基于PCS7聚氯乙烯工業反應的連續過程控制

王 浩，吳 峰，張建強，李文陽

（遼寧工業大學 電氣工程學院 “西門子杯”中國智能制造挑戰賽遼寧工業大學Campus-Hub校園學習中心，錦州 121001）

聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯單體自由基聚合而成的聚合物。在現在生產中15%～20%的PVC是通過乳液聚合方法合成的，其次懸浮聚合合成的。此連續過程系統的化學工藝為懸浮聚合法。懸浮聚合法具有操作簡單、生產成本低、產品質量好、經濟效益好應用廣泛等優點，適用于大規模工業生產。西門子S7-400 PLC與SIMITIC PCS7軟件通過以太網進行通信。可以滿足不同場合的應用，例如石油化工，污水處理，發電廠等多種場所。此連續過程控制系統包含工程師站（ES），操作員站（OS），自動化系統（AS）硬件組態，連續功能圖（CFC）的設計順序功能圖（SFC）的編寫，PID控制算法計算，WinCC監控畫面的繪制，閥門特性選擇及安全的系統設計，系統設備的選擇與系統連接。

1 連續過程的對象特征及工藝流程分析

通過圖1可知，此連續過程反應系統是以氯乙烯、去離子水在分散劑（纖維素醚）、引發劑（過氧化二碳酸二異丙醇）的作用下進行反應，反應生成聚氯乙烯，雜質有未完全反應的氯乙烯單體、引發劑、分散劑等。流程為先將去氯乙烯通入到聚合釜中，再將離子水用泵通入到聚合釜中并啟動攪拌器，再加入分散劑和引發劑。反應后過量的氯乙烯經閃蒸罐進行回收再利用。反應設備包括：聚合釜，預熱器和閃蒸罐[1]。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

此連續過程反應系統要達到的最終目的是，在反應過程為安全的情況下，在固定時間內積累量達到最大化。因為此系統的重點是在固定時間內提高積累量。影響積累量的主要因素為氯乙烯和去離子水配比，分散劑的用量以及聚合釜中溫度、壓強、攪拌器轉動速率等。

2 控制方案設計

2.1 控制系統的順序流程

（1）進行初始化，關閉所有的閥門和泵。

（2）初始化結束后，首先啟動氯乙烯的進料泵，打開氯乙烯進料閥；再啟動去離子水的泵，打開去離子水的閥并啟動攪拌器。令物料氯乙烯和去離子水進入聚合釜。

（3）啟動分散劑的進料泵，打開分散劑進料閥；再啟動引發劑的泵，打開引發劑的閥。氯乙烯，去離子水，分散劑，引發劑以 1000∶500∶5∶3 的比例進料。

（4）當聚合釜的溫度達到50℃后，打開冷卻水進水閥對聚合釜進行降溫，打開冷卻出水閥進行對預熱罐進行加熱，一部分冷卻水進入公共工程進行回收利用。

（5）啟動閃蒸罐中的真空泵，由于氯乙烯是氣體，將從罐頂蒸出進入精餾工序提純循環使用。

（6）當聚合釜壓強達到后0.687 MPa，啟動閃蒸罐中的輸送泵，打開閃蒸罐中混合物管線出料閥門，罐底液相混合物進入下游分離工序。

（7）通過逐步加大氯乙烯、去離子水的物料閥的開度以提升負荷。

2.2 進料流量比值控制

流量控制系統中控制的對象是一個連續的過程，該過程有4種物料，為了保證正常工況反應的動態平衡以及滿足工藝的要求，四種物料按設定的比例進料，同時為了適應生產的靈活性以及在開車段對進料的要求，同時為了抑制流量的擾動，減小流量的干擾，使流量跟隨給定，我們采用了四閉環比值控制。

2.3 反應釜的溫度控制

在工業生產中，物體傳熱過程的控制就是溫度控制，包括傳導傳熱，輻射傳熱和對流傳熱。其操縱變量一般是流量，例如加熱介質的流量，冷卻介質的流量，燃料的流量等。溫度控制包括冷卻控制段和物料控制段。冷卻控制段是指溫度隨著反應的進行改變自來水的進料來控制；物料控制段的控制對象較為復雜，隨著反應的進行，四種物料的不斷流入，反應釜內的物料不斷的流出，反應釜內的物料成分不斷地發生變化，其特性也一定一直處于變化之中，模型也不易建立。在SFC開車過程中反應釜升溫段的控制原則是：保持第一階段連續快速升溫，但不能升溫過快而導致失控。為了針對溫度PID調節滯后較大的特點，故采用如圖2所示溫度串級控制。

