水洗、提純、干燥。反應結束后，手動打開冷凍鹽水閥進行冷卻、降溫，將反應生成物用冷水洗滌過濾得到DCP粗品，于30℃環境下干燥24h，然后用酒精提純制得DCP成品。反應釜A控制流程如圖2所示。

圖2 反應釜A控制流程

2 聚氯乙烯引發劑生產控制系統設計

浙大中控ECS-100 DCS系統是以通信網絡為紐帶，包含過程控制級和過程監視級的計算機控制系統，結合了計算機、控制、通信和顯示4C技術[6，7]。筆者所設計的聚氯乙烯引發劑生產控制系統以ECS-100 DCS系統為開發平臺，其結構包含工廠管理層、過程控制層和現場儀表層3個部分。ECS-100 DCS系統結構如圖3所示。

圖3 ECS-100 DCS系統結構框圖

工廠管理層采用C/S網絡模式，能夠實現實時數據采集、實時報警提示、歷史趨勢及歷史操作查詢等功能。通過管理信息網，廠長辦公室、總工程師辦公室和生產調度室可隨時掌握工廠生產狀況，并完成管理者和各職能科室生產管理報表生成的任務。

過程控制層運用高速冗余工業以太網SCnetII網絡，直接連接上位機操作站和操作目標，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網絡，可使整個信息傳輸通道更加穩定可靠。

現場儀表層包括就地儀表、傳感器、執行電機、變頻器、開關閥和調節閥，用于現場實時參數采集、頻率設定和閥門控制。根據現場所需要采集的點數來決定ECS-100 DCS控制柜中I/O卡件的個數。I/O卡件的功能是將從現場采集的各種模擬量轉換為相應的電信號或數字信號，通過C/S網絡傳送至上位機，上位機再通過符合工藝流程的控制程序計算出控制量，將它下達給現場儀表層中的各個單位執行。

3 聚氯乙烯引發劑生產控制系統硬件設計

對于不同的工程項目，DCS為實現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柜、交流溫控器、卡件機籠、通信接口卡、電源指示卡、數據轉發卡、主控制卡、電源模塊及I/O卡件等。其中卡件機籠、數據轉發卡、主控制卡、電源和I/O卡件是組成控制站不可缺少的部分，其他部分可根據工程需要進行遴選[8，9]。

3.1測點統計與硬件選型

根據聚氯乙烯引發劑生產所需要的點數確定控制系統的規模，即統計該系統中的點數，列出點數列表(表1)，然后以此列表為依據，確定該控制系統所需要的相應卡件數和端子板數目。

表1 聚氯乙烯引發劑生產控制系統點數列表

完成點數統計后，根據實際點數的性質，確定各類I/O卡件的數量，需設計適當的備用點，以便對于重要的信息采集點進行冗余操作。

表1中熱電阻信號點數為26。熱電阻信號可由模擬量輸入卡件FW353(B)采集，FW353(B)卡件通道數為8，即每一個FW353(B)卡件可采集8個熱電阻信號。根據實際統計出的熱電阻信號點數，共需4個FW353(B)卡件，冗余6點作為備用。

表1中模擬量輸入點數共有29個(4～20mA模擬電流信號)，包括壓力、液位、重量和流量信號。這些標準模擬量電流輸入信號可由FW351(B)卡件進行采集，FW351(B)卡件通道數為8，即每一個FW351(B)卡件可采集8個標準模擬量電流輸入信號。根據工藝控制要求，標準模擬量電流輸入信號的采集十分重要，所以需要多預留點數，共采用5塊FW351(B)卡件，冗余11點作為備用。

表1中模擬量輸出點數共有20個(4～20mA模擬電流信號)，主要控制各個調節閥的開度。此類信號可由FW372(B)卡件進行控制。FW372(B)為8路點點隔離型信號輸出卡。本系統采用3塊FW372(B)卡件，冗余4點備用。

表1中數字量輸入點數共有69個，采用FW366(B)卡件進行處理。FW366(B)為16路數字信號輸入卡。依據現場側的需求，共需要5塊FW366(B)卡件，冗余11點備用。

表1中數字量輸出點數共有35個，由卡件FW367(B)進行處理。FW367(B)卡提供16個MOS管作為16路輸出。共需要3塊FW367(B)卡，冗余13點備用。

根據以上統計的I/O卡件數量，可以確定控制站和操作站的個數。浙大中控ECS-100 DCS系統共有4個機籠，每個機籠有20個插槽。除去主控卡和數據轉發卡所占用的卡槽，每個機籠留給I/O卡件的卡槽為0～15號(共16個)。為使I/O卡件正常工作，需要FW252-03A卡件對它供電(5V，直流)。因為某些I/O卡件需要向外供電，故必須準備FW252-04A的電源卡件對外提供24V直流電。最后根據生產方要求，將控制系統分為一個工程師站和兩個操作員站。最終需要的卡件數見表2。

表2 聚氯乙烯引發劑生產控制系統卡件數統計

(續表2)

3.2卡件布局

根據表2所統計的卡件數量進行ECS-100 DCS控制柜的卡件布局設計。控制系統共需20個I/O卡件，占用兩個機籠，剩余的卡槽不參與任何控制，為防止灰塵進入卡槽內部，剩余的卡槽需插入空卡卡件FX000。為了更好地發揮卡件冗余特性并方便以后維護，現對控制柜按照圖4進行布局。

