基于PCS7聚氯乙烯工业反应的连续过程控制

王 浩，吴 峰，张建强，李文阳

（辽宁工业大学 电气工程学院 “西门子杯”中国智能制造挑战赛辽宁工业大学Campus-Hub校园学习中心，锦州 121001）

聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯单体自由基聚合而成的聚合物。在现在生产中15%～20%的PVC是通过乳液聚合方法合成的，其次悬浮聚合合成的。此连续过程系统的化学工艺为悬浮聚合法。悬浮聚合法具有操作简单、生产成本低、产品质量好、经济效益好应用广泛等优点，适用于大规模工业生产。西门子S7-400 PLC与SIMITIC PCS7软件通过以太网进行通信。可以满足不同场合的应用，例如石油化工，污水处理，发电厂等多种场所。此连续过程控制系统包含工程师站（ES），操作员站（OS），自动化系统（AS）硬件组态，连续功能图（CFC）的设计顺序功能图（SFC）的编写，PID控制算法计算，WinCC监控画面的绘制，阀门特性选择及安全的系统设计，系统设备的选择与系统连接。

1 连续过程的对象特征及工艺流程分析

通过图1可知，此连续过程反应系统是以氯乙烯、去离子水在分散剂（纤维素醚）、引发剂（过氧化二碳酸二异丙醇）的作用下进行反应，反应生成聚氯乙烯，杂质有未完全反应的氯乙烯单体、引发剂、分散剂等。流程为先将去氯乙烯通入到聚合釜中，再将离子水用泵通入到聚合釜中并启动搅拌器，再加入分散剂和引发剂。反应后过量的氯乙烯经闪蒸罐进行回收再利用。反应设备包括：聚合釜，预热器和闪蒸罐[1]。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow chart

此连续过程反应系统要达到的最终目的是，在反应过程为安全的情况下，在固定时间内积累量达到最大化。因为此系统的重点是在固定时间内提高积累量。影响积累量的主要因素为氯乙烯和去离子水配比，分散剂的用量以及聚合釜中温度、压强、搅拌器转动速率等。

2 控制方案设计

2.1 控制系统的顺序流程

（1）进行初始化，关闭所有的阀门和泵。

（2）初始化结束后，首先启动氯乙烯的进料泵，打开氯乙烯进料阀；再启动去离子水的泵，打开去离子水的阀并启动搅拌器。令物料氯乙烯和去离子水进入聚合釜。

（3）启动分散剂的进料泵，打开分散剂进料阀；再启动引发剂的泵，打开引发剂的阀。氯乙烯，去离子水，分散剂，引发剂以 1000∶500∶5∶3 的比例进料。

（4）当聚合釜的温度达到50℃后，打开冷却水进水阀对聚合釜进行降温，打开冷却出水阀进行对预热罐进行加热，一部分冷却水进入公共工程进行回收利用。

（5）启动闪蒸罐中的真空泵，由于氯乙烯是气体，将从罐顶蒸出进入精馏工序提纯循环使用。

（6）当聚合釜压强达到后0.687 MPa，启动闪蒸罐中的输送泵，打开闪蒸罐中混合物管线出料阀门，罐底液相混合物进入下游分离工序。

（7）通过逐步加大氯乙烯、去离子水的物料阀的开度以提升负荷。

2.2 进料流量比值控制

流量控制系统中控制的对象是一个连续的过程，该过程有4种物料，为了保证正常工况反应的动态平衡以及满足工艺的要求，四种物料按设定的比例进料，同时为了适应生产的灵活性以及在开车段对进料的要求，同时为了抑制流量的扰动，减小流量的干扰，使流量跟随给定，我们采用了四闭环比值控制。

2.3 反应釜的温度控制

在工业生产中，物体传热过程的控制就是温度控制，包括传导传热，辐射传热和对流传热。其操纵变量一般是流量，例如加热介质的流量，冷却介质的流量，燃料的流量等。温度控制包括冷却控制段和物料控制段。冷却控制段是指温度随着反应的进行改变自来水的进料来控制；物料控制段的控制对象较为复杂，随着反应的进行，四种物料的不断流入，反应釜内的物料不断的流出，反应釜内的物料成分不断地发生变化，其特性也一定一直处于变化之中，模型也不易建立。在SFC开车过程中反应釜升温段的控制原则是：保持第一阶段连续快速升温，但不能升温过快而导致失控。为了针对温度PID调节滞后较大的特点，故采用如图2所示温度串级控制。

