PLC在新型增塑剂自动生产控制中的应用

付伟

【摘 要】本文以西门子可编程控制器为核心，根据新型增塑剂的生产工艺，建立完善的控制系统结构，通过独到的软件设计，解决生产反应过程中的高滞后性温度控制问题，大大提高生产效率和反应的稳定性、可靠性，方便管理，安全操作。

【关键词】可编程控制器；增塑剂生产；系统结构；软件设计

0.引言

增塑剂是世界产量和消费量最大的塑料助剂之一。近年来，我国已成为亚洲地区增塑剂生产量和消费最多的国家。目前国内企业生产的主增塑剂在许多性能上特别是卫生、低毒性等都难以满足环保的要求。新型增塑剂无毒，不含仿雌激素和抗雄激素物质，无致癌物质，不会引起过氧化物酶体增殖。

可编程控制器（PLC）有着突出的适应能力、灵活的应用方法、方便的操作方式、稳定的可靠运行、相对容易的维护维修和良好的性价比等诸多优点，也是本文应用PLC实现新型增塑剂的自动化生产控制的根本原因。通过逻辑、顺序控制与人机交互解决新型增塑剂的自动化生产中的诸多难点。

1.系统总体结构和功能

增塑剂的自动化生产系统基本上是以PLC为控制核心，对控制现场采集的数据进行实时检测和和分析，通过人机交互界面进行指令发布，在反馈给PLC进行逻辑、顺序控制输出，实现闭环的自动化控制。人机交互采用两台高性能工控机，互为主备，可对关键数据、工艺流程、数据报表、实时历史曲线进行显示打印。总体设计原则如下图：

2.工艺流程分析

2.1工艺流程简介

新型增塑剂的生产主要是化合反应，通过三种主料和一种催化剂按照一定配比进行混合反应，整体反应周期为20小时左右，反应过程分为主料定量添加洗料、辅料定量添加反应、混合反应等三个主要流程， 主要设备为称重釜、蒸汽预热装置、夹套反应釜、加料泵、高位计量罐和调节阀；反应釜的温度主要通过夹套中添加冷却水或蒸汽进行调节，这也就造成了稍后提到的温控难点。

2.2工艺流程控制分析

整体反应要求对每个流程的时间做顺序分段控制，各阶段时间在反应前可调整；第一流程主料定量添加洗料，主要是通过称重测量进行批量加料，加料过程中通过对蒸汽预热装置的温度调节和对加料速率的调节，实现主料的预热，便于第二阶段反应。

其中第二、三反应流程要求对反应环境进行温度控制，由于反应釜的温度主要通过夹套中添加冷却水或蒸汽进行调节，造成反应釜温度的严重滞后，在进行加温和降温操作后，相应反应釜温度的变化出现可能滞后30分钟以上，这也就造成传统的PID温度控制和位式温度控制在这个系统中无法使用，成为控制中的一个难点。

第二流程中对于两种辅料和一种催化剂的定量比例添加要求比较严格，要求三种物质同时启动添加，而且两种辅料持续整个流程，前后时间差不能超过5分钟。整个添加过程配比和流量稳定，以此保证反应的相对稳定。故使用高位计量罐、高精度调节阀和流量计进行定量和流量控制，以达到系统反映要求。

3.软件设计方法

3.1软件设计思路

首先根据要求对系统功能块进行分工，逻辑控制、时序控制和联锁控制主要由PLC进行处理；数据显示、参数和时间设定、报表管理、数据曲线显示、报警、人机交互主要由人机交互组态软件进行处理。

由于反应为放热反应，有一定的安全要求，故人机交互设备采用冗余配置，两台机器互为热备，主机与PLC进行数据交互，从机与主机间通过网络链接，进行数据共享和主从机工作状态监测，当主机发生故障，从机自动切换为主机进行控制，提高系统安全性。

根据安全需要，组态软件在第二、三阶段对反应釜温度的变化速率进行检测和报警，避免反应速度过快反应失控的现象发生。

PLC程序按照整体反应的阶段编制不同的功能块和控制程序，整体反应3个阶段的停止和启动有人机交互进行确认和启动，以调用PLC不同阶段的控制程序和功能块。

3.2 PLC软件控制难点的解决

程序关键阶段为第二反应阶段，控制难点也集中在这一阶段。难点集中为：

（1）根据加料的不同阶段，反应的状态是有变化的，不能使用固定的控制模式。

解决方案为进一步进行分阶段控制，以时间和升降温次数来进行分阶段，每一阶段采用不同的温度控制功能方式进行控温处理。在用升降温次数来进行分阶段时，关键为升降温阶段转换的判断，这部分程序可如下图：

（2）由于反应釜的温度主要通过夹套中添加冷却水或蒸汽进行调节，造成反应釜温度的严重滞后，造成传统的PID温度控制和位式温度控制在这个系统中无法使用。

解决方案为脱离传统的控温方式，针对系统制作专家控温系统，采用分温度段、分升降温阶段不同热交换量控制，专家预调节温度控制，并结合关键温度段根据升降温速率调节热交换量的方式对反应温度进行调节。通过实际运行，可以达到熟练工艺工程师手动操作工艺流程的控温效果。

其中分段程序的编制可如下例：

4.结束语

本文介绍了新型增塑剂生产的工艺过程，应用PLC和人机交互对其实现自动化生产控制，同时更深入的分析和探讨控制系统的结构、分工和设计方法，并针对控制中的难点进行探讨与解决方案的举例，可供类似系统的开发借鉴。

【参考文献】

[1]柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用.机械工业出版社，2006.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术.机械工业出版社，2012.

[3]汪多仁.绿色增塑剂.化学工业出版社，2012.