[摘 要] 針對丙烯液相聚合反應(yīng)裝置，利用在線測控儀表、可編程控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)及組態(tài)軟件構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有在線監(jiān)控、自動控制、系統(tǒng)管理等功能，并具有模塊化組合結(jié)構(gòu)，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，可應(yīng)用于科研和實(shí)際生產(chǎn)。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 可編程控制器 自動控制 聚合反應(yīng)

目前國內(nèi)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(diǎn)。但是原來采用電Ⅲ型調(diào)節(jié)器控制聚合反應(yīng)溫度和壓力，由于聚合反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，各種條件如丙烯濃度、催化劑類型、添加數(shù)量、循環(huán)熱水壓力、溫度、流量的變化，反應(yīng)有較大的時(shí)變性非線性、延時(shí)性。采用簡單的PID調(diào)節(jié)根本不可能實(shí)現(xiàn)自動控制。幾年來，一直采用人工手動控制，工人的勞動強(qiáng)度大，控制水平質(zhì)量比較低。根據(jù)這一情況，我們對控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，利用在線測控儀表、工業(yè)專用計(jì)算機(jī)及組態(tài)軟件構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有模塊化組合結(jié)構(gòu)，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，目前用于理論研究，效果良好，為實(shí)現(xiàn)聚丙烯生產(chǎn)的工業(yè)化自動控制奠定了基礎(chǔ)。

一、聚丙烯反應(yīng)釜工藝流程簡介

本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置工藝流程如圖1所示，此聚合反應(yīng)可分為4個(gè)階段:

1.升溫階段

由于整個(gè)反應(yīng)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(huán)熱水打入反應(yīng)釜夾套中進(jìn)行加熱升溫，以便誘導(dǎo)聚合反應(yīng)，當(dāng)聚合釜內(nèi)溫度升至60℃時(shí)應(yīng)注意加熱水的流量。

2.過渡階段

當(dāng)釜內(nèi)溫度升至60℃時(shí)，聚合反應(yīng)開始，進(jìn)入放熱過程，該階段的反應(yīng)極為敏感，許多干擾極有可能造成超溫或過度冷卻而轉(zhuǎn)型的工況:如(1)活化劑質(zhì)量不穩(wěn)定，使反應(yīng)初期的放熱量極不穩(wěn)定；(2)冷卻水過早地切入，則會導(dǎo)致冷卻過度，激落已經(jīng)開始的反應(yīng)，發(fā)生工程上俗稱的“感冒”現(xiàn)象；(3)熱水溫度較高，流量過大，升溫速率過快，當(dāng)熱水停止循環(huán)后，釜溫仍急劇上升。這一階段在整個(gè)反應(yīng)過程中極為重要，它是整個(gè)聚合反應(yīng)能否獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵，假如升溫過慢，產(chǎn)品質(zhì)量會降低，升溫過快，釜內(nèi)溫度會難以控制。

3.恒溫階段

在第2階段中溫度平穩(wěn)上升，當(dāng)溫度升至74±2℃，釜壓為3.4±0.1 MP點(diǎn)后，便開始恒溫控制，約經(jīng)過4--5小時(shí)反應(yīng)過程結(jié)束。

4.結(jié)束階段

釜內(nèi)反應(yīng)結(jié)束后，釜壓開始明顯下降，反應(yīng)終止，全流量切入冷水，進(jìn)行產(chǎn)品回收。

二、系統(tǒng)構(gòu)建

聚合反應(yīng)裝置的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由在線測控儀表、下位機(jī)（PLC）、上位機(jī)等構(gòu)成。

1.在線測控儀表

在線測控儀表實(shí)時(shí)測量裝置的重要參數(shù)并執(zhí)行下位機(jī)的控制命令。根據(jù)設(shè)計(jì)目的，該系統(tǒng)通過采集模擬量信號，控制調(diào)節(jié)閥。反應(yīng)溫度由一體化鉑電阻測量，反應(yīng)壓力由差壓變送器測量變送。

2.下位機(jī)

下位機(jī)即PLC控制站.主要對在線檢測儀表的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、運(yùn)算及控制。該功能的實(shí)現(xiàn)分別由相應(yīng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)硬件采用S7-200系列PLC，編程軟件采用采用C++for Windows編程，運(yùn)行于中文Windows 2000環(huán)境下，界面友好，操作簡便。在上位機(jī)上編制，并下載到下位機(jī)CPU處理器模塊中運(yùn)行。

