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    廖友輝(1972-)男，湖南湘鄉人，現就職于杭州和利時自動化有限公司任DCS系統項目經理，主要從事DCS工程的實施、應用以及實際控制方案的探索。   

　
 


　 摘要：丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂生產工藝是精細化工生產中比較難于控制的裝置，是比較典型的批量控制生產方式。單純的采用某種控制模式或單個步驟采用特殊的控制設備，不利于整個項目的集中管理和優化控制。采用和利時公司的HOLLiAS MACS系統對整個生產流程進行配方管理和集中控制，且運用HOLLiAS MAC系統的靈活性和開放性實現了釜式反應的自動控制，提高了釜式反應的自動化程度，降低了釜式反應對各種控制軟件包的依賴。從而使釜式反應的自動控制變得更加簡便，節約項目的時間和成本，降低了員工的勞動強度，提高了生產效率。

　　關鍵詞：順序功能圖;批量控制;配方管理;丙烯酸樹脂

　　Abstract: The Crylic acid resin producing procedure, typically the batch control method, is hard to control in the fine chemistry industry. If adopting single process control model or special control devices used in some process steps, it would be not good to the whole project’s concentrating manage and optimizing control. Hollias Macs control system is applied here, which can achieve the concentrating manage, the optimizing control of the whole process line. and the automatic control of the chemical reaction in reactor. The system has high flexibility of system and opening features, therefore, greatly improves the automatization degree of batch control in chemical reactor without help of another control software pack. The design makes Hollias Macs control system in chemical reactor easy and simply, which reduces working intensity of the operator, improves the product efficiency.

　　Key words: SFC;Batch Control;Recipe Manage;crylic acid resin

　　1 工藝簡介

　　浙江山特萊德化工有限公司是全球有影響力的丙烯酸漿料/丙烯酸樹脂生產型企業，主要以生產丙烯酸及其丙烯酸酯漿料、丙烯酸酯樹脂等丙烯酸類下游產品，其中丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂等丙烯酸類相關產品的生產量占國內的60%以上，是國內丙烯酸樹脂及其丙烯酸水性涂料的龍頭企業。

　　丙烯酸酯漿料、丙烯酸酯樹脂分別采用乳液聚合和懸浮聚合法生產，它具有大批量間歇式生產、放熱量大且難以控制的工藝特點，主要表現在：

　　1.1 品種的多樣性

　　在同一個反應釜里，可以選擇不同的配方(Recipe)，通過選擇的配方加入不同的原料或控制其進料量的多少，來改變其反應的特性，以達到生產不同產品的目的。

　　1.2 不同的反應時間和反應條件

　　所選擇的配方不同，配方管理表單中有不同的反應時間和反應條件，從而使反應釜根據選擇的條件進行生產，達到生產不同品種的目的。

　　1.3 操作的勞動強度、復雜性較大

　　一個反應過程從配料到反應結束，其時間有10個小時左右;如果完全靠現場操作，則操作人員的勞動強度大，操作復雜，容易造成操作失誤等;如果在DCS界面手動操作，則操作人員忙于進行畫面切換、操作設備的切換，容易產生疲勞導致操作失誤。

　　1.4 反應的危險性

　　由工藝條件決定在反應過程中同時要滴入一定的催化劑以加速和引發其反應;因為丙烯酸漿料/丙烯酸樹脂分別屬于乳液聚合和懸浮聚合反應，這一反應過程如果失控，將造成反應釜溫度超高，溫度超高就會引起反應急劇加速，這一過程失控則容易引起暴聚、溢鍋。

　　本裝置中存在的這些特殊性和危險性，對自動控制系統的性能和要求提出了更高的標準;如何實現整個車間全自動生產：包括復雜多配方管理、溫度精確控制等全自動的實現，對國產DCS系統的可靠性、靈活性、軟件編程語言、工程實施等方面是一個考驗，也是一次提升。

　　2 國內該類裝置控制目前的狀況

　　從目前國內的大部分該類型裝置來說，主要以選擇國外DCS廠家為主，吉化、上海石化、寧波等廠家都采用了國外的DCS系統。由于國內DCS廠商基本都沒有批量軟件包，多配方管理一直是國內DCS廠商不敢涉及的方面。對于釜式反應的溫度控制高要求，國內大部分廠家積累的經驗并不多，所以間歇生產的反應溫度超調、遲緩等難于控制是普遍存在的狀況。

