陳曉軍，朱小平

（1.江蘇城市職業(yè)學院 南通校區(qū)，江蘇 南通 226006;2.南通申華化學工業(yè)有限公司，江蘇 南通 226010）

0 引言

丁腈橡膠（NBR）是由丁二烯與丙烯腈在低溫條件下乳液聚合，反應結(jié)束通過閃沸槽和汽提塔將過量的丙烯腈和丁二烯回收，聚合反應后的膠乳經(jīng)摻合（各種添加劑）去制成區(qū)，經(jīng)凝聚、振動、脫水、碎料、干燥、包裝等工序生產(chǎn)形成。其中，聚合工藝屬于危險工藝，在生產(chǎn)過程中對物料配比、流量、溫度、反應壓力均有較高的要求。超壓、物料配比不當、物料泄漏等都極易導致火災、爆炸、中毒等事故的發(fā)生［1］。

1 NBR聚合工藝特性

NBR在聚合生產(chǎn)過程中危及生產(chǎn)安全主要有以下四個方面［2］:

（1）物料:由于丙烯腈、丁二烯、冷媒液氨等原料均屬易燃、易爆物品，且具有較強的毒性，在作業(yè)過程中，若物料輸送超過安全流速，易產(chǎn)生靜電積聚，產(chǎn)生靜電火花而燃爆。

（2）投料比:反應過程中物料配比不當，反應速度過快，會發(fā)生沖料甚至爆炸的危險。

（3）攪拌:反應過程中攪拌若停止，反應熱不能及時移去，導致反應超溫，反應超溫容易使反應加劇，導致沖料甚至爆炸事故的發(fā)生。

（4）冷媒:聚合反應屬中等放熱的化學反應，反應過程中若冷媒供應不足，容易使反應超溫，導致反應加劇而引發(fā)沖料甚至爆炸事故的發(fā)生。

為滿足安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的需要，本文設計出以PLC為主控制器，對聚合工藝過程中的溫度、壓力、液位、流量等進行自動控制的自動化生產(chǎn)裝置，同時具有超溫、超壓報警和自動泄壓、聯(lián)鎖等性能，提升了裝置的安全可靠程度。

2 NBR聚合工藝控制要求及流程設計

2.1 NBR聚合工藝控制要求

通過對NBR聚合工藝分析可知，聚合生產(chǎn)裝置設計的關鍵是安全可靠性要高，故采取了以下措施來保證:

（1）針對易燃、有毒物料:現(xiàn)場設置可燃氣體報警儀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場濃度超標，立刻報警;在生產(chǎn)之前，對反應釜內(nèi)空氣進行N2置換，空氣置換合格后進行物料輸送，防止易燃蒸氣與空氣形成爆炸性混合物。

（2）針對物料輸送、投料比:在相應物料管線設置流量計和自動調(diào)節(jié)閥，流量根據(jù)工藝需要預先設定范圍，通過PID控制調(diào)節(jié)閥，保證投料比穩(wěn)定。

（3）針對冷媒:在其冷凍管線上設置可控制調(diào)節(jié)閥，與反應釜上設置的溫度傳感器（控制在12.5℃左右）實行反饋連鎖，自動調(diào)節(jié)閥門的開度。

（4）異常超溫控制:將進料閥門的調(diào)節(jié)由溫度傳感器來控制。若超溫，則自動關閉，待溫度正常時再打開進料。

（5）異常超壓控制:將超壓報警與緊急卸料閥門和終止劑管線閥門連鎖。當異常超壓時，加入緊急終止劑并打開緊急出料閥，卸料至受槽，同時停車［3］。

2.2 NBR聚合工藝流程設計

根據(jù)對工藝要求的分析，設計了如圖1所示的NBR聚合生產(chǎn)原理示意圖，圖中主要控制閥門及傳感器分布見表1，聚合工藝流程主要有以下五步驟:

表1 控制閥門及傳感器分布表

（1）檢查確認反應釜所有進料管線閥門處于關閉狀態(tài)，打開真空系統(tǒng)閥門1YA，抽真空10分鐘，關閉1YA;打開氮氣吹掃系統(tǒng)閥門2YA，吹掃5分鐘，關閉2YA;現(xiàn)場檢測氧含量，控制氧含量在1%以下，若檢測合格，準備反應。若不合格，則重復此過程。

（2）打開丙烯腈管線電磁閥門3YA和皂化液管線電磁閥門5YA向反應釜加料至反應釜指定液位（由液位計傳感器4CA控制），關閉進料閥門。

（3）打開冷凍管線控制閥門10YA，通入冷媒液氨冷卻物料，當反應釜溫度達到5℃時，開啟反應釜攪拌裝置。同時打開引發(fā)劑管線控制閥門6YA和丁二烯管線控制閥門4YA，丁二烯和引發(fā)劑的量分別通過各自流量計傳感器5CA和6CA與控制閥門連鎖自動調(diào)節(jié)其配比。

（4）反應過程中，通過反應釜溫度傳感器2CA與冷凍系統(tǒng)管線控制閥10YA連鎖，自動調(diào)節(jié)反應釜器溫度（10℃ ～15℃）。

（5）當反應釜物料至高液位時，關閉引發(fā)劑和丁二烯，切斷進料閥門，保溫反應約10 h～12 h，檢測物料轉(zhuǎn)化率，檢測合格后（若不合格，再保溫反應一段時間），停止攪拌，打開出料閥門出料，自動關閉冷凍管線閥門。

