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案例頻道 1 概況
目前，UW500集散控制系統（DCS）在精細化工行業已得到了廣泛應用，DCS對提高企業全廠自動控制、提高生產安全性及作業效率都有重要作用。眾所周知，精細化工是生產精細化學品工業的通稱。精細化工是國民經濟基礎產業之一，現已經形成相對完整的精細化工工業體系，主要包括表面活性劑、化妝品、感光材料、涂料、染料、熒光增白劑、有機顏料、香料和農藥等。具有品種多，更新換代快；產量小，大多以間歇方式生產；具有功能性或最終使用性；許多為復配性產品，配方等技術決定產品性能；產品質量要求高；商品性強，多數以商品名銷售；技術密集高，要求不斷進行新產品的技術開發和應用技術的研究，重視技術服務；設備投資較小；附加價值率高等特點。所以大多以間歇方式小批量生產。雖然生產流程較長，但規模小，單元設備投資費用低，需要精密的工程技術。精細化工行業由于生產工藝的特殊性，限制了其自動化水平的快速發展。近十年來，精細化工企業已經逐漸認識到提高自動化水平的必要性，這不僅可實現穩產高產、提質降耗、還可以提高企業管理水平、增強產品和企業的市場競爭力。
2 精細化工全自動的必要性
精細化工行業加工工藝采用專用設備或裝置，流程和能力都相對固定，工序間連續且能力匹配性強，在最高和最低日產量間波動，產出品可能隨原料產地和工藝參數變化，需要按濃度、質量等級分類。進出料都是連續的，提前期很短，除流程首尾外，無排隊、等待時間，通常不考慮在制品問題。多數精細化工生產流程一般較長，工序較多，但產品的需求量不大，故往往采用間歇式裝置生產。現在生產工廠廣泛采用多種綜合生產流程，設計和制作用途廣、功能多的生產裝置以適應精細化工產品品種繁多、批量小的特點。同時對生產管理和操作人員的素質提出更高的要求。化工企業的設備一般是整套的生產線設備，設備投資比較大，工藝流程固定，生產能力有一定的限制。生產線上的設備維護特別重要，不能發生故障，只要一發生故障，就會造成全線停產，損失嚴重。故而，在控制層面上，必須擺脫傳統人為手工操作的生產方式，使用穩定可靠的控制產品，建立精密安全的控制方案，通過全自動的控制方式最終實現產品穩定安全高效的生產。UW500集散控制系統（DCS）目前在精細化工行業已取得了廣泛應用，完全滿足精細化工全面自動的控制需求，在UW500集散控制系統（DCS）卓越穩定的性能基礎上，經過杭州優穩工程團隊的刻苦攻關下，實現了精細化工項目全自動的一鍵自動的控制要求。
3 精細化工全自動案例分析
聚合釜是精細化工中的典型設備，案例反應工段為聚合工段，產品為某樹脂，聚合釜有夾套，聚合釜外循環降溫設備及管線（以下稱為循環）（精細調節使用小循環，一般調節使用大循環），夾套溫度稱外溫，聚合釜檢測物料的溫度為內溫。
3.1 聚合釜自動生產過程（如圖1所示）
按照預先設定的配方從儲罐自動按相應順序分別打料進A混合罐進行混合，在不同的混合罐加入不同的小料，最后形成副料，進入聚合釜上的計量罐。按照預先配方計算比例，按一定順序向聚合釜內打進相應的的主料，隨后根據溫度，一般來說需要蒸汽或是熱水升溫，使物料到達預定的溫度后延時加入A副料。
此時反應會有一定升溫，運行溫度精調系統，通過UW500DCS控制系統精確計算，自動打開小循環，通過特殊控制（如FUZZYPID復合控制）調節蒸汽、冷水及循環泵，調節小循環溫度進而達到控制外溫，將內溫控制在設定值范圍內，此時通氮氣排氧。
一定時間后在合適壓力下自動加入引發劑，反應會較為劇烈，啟動控溫系統，控制釜溫在設定值附近。隨后進入循環加料階段，滴加B副料，UW500DCS控制系統根據B副料流量，自動計算放熱量對應的外溫目標值，通過小循環達到目標值。循環加料完成后自動關閉小循環，打開大循環降溫，延時一段時間后進行成品液的輸送，聚合工段完成。
3.2 聚合釜自動控制核心及難點
升溫反應階段的溫度控制是聚合釜控制的重點和難點。如果采用傳統的人工手動操作，必須時刻盯著數據，時刻進行調節。
聚合釜溫控精度靈敏度要求很高，溫度過低會導致反應無法發生，造成“僵釜”現象，影響生產效率；溫度過高反應生成物中會含有較多雜質，并且漲勢太快壓不住溫又會導致“飛溫”，容易發生事故。特別是加入引發劑后，該階段反應極為敏感，控制的關鍵在于實現升溫吸熱和反應放熱的平穩過渡。可反應放熱、物料的比熱、加熱功率、保溫層保溫效果、釜體本身的散熱、環境溫度和不同物質的吸、放熱的特性等不同因素都會對反應釜溫度產生不同的影響。各種因素之間相互耦合、影響，控制特性比較復雜，且溫度變化滯后。反應釜溫度又隨著反應的發生呈現時變性，所以很難確定精確的數學模型。
因此，聚合釜控溫一直是控制的重點和難點。
3.3 UW500解決聚合釜溫控方案
經過工程團隊的多次試驗，聚合釜溫度采用模糊控制加PID控制，即采用FUZZY-PID雙模控制方案，當溫度誤差在某個標定值以外時，采用模糊控制，以獲得良好的瞬態性能；當溫度誤差在標定值以內的范圍時，則采用PID控制，以獲得良好的穩態性能。
這種FUZZY-PID復合控制方式比單純的模糊控制具有更高的穩態精度，更大程度上保證了反應的溫度條件，獲得了明顯優于PID控制的良好效果。案例中的項目老設備在升溫和反應階段使用單純PID控制，控制有明顯滯后，且需要人為干預控制，以保證不會出現“飛溫”或是“僵釜”現象。改造后的項目及新投運項目使用了UW500集散控制系統及針對其生產和工藝特點的FUZZY-PID復合控制的控制方案。在核心的反應階段，控溫效果良好，其反應的主要參數溫度曲線和設計曲線幾乎一致。
3.4 總結
該工程自從用UW500集散控制系統投運以來運行平穩，效果顯著，操作平穩率、產品質量等都大大提高。特別是工人勞動強度與原料消耗等都有大幅度降低，同時也確保了裝置的平穩安全運行。這直接提高了企業的市場競爭能力，為企業帶來了十分明顯的經濟效益。
3.5 DCS控制的應用效果
UW500集散控制系統運轉穩定正常，系統各項功能按照設計方案全部投入一鍵自動化，其控制精度和穩定性完全滿足精細化工生產過程要求。
某高分子材料在反應釜中生產時，完全按照預設定曲線控制溫度與壓力，并能根據工藝要求自動補水補料。
參考文獻：
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[3] 王樹青. 工業過程控制工程[M]. 北京: 化學工業出版社, 2003.
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作者簡介
袁超（1988- ）男，河南信陽人，本科，現任杭州優穩自動化系統有限公司工程師，主要從事DCS在各行業應用方面的研究。
摘自《自動化博覽》1月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號