基于DCS的聚氯乙烯引发剂生产控制系统设计

刘 然 高德欣 曹梦龙

(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042)

基于DCS的聚氯乙烯引发剂生产控制系统设计

刘 然 高德欣 曹梦龙

(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042)

以浙大中控ECS-100 DCS系统为核心平台，设计了一套针对聚氯乙烯引发剂安全生产的控制系统。详细介绍了系统的整体结构、硬件设计、软件组态和监控界面设计。现场实际运行结果表明：该系统运行稳定、生产安全，达到了规定的工艺要求和指标。

过程控制 DCS 聚氯乙烯引发剂

在聚氯乙烯悬浮聚合生产过程中，引发剂是一种重要的助剂。不同活性的引发剂生产不同型号的PVC树脂。如何安全、稳定、有效地生产各种类型的引发剂，以满足日益增长的需求，成为当务之急[1]。由于生产聚氯乙烯引发剂的控制过程相对较为复杂，对所需反应物料的进料量精度和反应釜温度控制要求较高，所以需要DCS进行整体设计和控制。DCS系统出现在20世纪80年代，如今在化工企业中已得到广泛应用，它有效提高了企业的生产效率，降低了管理成本，节约了能源消耗，并使化工生产逐渐走向智能化、复杂化、自动化和规模化[2]。随着计算机与网络技术的迅猛发展，DCS系统凭借其自身科学性的设计，对化工行业的发展做出了卓越的贡献[3，4]。

青岛某化工企业聚氯乙烯引发剂的生产过程，原来需要现场手动操作，现根据改造升级要求，采用浙大中控ECS-100 DCS系统，对整个控制过程中所需的压力、液位和流量进行统计和组态，并通过AdvanTrol-Pro监控界面进行监视。针对引发剂反应釜进料过程和温度控制要求采用了图形化编程，整定了控制参数，使整个引发剂生产过程更加安全，操作更加简便。

生产聚氯乙烯可采用数十种引发剂，其中采用较多的是二碳酸酯、过氧化酯、二酰和偶氮化合物4种结构类别的引发剂[5]。控制系统工艺说明以过氧化二碳酸双十六烷基酯(简称DCP)在A反应釜的反应生成为例。选定A反应釜DCP配方进行反应，同时默认选定碱液高位槽A、双氧水高位槽A、氯代酯高位槽A，DCP的生产工艺流程如图1所示。

图1 DCP的生产工艺流程

加软水清洗反应釜。在执行反应操作之前，应当先将反应釜内壁用软水进行冲洗，防止前次反应的遗留物在反应釜内结垢，影响以后的生产。清洗前要确保现场手阀开关正确且软水回流泵工作正常。

加无离子水。对反应釜冲洗完毕后，需向反应釜内加一定量的无离子水(配方，可调)，用于稀释碱液浓度，并且可以减少聚合反应过程中其他离子对反应物纯度的影响。生产过程中对无离子水流量进行流量累计，每次加无离子水完毕后累计量自动清零，确保进料精确。

过氧化钠合成。打开碱高位槽A出料阀和A反应釜进料阀，向A反应釜内加一定量的碱液(配方，可调)，经过反应釜内无离子水的稀释，使釜内碱液浓度保持在7%～8%。此时以釜底温度TE9115A为主环温度，以釜顶温度TE9101A为副环温度进行温度串级控制，将釜温维持在设定值(配方，可调)。当碱液进料完毕后，自动关闭碱高位槽A出料阀和A反应釜进料阀，同时打开双氧水高位槽A出料阀(调节阀阀门开度可调)向反应釜A加一定量双氧水(配方，可调)，进行过氧化钠合成。期间釜温依靠温度串级控制维持在12℃(配方，可调)，持续25min左右。