3 NBR聚合工藝自動控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

生產(chǎn)裝置應用了檢測、信息處理、自動控制等關鍵技術，力求整體設計達到最優(yōu)化，確保生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。以可編程控制器（PLC）為核心進行控制系統(tǒng)的設計，利用溫度、壓力、液位、流量及氣體等傳感器進行信號的采集，控制對象主要是各類電磁閥等。此外，為便于操作和監(jiān)控，設計了觸摸屏對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控［4］。

整個控制系統(tǒng)數(shù)字輸入量15個，數(shù)字輸出量14個，模擬輸入量5個，模擬輸出量3個。為滿足需求并考慮發(fā)展余地及性價比，設計采用德國西門子公司的S7－200系列CPU226、EM231熱電阻輸入模塊及模擬量輸入模塊各1個、EM232模擬量輸出模塊2個，其外部接線如圖2所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計包括上位機觸摸屏監(jiān)控程序和下位機PLC控制程序設計。

3.2.1 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設計

觸摸屏界面設計采用TouchWin公司TP系列觸摸屏專用組態(tài)軟件TouchWin V2.89，其界面友好，操作簡單直觀，可在組態(tài)軟件中選擇觸摸屏型號和PLC型號，并可設置串口通訊參數(shù)。觸摸屏設計界面見圖3。

3.2.2 PLC 控制程序設計

PLC程序采用梯形圖，，程序設計采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，，便于維護和擴展。程序包括主程序、參數(shù)初始化子程序、點動子程序、加工參數(shù)顯示子程序、冷媒流量PID控制中斷程序、引發(fā)劑流量PID控制中斷程序、及丁二烯投放比PID中斷控制程序和PLC與觸摸屏通信程序等模塊。

主程序主要負責接收上位機指令、調(diào)用各個子程序?qū)崿F(xiàn)NBR聚合過程控制，主程序流程見圖4，各個子程序通過中斷實現(xiàn)獨立的功能。

圖2 觸摸屏設計界面

圖3 觸摸屏設計界面

下面重點介紹PID調(diào)節(jié)程序的設計。在NBR聚合生產(chǎn)過程中，溫度的控制（冷媒的投放量）、物料的投放比（引發(fā)劑和丁二烯的投放量）均由相應的控制閥通過閉環(huán)控制，為提高控制精度，確保生產(chǎn)安全，程序設計采用PID控制算法。隨著PLC技術的不斷發(fā)展，提供了專門的PID指令，以完成復雜的閉環(huán)控制功能。PLC的PID算法簡單、可靠性高、具有較強的適應性和靈活性、使用方便，直接套用即可，實際工程中易于實現(xiàn)。

使用PID指令，需要確定采樣周期Ts，比例增益Kp、積分增益Ki及微分增益Kd等控制參數(shù)。以丁二稀流量PID控制參數(shù)為例分析:

圖4 PLC主程序流程圖

（1）采樣周期Ts的確定:根據(jù)“香農(nóng)定理”并考慮工程實際，“Ts≤0.1T”，式中T為被采樣信號的周期，取Ts=0.1s。

（2）根據(jù)本控制對象屬于惰性動態(tài)系統(tǒng)這一特點（Kd=0），確定Kp、Ki:

①根據(jù)經(jīng)驗公式“Kp≤0.9S/?！?，式中S為系統(tǒng)響應度，Γ為死區(qū)時間，取Kp=0.2。

② 根據(jù)經(jīng)驗公式“KI≤0.27S·Kpp≤IΓ2”，式中Kpp為系統(tǒng)曲線比例增益，取Ki=0.2 min［5，6］。

在本系統(tǒng)中，共有三個中斷程序INT0、INT1、INT2分別實現(xiàn)溫度、引發(fā)劑流量和丁二稀流量的PID控制。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PLC作為控制平臺的控制核心，對NBR聚合工藝過程中的物料流量、反應釜溫度等采用PID算法編程控制，提高了系統(tǒng)的控制精度;同時，對超溫、超壓采取自動報警、自動泄壓等安全控制方式，提高了聚合工序的安全可靠性，提升了整個裝置的本質(zhì)安全度。本設計也對其他化工企業(yè)特別是間歇生產(chǎn)中涉及高危工藝的，具有一定的借鑒價值。

［1］呂詠梅.丁腈橡膠生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展建議［J］.中國橡膠，2007，24（9）:7－10.

［2］趙燕，鄭彩琴，趙繼忠.改進丙烯腈回收系統(tǒng)穩(wěn)定丁腈橡膠聚合工藝［J］.齊魯石油化工，2007，35（2）:77－79.

［3］李曉強，唐斌.軟丁腈橡膠的性能及其配合技術［J］.特種橡膠制品，2004，39（2）:1－4.

［4］李宏，岳清濤，江琳.基于觸摸屏和PLC的數(shù)字觸發(fā)式整流電源設計［J］.電力電子技術，2009，43（5）:68－70.

［5］黃振國，馬旭彥，李雪東.基于PID指令的PLC溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［J］.可編程控器與工廠自動化，2008，9（12）:55 －57.

［6］張運剛，宋小春，郭武強.從入門到精通——西門子S7－200PLC技術與應用［M.］北京:人民郵電出版社，2007:351－353.