圖2 溫度串級控制圖Fig.2 Temperature cascade control diagram

氯乙烯懸浮聚合溫度的高低決定著聚合產物的相對分子質量大小，因此，在確定配方的物料比后，必須嚴格控制聚合溫度。在實際工業生產中，通常控制在規定溫度的±0.5℃范圍波動，最理想的是控制在±0.2℃范圍內[2]。當轉化率達到60%～70%時，發生自加速現象，反應加快，放熱現象強烈，應增加冷卻水。因此結合SCL語言控制溫度的緩慢上升，達到設定溫度后保持該溫度，該控制方法能提高系統的響應速度，改善控制質量，此外串級控制還有一定的自適應能力。從而達到理想的控制效果。

控制段的SCL語言如下：

2.4 安全方案設計

該反應過程是放熱反應，物料的反應使得溫度上升，溫度上升就會影響反應器內的壓力，所以壓力受到進料物料流量的影響，冷卻水的流量以及出口流量的影響。在壓力允許的范圍內處于正常工況；當壓力超過允許的范圍但是又不至于緊急停車時，可以通過控制冷卻水的閥門開度，降低反應器的溫度同時壓力也會降低，這樣就不會因為壓力的一點超限而引起緊急停車，造成浪費，同時對環境造成一定影響；但是壓力超出限定值時，就必須加入反應抑制劑，因為壓力過大可能會引起反應器的爆炸，從安全、環保方面等都是不利的。一是可以通過升溫控制單元來控制壓力，二是就可以加入反應抑制劑來阻止反應的進行。但是加入反應抑制劑就不利于生產了，這也是最不利的做法。因此我們主要依靠冷卻水控制溫度的同時也控制罐內壓強。

由于該反應加入催化劑進行反應，催化劑的量會影響反應的劇烈程度，從而也會間接的影響的反應罐的壓強。這就需要在進料比上去靈活控制。這就是變比值控制。

3 控制器的選擇

在這次工程中，控制器選用的是PID控制器，對PID的選擇主要是對它的控制規律和正反作用。正作用控制器：控制器的輸出隨著被調節量或輸入偏差的增大而增大；反作用控制器：控制器的輸出隨著被調節量或輸入偏差的增大而減小。PID控制規律：P控制器響應快速，調節及時，但不能消除余差；I控制器反應迅速，可以有效地消除余差；如果被控對象存在較大的滯后，則需要選擇D控制器[3]。通過其對進出口物料閥門的控制來實現工程的穩定運行，而在整個工程中主要涉及到了單回路控制、變比值控制、串級控制和比例控制，通過四者的結合以及PID參數的調節來保證工程的運轉。

4 控制系統的開發

4.1 控制系統硬件設計

高級多功能仿真系統（SMPT-1000）模擬由鍋爐，蒸發器，反應釜等組成反應過程。SMPT-1000的硬件組成為數字式軟儀表，設備盤臺，嵌入式工控機，接口硬件，輔助操作臺。SMPT 1000能夠利用設備左側的（AI/AO，DI/DO）端子排與外部PLC或DCS控制系統相連接。且提供了ProfibusDP和OPC Server都可以與外部進行數據交換。控制器為SIMITIC S7-400 PLC。其控制硬件系統圖如圖3所示。

圖3 硬件控制圖Fig.3 Hardware control diagram

4.2 系統軟件設計

在控制方案中，我們所使用的軟件是PCS7 V8.0 SP1。其特點是擁有集成度較高的基于SQL服務器的歸檔系統即強大的HMI系統，基于IEC 61131的集中式，工廠范圍內的工程系統。且有較強的伸縮性。最高可以控制高達60000個過程對象的工廠。

如圖4、圖5所示在組件視圖進行創建硬件組件，總線組態，過程I/O和PC站的硬件組態。

圖4 AS硬件組態Fig.4 AS hardware configuration

圖5 OS硬件組態Fig.5 OS hardware configuration

我們這次的組態是單工作站系統，ES和OS在同一臺PC機上，此時，配置本地PC代表ES和OS。在完成AS和OS編譯和下載后，如圖6所示，打開NetPro視圖，建立OS站和AS站的連接。

在工廠視圖中進行連續功能圖CFC的設計，順序功能圖SFC的編寫與調試。

4.3 控制效果

此工程的控制系統運行曲線如圖7所示。反應罐液位達到50%后穩定，由于此化學反應為放熱反應，所以當反應誘發成功后，反應溫度以一定速率上升，為了使溫度緩慢上升到設定值，此時打開冷卻水進水閥通過PID調節器的調節，使其達到設定值并保持穩定[4]。從而，在經過一段時間的反應后，此時濃度達到90%以上，達到設計的要求。說明了整體系統的設計是可行且穩定的。

圖6 NetPro視圖Fig.6 NetPro view

圖7 運行效果圖Fig.7 Running effect diagram

5 結語

根據聚氯乙烯的工業生產流程，對整個連續過程控制系統從物料配比、混合罐液位、反應釜液位、反應溫度以及壓強等方面進行合理的優化，并且在SMPT-1000上進行仿真驗證，實驗數據表明：控制系統可以控制工藝流程中的變量達到所設置的工藝要求。控制系統有效、安全、可行、具有較高的穩定性。