DCP合成。过氧化钠合成完毕后，将一定量的氯代酯(配方，可调)加入反应釜A中，此时双氧水高位槽A出料阀自动关闭，氯代酯高位槽A出料阀与调节阀打开，并启动搅拌电机。反应期间串级控制主回路TIC9101A温度控制在9℃左右，副回路TICA9101A输出-20℃冷冻盐水调节阀开度，保证釜温稳定，持续反应3h，直至反应结束。

水洗、提纯、干燥。反应结束后，手动打开冷冻盐水阀进行冷却、降温，将反应生成物用冷水洗涤过滤得到DCP粗品，于30℃环境下干燥24h，然后用酒精提纯制得DCP成品。反应釜A控制流程如图2所示。

图2 反应釜A控制流程

2 聚氯乙烯引发剂生产控制系统设计

浙大中控ECS-100 DCS系统是以通信网络为纽带，包含过程控制级和过程监视级的计算机控制系统，结合了计算机、控制、通信和显示4C技术[6，7]。笔者所设计的聚氯乙烯引发剂生产控制系统以ECS-100 DCS系统为开发平台，其结构包含工厂管理层、过程控制层和现场仪表层3个部分。ECS-100 DCS系统结构如图3所示。

图3 ECS-100 DCS系统结构框图

工厂管理层采用C/S网络模式，能够实现实时数据采集、实时报警提示、历史趋势及历史操作查询等功能。通过管理信息网，厂长办公室、总工程师办公室和生产调度室可随时掌握工厂生产状况，并完成管理者和各职能科室生产管理报表生成的任务。

过程控制层运用高速冗余工业以太网SCnetII网络，直接连接上位机操作站和操作目标，是控制过程中信息传送的重要通道，主要包括操作员站、工程师站和由主控制卡构成的控制站。其中控制站采用冗余配置(即双主控卡互为冗余)，配合冗余SCnetII网络，可使整个信息传输通道更加稳定可靠。

现场仪表层包括就地仪表、传感器、执行电机、变频器、开关阀和调节阀，用于现场实时参数采集、频率设定和阀门控制。根据现场所需要采集的点数来决定ECS-100 DCS控制柜中I/O卡件的个数。I/O卡件的功能是将从现场采集的各种模拟量转换为相应的电信号或数字信号，通过C/S网络传送至上位机，上位机再通过符合工艺流程的控制程序计算出控制量，将它下达给现场仪表层中的各个单位执行。

3 聚氯乙烯引发剂生产控制系统硬件设计

对于不同的工程项目，DCS为实现过程控制所需建立的控制站是不同的。控制站主要包括控制站机柜、交流温控器、卡件机笼、通信接口卡、电源指示卡、数据转发卡、主控制卡、电源模块及I/O卡件等。其中卡件机笼、数据转发卡、主控制卡、电源和I/O卡件是组成控制站不可缺少的部分，其他部分可根据工程需要进行遴选[8，9]。

3.1测点统计与硬件选型

根据聚氯乙烯引发剂生产所需要的点数确定控制系统的规模，即统计该系统中的点数，列出点数列表(表1)，然后以此列表为依据，确定该控制系统所需要的相应卡件数和端子板数目。

表1 聚氯乙烯引发剂生产控制系统点数列表

完成点数统计后，根据实际点数的性质，确定各类I/O卡件的数量，需设计适当的备用点，以便对于重要的信息采集点进行冗余操作。

表1中热电阻信号点数为26。热电阻信号可由模拟量输入卡件FW353(B)采集，FW353(B)卡件通道数为8，即每一个FW353(B)卡件可采集8个热电阻信号。根据实际统计出的热电阻信号点数，共需4个FW353(B)卡件，冗余6点作为备用。

表1中模拟量输入点数共有29个(4～20mA模拟电流信号)，包括压力、液位、重量和流量信号。这些标准模拟量电流输入信号可由FW351(B)卡件进行采集，FW351(B)卡件通道数为8，即每一个FW351(B)卡件可采集8个标准模拟量电流输入信号。根据工艺控制要求，标准模拟量电流输入信号的采集十分重要，所以需要多预留点数，共采用5块FW351(B)卡件，冗余11点作为备用。