圖4 ECS-100 DCS控制柜卡件布局

4 聚氯乙烯引發劑生產控制系統組態

控制系統采用ECS-100 DCS組態軟件SCKey進行系統組態。SCKey組態軟件能通過簡明的下拉菜單和彈出式對話框建立友好的人機交互界面，并大量采用Windows標準控件，保持了操作的一致性。該組態軟件功能齊全、操作簡捷，可進行卡件組態，建立操作小組，進行監控系統流程界面設計、圖形化編程等操作。

4.1主機設置

主機設置主要用于主控制卡和操作站的設置，點擊菜單欄中的“總體信息/主機設置”可彈出主機設置操作界面。該界面主要包括主控制卡設置和操作站設置。主控制卡設置項主要用于完成對主控制卡(即控制站)參數的設置，主要包括主控制卡IP地址、運行周期、型號、通信協議及冗余狀況等。操作站設置項主要完成操作站(工程師站、數據站和操作員站)的設置，其中包括IP地址、類型選擇、冗余設置及關聯策略等操作項。在該設置界面的右側有4個命令按鈕可進行設置操作，其中，整理命令按鈕是將現有設置項按地址順序進行排序。增加命令按鈕可在現有設置項中增加一個節點。刪除命令按鈕是將現有設置項中選中的一個節點刪除。退出命令按鈕則執行退出設置界面的操作，并將設置期間的更改項進行保存。

4.2卡件設置

卡件組態是根據卡件的冗余情況和卡件在SBUS-S2網絡上的地址進行的組態。在菜單欄中選擇“控制站/IO組態”，即會彈出卡件組態設置界面。卡件組態設置界面主要包括數據轉發卡設置、I/O卡件設置和I/O點設置3項。數據轉發卡設置項用于數據轉發卡的地址、型號及冗余等設置操作。I/O卡件設置項用于設置不同型號的I/O卡件，以及它們的注釋、地址和冗余狀況信息。I/O點設置項是在不同I/O卡件下設置相應的I/O點，這些I/O點與現場測位號相對應，保證信號傳輸的正確性，也可在此設置項中設置不同I/O點的位號、地址、各項參數(包括上下限、信號類型等)及報警等。

4.3流程圖組態

流程圖是ECS-100 DCS系統中最重要的監控操作界面，用于顯示被控設備對象的整體流程和實時運行狀況，并操作相關數據量。因此，控制系統的流程圖應具有較強的圖形顯示(包括靜態和動態)和數據處理功能[10]。

流程圖組態所用組態軟件是SCDrawEx。選擇菜單欄中的“操作站/流程圖”，根據實際項目需要增添流程圖頁數，點擊編輯可進入流程圖制作頁面。流程圖中可對I/O點設置中的位號進行引用，并且可以顯示或操作位號狀態(ON、OFF或相應數字量)。流程圖監控主界面如圖5所示。

圖5 流程圖監控主界面

除流程圖主界面之外，SCDrawEx還提供“彈出式流程圖”設計操作。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置特殊翻頁按鈕，并添加相應的彈出式流程圖頁數，即可在監控模式下點擊特殊翻頁按鈕彈出相對應的彈出式流程圖。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潔明確的前提下，提供更多的操作渠道，使監控主界面功能更加全面。本控制系統彈出式流程圖可執行選擇配方、軟水累計流量清零、進料開始與停止、進料暫停與重啟操作，同時還提供相應反應釜的實時顯示。彈出式流程圖如圖6所示。

圖6 反應釜A彈出式流程圖

流程圖作為整個監控系統的主要界面，需秉承“集中控制，操作簡捷，數據準確”的原則。同時應參照國家相關標準進行流程圖制作。整體界面應條理有序、主次分明、避免高亮的顏色，以防操作人員視覺疲勞。

5 結束語

通過本次青島某化工企業設備改造升級，基于浙大中控ECS-100 DCS的控制系統得以成功應用，從根本上解決了該化工企業控制水平落后、安全可靠性不足及生產效率低等諸多問題，提高了聚氯乙烯引發劑生產系統整體的自動控制水平。該系統所采用的硬件設計和組態軟件技術都較為成熟，可廣泛推廣。

[1] 孫太平,胥珠蘭.試述聚氯乙烯產品質量的影響因素及改進措施[J].化工管理，2015,(20):47～48.

[2] 燕辰凱.建設數字化電廠的思考[J].能源與節能，2014，(1):53～56.

[3] 劉芬.化工生產中DCS控制系統的應用[J].化工管理,2014,(6):61～62.

[4] 任喜金,蔣瑞,魏烈元.石油化工自控設計中冗余容錯技術實踐[J].化工自動化及儀表，2014,41(4):434～436.

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[6] 潘茂強.DCS在壓濾脫水裝置中的應用[J].化工自動化及儀表，2013,40(5):679～682.

[7] 張漢昌.集散控制系統DCS在瓦斯發電自動監控系統中的研究及應用[J].煤礦機電，2013，(2):88～93.

[8] 孫勇.DCS系統過程控制功能的設計與實現[D].廈門：廈門大學，2013.

[9] 裘坤,李華軍,何應堅.控制系統冗余設計和分析[J].自動化儀表,2008,29(12):52～53.

[10] 臧小軍,賈曉群.DCS在秦山核電控制系統的應用[J].自動化技術與應用,2013,32(2):94～98.

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