图2 温度串级控制图Fig.2 Temperature cascade control diagram

氯乙烯悬浮聚合温度的高低决定着聚合产物的相对分子质量大小，因此，在确定配方的物料比后，必须严格控制聚合温度。在实际工业生产中，通常控制在规定温度的±0.5℃范围波动，最理想的是控制在±0.2℃范围内[2]。当转化率达到60%～70%时，发生自加速现象，反应加快，放热现象强烈，应增加冷却水。因此结合SCL语言控制温度的缓慢上升，达到设定温度后保持该温度，该控制方法能提高系统的响应速度，改善控制质量，此外串级控制还有一定的自适应能力。从而达到理想的控制效果。

控制段的SCL语言如下：

2.4 安全方案设计

该反应过程是放热反应，物料的反应使得温度上升，温度上升就会影响反应器内的压力，所以压力受到进料物料流量的影响，冷却水的流量以及出口流量的影响。在压力允许的范围内处于正常工况；当压力超过允许的范围但是又不至于紧急停车时，可以通过控制冷却水的阀门开度，降低反应器的温度同时压力也会降低，这样就不会因为压力的一点超限而引起紧急停车，造成浪费，同时对环境造成一定影响；但是压力超出限定值时，就必须加入反应抑制剂，因为压力过大可能会引起反应器的爆炸，从安全、环保方面等都是不利的。一是可以通过升温控制单元来控制压力，二是就可以加入反应抑制剂来阻止反应的进行。但是加入反应抑制剂就不利于生产了，这也是最不利的做法。因此我们主要依靠冷却水控制温度的同时也控制罐内压强。

由于该反应加入催化剂进行反应，催化剂的量会影响反应的剧烈程度，从而也会间接的影响的反应罐的压强。这就需要在进料比上去灵活控制。这就是变比值控制。

3 控制器的选择

在这次工程中，控制器选用的是PID控制器，对PID的选择主要是对它的控制规律和正反作用。正作用控制器：控制器的输出随着被调节量或输入偏差的增大而增大；反作用控制器：控制器的输出随着被调节量或输入偏差的增大而减小。PID控制规律：P控制器响应快速，调节及时，但不能消除余差；I控制器反应迅速，可以有效地消除余差；如果被控对象存在较大的滞后，则需要选择D控制器[3]。通过其对进出口物料阀门的控制来实现工程的稳定运行，而在整个工程中主要涉及到了单回路控制、变比值控制、串级控制和比例控制，通过四者的结合以及PID参数的调节来保证工程的运转。

4 控制系统的开发

4.1 控制系统硬件设计

高级多功能仿真系统（SMPT-1000）模拟由锅炉，蒸发器，反应釜等组成反应过程。SMPT-1000的硬件组成为数字式软仪表，设备盘台，嵌入式工控机，接口硬件，辅助操作台。SMPT 1000能够利用设备左侧的（AI/AO，DI/DO）端子排与外部PLC或DCS控制系统相连接。且提供了ProfibusDP和OPC Server都可以与外部进行数据交换。控制器为SIMITIC S7-400 PLC。其控制硬件系统图如图3所示。

图3 硬件控制图Fig.3 Hardware control diagram

4.2 系统软件设计

在控制方案中，我们所使用的软件是PCS7 V8.0 SP1。其特点是拥有集成度较高的基于SQL服务器的归档系统即强大的HMI系统，基于IEC 61131的集中式，工厂范围内的工程系统。且有较强的伸缩性。最高可以控制高达60000个过程对象的工厂。

如图4、图5所示在组件视图进行创建硬件组件，总线组态，过程I/O和PC站的硬件组态。

图4 AS硬件组态Fig.4 AS hardware configuration

图5 OS硬件组态Fig.5 OS hardware configuration

我们这次的组态是单工作站系统，ES和OS在同一台PC机上，此时，配置本地PC代表ES和OS。在完成AS和OS编译和下载后，如图6所示，打开NetPro视图，建立OS站和AS站的连接。

在工厂视图中进行连续功能图CFC的设计，顺序功能图SFC的编写与调试。

4.3 控制效果

此工程的控制系统运行曲线如图7所示。反应罐液位达到50%后稳定，由于此化学反应为放热反应，所以当反应诱发成功后，反应温度以一定速率上升，为了使温度缓慢上升到设定值，此时打开冷却水进水阀通过PID调节器的调节，使其达到设定值并保持稳定[4]。从而，在经过一段时间的反应后，此时浓度达到90%以上，达到设计的要求。说明了整体系统的设计是可行且稳定的。

图6 NetPro视图Fig.6 NetPro view

图7 运行效果图Fig.7 Running effect diagram

5 结语

根据聚氯乙烯的工业生产流程，对整个连续过程控制系统从物料配比、混合罐液位、反应釜液位、反应温度以及压强等方面进行合理的优化，并且在SMPT-1000上进行仿真验证，实验数据表明：控制系统可以控制工艺流程中的变量达到所设置的工艺要求。控制系统有效、安全、可行、具有较高的稳定性。