　　本項目通過和利時公司和浙江山特萊德工藝專家的反復深入探討，對整個生產過程進行了全面的分析和解剖，以工藝為軸線，進而提煉、把握其控制的關鍵點。提出了一種多參數動態監控、平穩勻速滴加的控制方案，根據反應過程的溫度趨勢來判斷反應過程的進展程度，然后，通過控制反應釜外盤管冷卻循環水的大小，來實現溫度的精細化、梯度化控制，解決反應釜反應溫度超標的難題，并最終實現了取消冷凍鹽水、控制冷卻循環水水量即實現對溫度的平穩控制。

　　3 控制方案和配方管理設計思路

　　3.1 配方管理設計思路

　　為了體現丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂對在單個反應釜具有生產多品種的生產工藝特點和現場控制要求這一特性，通過HOLLiAS MACS系統的人機界面軟件(FacView)設計了反應釜的配方管理程序，將系統要求完成的配方(包括品名、進料單體名稱、進料量、相關控制參數)保存為Excel表單DBF格式，操作人員可通過在畫面上選擇相應的配方(品名)，實現對Excel表單相應參數的顯示、修改、下傳等功能，達到自動實現配方管理的目的。

　　配方的管理，包括：品名、原料、工藝參數等相關數據的修改及其保存的方式。

　　配方(品名)的修改、選擇、操作：操作方式要簡便，界面要友好，操作人員根據現場不同的實際生產情況，并在相應權限的許可下，可以進行各種參數的調整，滿足生產控制對配方的管理及控制的要求;實時監視批量控制程序物料的選擇、品種的選擇及其反參數的選擇及其修改等配方管理。

　　配方(品名)的存儲方式：配方的保存方式應該體現數據量大、鏈接性好、容易查找等特點。采用Excel格式來保存數據，不僅能實現大量數據的保存，更能直觀地記錄各品名的數值。

　　3.2 控制方案思路

　　丙烯酸酯漿料/丙烯酸酯樹脂的工藝特點決定了其控制方案的復雜性，貫穿整個生產過程的關鍵點是對溫度穩定度的要求，避免溫度的忽高忽低或出現短暫的失控。從工藝情況分析，分成三個階段：原料加畢后升溫、催化劑滴加造成的溫度升高、滴加完畢的保溫;這三個階段溫度控制的好壞，直接影響產品的品質和產出率。下面分別從這三個階段來討論控制方案的異同點和對生產帶來的效果。

　　3.2.1 升溫控制

　　根據選擇的配方加完各種原料后，緊接著就是對反應釜升溫，使物料達到誘發反應的溫度。在規定的時間內，把溫度升至設定的溫度點，為了防止出現超溫，設定溫度的升溫曲線尤為重要，考慮到反應釜存在慣性和滯后的問題，設定的曲線應該先快后慢，即先快速升溫一段時間，然后放慢速度升溫，直至溫度接近物料反應點的溫度，這種平緩靠近反應溫度的做法，使超溫現象問題得以解決。為了防止因為反應點的變化，產生突然反應的情況，此時在反應釜的外盤管已經進行冷熱媒的切換，并通入了適當的冷卻循環水防止超溫。其升溫曲線如圖1所示。

　　
圖1 升溫控制曲線和實際溫度曲線

　　3.2.2 滴加控制

　　當溫度達到反應溫度時，判斷反應是否發生的依據是：溫度快速上升，且其斜率曲線較陡;具體則以連續的3個變化率數值來判斷，即在連續5個周期(每個周期為0.5s)內取一個變化率值，連續觀測3個變化率值，如果這個值大于一個定值(此定值由經驗所得的最小值)，則可以判斷已經發生反應;接下來就是迅速把循環冷卻水調節閥開至100%，再通過PID根據該品種配方設定的溫度進行自動調節。根據管徑大小及所設定的滴加完畢的時間進行初始滴加調節閥門開度的換算，即在開始滴加的時候其閥門的開度，這樣催化劑的加入速度在開始就能控制得比較平穩，在此基礎上進行滴加調節、控制，確保整個過程都能按照設定量加入催化劑。滴加主要是控制計量槽內物料重量的下降速率與計算所得的下降速率，調節其閥門的大小，滴加的平穩性好(平穩勻速滴加)，其反應釜的溫度控制也比較平穩，如果滴加出現大幅整蕩，反應釜的溫度也難以控制，且不易穩定。其滴加曲線如圖2所示。