表1中模拟量输出点数共有20个(4～20mA模拟电流信号)，主要控制各个调节阀的开度。此类信号可由FW372(B)卡件进行控制。FW372(B)为8路点点隔离型信号输出卡。本系统采用3块FW372(B)卡件，冗余4点备用。

表1中数字量输入点数共有69个，采用FW366(B)卡件进行处理。FW366(B)为16路数字信号输入卡。依据现场侧的需求，共需要5块FW366(B)卡件，冗余11点备用。

表1中数字量输出点数共有35个，由卡件FW367(B)进行处理。FW367(B)卡提供16个MOS管作为16路输出。共需要3块FW367(B)卡，冗余13点备用。

根据以上统计的I/O卡件数量，可以确定控制站和操作站的个数。浙大中控ECS-100 DCS系统共有4个机笼，每个机笼有20个插槽。除去主控卡和数据转发卡所占用的卡槽，每个机笼留给I/O卡件的卡槽为0～15号(共16个)。为使I/O卡件正常工作，需要FW252-03A卡件对它供电(5V，直流)。因为某些I/O卡件需要向外供电，故必须准备FW252-04A的电源卡件对外提供24V直流电。最后根据生产方要求，将控制系统分为一个工程师站和两个操作员站。最终需要的卡件数见表2。

表2 聚氯乙烯引发剂生产控制系统卡件数统计

(续表2)

3.2卡件布局

根据表2所统计的卡件数量进行ECS-100 DCS控制柜的卡件布局设计。控制系统共需20个I/O卡件，占用两个机笼，剩余的卡槽不参与任何控制，为防止灰尘进入卡槽内部，剩余的卡槽需插入空卡卡件FX000。为了更好地发挥卡件冗余特性并方便以后维护，现对控制柜按照图4进行布局。

图4 ECS-100 DCS控制柜卡件布局

4 聚氯乙烯引发剂生产控制系统组态

控制系统采用ECS-100 DCS组态软件SCKey进行系统组态。SCKey组态软件能通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机交互界面，并大量采用Windows标准控件，保持了操作的一致性。该组态软件功能齐全、操作简捷，可进行卡件组态，建立操作小组，进行监控系统流程界面设计、图形化编程等操作。

4.1主机设置

主机设置主要用于主控制卡和操作站的设置，点击菜单栏中的“总体信息/主机设置”可弹出主机设置操作界面。该界面主要包括主控制卡设置和操作站设置。主控制卡设置项主要用于完成对主控制卡(即控制站)参数的设置，主要包括主控制卡IP地址、运行周期、型号、通信协议及冗余状况等。操作站设置项主要完成操作站(工程师站、数据站和操作员站)的设置，其中包括IP地址、类型选择、冗余设置及关联策略等操作项。在该设置界面的右侧有4个命令按钮可进行设置操作，其中，整理命令按钮是将现有设置项按地址顺序进行排序。增加命令按钮可在现有设置项中增加一个节点。删除命令按钮是将现有设置项中选中的一个节点删除。退出命令按钮则执行退出设置界面的操作，并将设置期间的更改项进行保存。

4.2卡件设置

卡件组态是根据卡件的冗余情况和卡件在SBUS-S2网络上的地址进行的组态。在菜单栏中选择“控制站/IO组态”，即会弹出卡件组态设置界面。卡件组态设置界面主要包括数据转发卡设置、I/O卡件设置和I/O点设置3项。数据转发卡设置项用于数据转发卡的地址、型号及冗余等设置操作。I/O卡件设置项用于设置不同型号的I/O卡件，以及它们的注释、地址和冗余状况信息。I/O点设置项是在不同I/O卡件下设置相应的I/O点，这些I/O点与现场测位号相对应，保证信号传输的正确性，也可在此设置项中设置不同I/O点的位号、地址、各项参数(包括上下限、信号类型等)及报警等。