3.上位機(jī)

上位機(jī)主要起定時(shí)數(shù)據(jù)記錄、在線監(jiān)控、系統(tǒng)管理等作用。硬件選用工業(yè)專用計(jì)算機(jī)一IPC，軟件采用Kingview6.5版組態(tài)工軟件，根據(jù)對象特點(diǎn)與要求，按組態(tài)規(guī)則進(jìn)行畫面控制、系統(tǒng)等組態(tài)，生成形象逼真、生動具體、便于觀察計(jì)算機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)界面。系統(tǒng)主畫面圖主要包括六個(gè)模塊:工藝控制流程圖、報(bào)警信息窗口、閥的開關(guān)狀態(tài)顯示，測量值棒圖顯示及系統(tǒng)功能模塊。

(1)工藝控制流程圖模塊

在圖中的左上側(cè)為聚丙烯反應(yīng)釜工藝流程圖，控制器為一臺工控機(jī)，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(yīng)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(diào)節(jié)閥分別采用氣開、氣關(guān)形式，其動作方式如圖2所示。

(2)報(bào)警信息窗口模塊

在系統(tǒng)主畫面圖中的右上角，設(shè)置了報(bào)警信息裝置，時(shí)刻跟蹤反應(yīng)釜內(nèi)的溫度、壓力這兩個(gè)測量值。當(dāng)溫度或壓力超限時(shí)，發(fā)生報(bào)警，窗口內(nèi)的“O”變?yōu)榧t色，并發(fā)出嗡嗡的轟鳴聲，其報(bào)警信息分別為“溫度過高”、“溫度過低”、“壓力超高”、“壓力過低”；當(dāng)測量值在所限定范圍之內(nèi)時(shí)，窗口內(nèi)的“O”為無色，報(bào)警信息為空白。

(3)閥的開關(guān)狀態(tài)顯示模塊

如圖2示，當(dāng)閥打開時(shí)，其相應(yīng)的“ON”欄內(nèi)的“O”為紅色，“OFF”欄內(nèi)的“O”為白色，當(dāng)閥為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，其相應(yīng)的“ON”欄內(nèi)的“O”為白色，“OFF”欄內(nèi)的“O”為紅色。

(4)測量值棒圖顯示模塊

為了更加動態(tài)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(yīng)過程中，方框內(nèi)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(shí)在棒圖的左側(cè)顯示相應(yīng)的測量值，為設(shè)計(jì)增添了動態(tài)感，同時(shí)也便于觀察。

三、控制方案

根據(jù)聚合反應(yīng)的工藝要求，通過溫度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)聚合過程的自動控制。溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)簡單控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將100熱電阻溫度計(jì)插入反應(yīng)釜內(nèi)攪拌區(qū)，測量溫度。由外加恒溫槽，并通過調(diào)節(jié)進(jìn)出夾套水的溫度來控制反應(yīng)溫度(控制精度在±2℃)，即構(gòu)成以反應(yīng)釜內(nèi)溫度為被控變量，以進(jìn)出夾套水溫度為操縱變量的溫度定值控制系統(tǒng)。圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3為閥的分程示意圖。通過此控制曲線，調(diào)節(jié)自動控制中控制器各參數(shù)，以便反應(yīng)能夠正常進(jìn)行。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)在線監(jiān)控技術(shù)及自動控制技術(shù)用于該套聚丙烯聚合反應(yīng)裝置中，具有模塊化組合結(jié)構(gòu)，使用靈活方便，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)。其下位機(jī)卡件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)構(gòu)建與組態(tài)；控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，便于各個(gè)模塊的編程與調(diào)試；在線記錄、保存信息具有實(shí)時(shí)性，不僅可杜絕手工記錄的可能差錯(cuò)，正確進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而且便于事后檢查和分析指導(dǎo)；功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件可組態(tài)豐富細(xì)膩的流程圖、實(shí)時(shí)趨勢、控制畫面，顯示更加直觀，生動具體，便于觀察；該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅具有通用性，而且具有開放性，能方便地與一些專業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序掛接，滿足特定的需要。

五、結(jié)束語

控制方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后投入運(yùn)行，運(yùn)行效果良好?？刂葡到y(tǒng)的升溫過程穩(wěn)定平滑，特別是過渡段的60℃-74℃中間平穩(wěn)兩端過渡轉(zhuǎn)換沒有太大波動，恒溫過程溫度控制在2℃以內(nèi)達(dá)到了預(yù)期效果，其社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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