　　
圖2 滴加設定曲線和實際曲線

　　3.2.3 保溫控制

　　滴加結束接下來進行保溫控制，在設定的時間內保持溫度的穩定，要求反應釜溫度與設定溫度基本一致，其誤差為±1℃，溫度的設定值由配方數據表單一起管理，其值隨著配方的不同而相互不一致。為了達到工藝的精確控制要求，采用了多參數動態監控的方案來實現溫度的控制。

　　反應釜溫度具有滯后、積聚的特點，當溫度出現上升或下降時，如果采用常規PID回路來調節，超調或遲緩往往經常發生，致使溫度難于調節，無法滿足工藝的要求。經過與現場工藝人員的多次溝通、探討了解到，當溫度無論是正向偏離設定值還是負向偏離設定值，只要出現變化的趨勢，調節閥必須馬上跟著動作，調節冷卻循環水的大小，以適應這種變化，防止溫度隨著正向偏離越來越多產生積聚效應，使反應急劇放量增快，越往后越往難以控制，即使把冷卻循環水控制閥開足100%也壓制不住這種積聚反應，而該廠老裝置就因為這種原因采用了冷凍鹽水來壓制這種非正常的過快反應，否則，將造成反應顆粒過大、粘鍋等情況，嚴重的將造成反應釜溢出、發生爆炸等;同時，如果溫度負向偏離的時候，冷卻循環水控制調節偏慢或調節幅度偏大，將使反應釜溫度負向偏離越來越多，最后反應釜因為溫度過低，達不到反應的溫度，使反應變慢或停止反應，這樣將造成產出量低，反應不完全，品質不能滿足要求。

　　通過對工藝的分析和實際生產的反應情況來看，把反應釜溫度分為六個階段：

　　● 反應釜溫度高于設定值+0.5，溫度處在上升階段;

　　● 反應釜溫度高于設定值+0.5，溫度處在下降階段;

　　● 反應釜溫度低于設定值-0.5，溫度處在上升階段;

　　● 反應釜溫度低于設定值-0.5，溫度處在下降階段;

　　● 反應釜溫度處在設定值的±0.5范圍之內，溫度處在上升階段;

　　● 反應釜溫度處在設定值的±0.5范圍之內，溫度處在下降階段。

　　在這個控制過程中，采用了反應釜溫度的變化率來控制冷卻循環水的大小，以冷卻循環水的溫度作為參考指標，這樣，只要反應釜溫度產生正向或負向偏離，冷卻循環水控制閥就開大或開小，開度變化的大小根據反應釜溫度的變化率、反應釜的實際溫度、冷卻循環水的溫度三個參數量動態監測、運算，實現自動尋找對應的閥門開度值。如圖3所示。這種動態模型的建立實現了反應釜溫度控制穩定的第一步，緊接著在調試過程，摸索各種實際工況的參數，在生產過程中總結各種經驗值都是至關重要的，供應商與用戶的共同努力下，最終實現了溫度的平穩控制，滿足了生產的精確控制要求。

　　
圖3 溫度控制的程序實現方式

　　
圖4 溫度設定曲線和溫度實際曲線

　　多參數動態監控模式的自動控制是否能夠順利投入運行，關鍵在于自動程序是否緊跟現場實際需要，是否很好地理解了其生產工藝特點;如果工藝控制條件的隨意性大，將給編程增加很大的難度，也給經驗參數的摸索帶來一定的困難;經過現場兩年的運行證明，其編程思路是可靠的，其控制方案是可行的;多參數動態監控模式的投入大大降低了操作工人的勞動強度，產品穩定性也得到了很大的提高。

　　4 結語

　　間歇生產的全自動控制由于受工藝、設備、編程方式等多方面的因素制約，一直是自動控制系統的難點;國外大多數DCS廠家都是單獨開發相應的批量控制軟件包，并且單獨計算費用。HOLLiAS MACS系統在丙烯酸樹脂項目上的使用，利用其自身具有的靈活性和可靠性，達到了自動控制的要求，為企業節約了時間，避免了額外費用的開支。該項目的成功運行為其他間歇式生產提供了可行的編程思路，HOLLiAS MACS系統為間歇生產工藝提供了可靠、靈活的硬件和編程軟件。

　　參考文獻：

　　[1] 王常力,廖道文. 集散控制系統設計與應用[M].清華大學出版社,1993.

　　[2] 王常力,羅安. 分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].電子工業出版社,2004.