4.3流程图组态

流程图是ECS-100 DCS系统中最重要的监控操作界面，用于显示被控设备对象的整体流程和实时运行状况，并操作相关数据量。因此，控制系统的流程图应具有较强的图形显示(包括静态和动态)和数据处理功能[10]。

流程图组态所用组态软件是SCDrawEx。选择菜单栏中的“操作站/流程图”，根据实际项目需要增添流程图页数，点击编辑可进入流程图制作页面。流程图中可对I/O点设置中的位号进行引用，并且可以显示或操作位号状态(ON、OFF或相应数字量)。流程图监控主界面如图5所示。

图5 流程图监控主界面

除流程图主界面之外，SCDrawEx还提供“弹出式流程图”设计操作。弹出式流程图与一般流程图制作过程完全一样，只需在流程图主界面中设置特殊翻页按钮，并添加相应的弹出式流程图页数，即可在监控模式下点击特殊翻页按钮弹出相对应的弹出式流程图。这为操作人员提供了多样化操作方式，并能使流程图主界面在简洁明确的前提下，提供更多的操作渠道，使监控主界面功能更加全面。本控制系统弹出式流程图可执行选择配方、软水累计流量清零、进料开始与停止、进料暂停与重启操作，同时还提供相应反应釜的实时显示。弹出式流程图如图6所示。

图6 反应釜A弹出式流程图

流程图作为整个监控系统的主要界面，需秉承“集中控制，操作简捷，数据准确”的原则。同时应参照国家相关标准进行流程图制作。整体界面应条理有序、主次分明、避免高亮的颜色，以防操作人员视觉疲劳。

5 结束语

通过本次青岛某化工企业设备改造升级，基于浙大中控ECS-100 DCS的控制系统得以成功应用，从根本上解决了该化工企业控制水平落后、安全可靠性不足及生产效率低等诸多问题，提高了聚氯乙烯引发剂生产系统整体的自动控制水平。该系统所采用的硬件设计和组态软件技术都较为成熟，可广泛推广。

[1] 孙太平,胥珠兰.试述聚氯乙烯产品质量的影响因素及改进措施[J].化工管理，2015,(20):47～48.

[2] 燕辰凯.建设数字化电厂的思考[J].能源与节能，2014，(1):53～56.

[3] 刘芬.化工生产中DCS控制系统的应用[J].化工管理,2014,(6):61～62.

[4] 任喜金,蒋瑞,魏烈元.石油化工自控设计中冗余容错技术实践[J].化工自动化及仪表，2014,41(4):434～436.

[5] 景阳岗,戴晋林,王洁.新型引发剂DCP的合成[J].聚氯乙烯,2000,28(2):46～48.

[6] 潘茂强.DCS在压滤脱水装置中的应用[J].化工自动化及仪表，2013,40(5):679～682.

[7] 张汉昌.集散控制系统DCS在瓦斯发电自动监控系统中的研究及应用[J].煤矿机电，2013，(2):88～93.

[8] 孙勇.DCS系统过程控制功能的设计与实现[D].厦门：厦门大学，2013.

[9] 裘坤,李华军,何应坚.控制系统冗余设计和分析[J].自动化仪表,2008,29(12):52～53.

[10] 臧小军,贾晓群.DCS在秦山核电控制系统的应用[J].自动化技术与应用,2013,32(2):94～98.

DesignofDCS-basedControlSystemforProductionofPVC’sInitiator

LIU Ran, GAO De-xin, CAO Meng-long

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266042,China)

Taking SUPCON ECS-100 DCS as key platform, a control system for production of PVC’s initiator was designed and its overall structure, hardware design, software configuration and monitoring interface design were described. Application result shows that this DCS system can run stably and can achieve targets as the process required.

process control, DCS, PVC’s initiator

TH865

B

1000-3932(2016)06-0573-06

2015-09-16