[關(guān)鍵詞]Honeywell EPKS C300；R301；PVC；Profit Loop PKS

[摘要]介紹了Honeywell EPKS C300系統(tǒng)的特點(diǎn)，濱化集團(tuán)15萬噸/年 PVC裝置的聚合工藝特點(diǎn)和控制要求，以及Honeywell EPKS C300在該項(xiàng)目上的硬件配置，軟件配置，控制方案，控制算法應(yīng)用情況。


Key words：Honeywell EPKS C300；R301；PVC；Profit Loop PKS

Abstract: Describe Honeywell EPKS C300’s characteristics, the characteristic and control requirements of Befar Group’s150 thousand tons/year PVC equipment, the application status of Honeywell EPKS C300 in hardware configure, software configure, control method, control algorithm of this project.

    山東濱化東瑞化工有限公司（簡稱東瑞公司）15萬噸/年P(guān)VC項(xiàng)目是山東濱化股份有限責(zé)任公司大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的末端項(xiàng)目，引進(jìn)了先進(jìn)的美國古德里奇生產(chǎn)技術(shù)，聚合方式采用懸浮聚合法。該項(xiàng)目生產(chǎn)工藝主要包括入料、反應(yīng)、出料回收、漿料汽提、離心干燥、自動(dòng)化包裝等，整個(gè)生產(chǎn)流程是個(gè)密閉的系統(tǒng)，即可有效利用原料，又降低操作人員接觸VCM的可能性，提高裝置操作的安全性。

1.PVC的聚合工藝

    懸浮聚合反應(yīng)過程在聚合釜中完成，聚合釜采用的是帶有兩層三葉后掠式攪拌槳、內(nèi)表面拋光的70m3不銹鋼聚合釜。進(jìn)行聚合釜涂壁后加入緩沖劑，接著加入無離子水，在無離子水進(jìn)料不久（尚未加完）開始加VCM，流量控制在兩者同時(shí)加料完畢的范圍，在此入料過程進(jìn)行釜溫調(diào)諧，使溫度接近反應(yīng)溫度。接著加入分散劑形成均勻體系，由過氧化物引發(fā)劑引發(fā)聚合反應(yīng)。隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，釜中物料體積會(huì)因單體和聚合物密度的不同而逐漸縮小，為保證反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，在反應(yīng)期間不斷加入中途注水以補(bǔ)償體積收縮。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱靠聚合釜夾套冷卻水和釜內(nèi)擋板冷卻水帶出。當(dāng)聚合反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，向釜內(nèi)加入終止劑終止反應(yīng)，進(jìn)行出料和回收，可準(zhǔn)備下一釜入料。

2.Honeywell EPKS C300 系統(tǒng)的特點(diǎn)

    Honeywell公司的控制系統(tǒng)采用了容錯(cuò)以太網(wǎng)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了保障作用，同時(shí)Honeywell公司的控制系統(tǒng)在硬件，軟件上都有其優(yōu)勢(shì)。

2.1系統(tǒng)硬件

    C300控制器和C系列I/O卡件占用很小的空間，每個(gè)C300最多支持64個(gè)冗余I/O 模件。

    C300控制防火墻，在已有可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，增加另外一層高安全防護(hù)以實(shí)現(xiàn)拒絕接收所有控制器不需要的信息，如果通訊速度變慢，將對(duì)那些不重要的信息流進(jìn)行控制。

    機(jī)柜內(nèi)排布和接線的垂直設(shè)計(jì)更有利于散熱管理，減少“熱點(diǎn)”。實(shí)現(xiàn)更有效現(xiàn)場(chǎng)接線，從頂部和底部進(jìn)線，具備更自然接線端子，沒有大的線纜彎曲，實(shí)現(xiàn)了更加緊湊的空間設(shè)計(jì)。

    容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE用于系統(tǒng)服務(wù)器，操作員站和控制器之間的數(shù)據(jù)通信。Honeywell專利技術(shù)為PKS量身定制開發(fā)的FTE驅(qū)動(dòng)突破以太網(wǎng)瓶頸實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)選擇，使得商用的100Mbps 以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。FTE以先進(jìn)的多路由選擇替代雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)冗余模式網(wǎng)絡(luò)。C系列卡件及PMIO收集現(xiàn)場(chǎng)信息，通過IOTA的IOLINK送達(dá)到控制器，控制器進(jìn)行判斷和執(zhí)行。

2.2系統(tǒng)軟件

    EPKS R301是針對(duì)EPKS C300所有采用的軟件系統(tǒng)，它提供了C300卡件運(yùn)行的軟件平臺(tái)。Experion 的企業(yè)模型提供了完善的數(shù)據(jù)以支持操作員和工程師。允許用戶在Experion 平臺(tái)上顯示企業(yè)結(jié)構(gòu)。Experion 企業(yè)模型由兩個(gè)獨(dú)特的部分構(gòu)成，資產(chǎn)模型和報(bào)警組。Experion 的控制策略用Control Builder 生成。Control Builder 是一個(gè)圖形化、面向?qū)ο蟮墓ぞ撸ぷ髟诳刂茍?zhí)行環(huán)境（CEE）下，支持Experion 的過程控制器、應(yīng)用控制器及仿真控制器。

    R301采用DSA 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，DSA是Honeywell EPKS創(chuàng)新技術(shù)之一，可以容易地將多個(gè)Experion PKS 族集成到一個(gè)單一的系統(tǒng)中。DSA允許使用低成本，低帶寬的網(wǎng)絡(luò)，無縫集成所有DCS數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)，報(bào)警，操作信息，歷史數(shù)據(jù)等等。并可構(gòu)成超大規(guī)模系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)命名。

    PKS系統(tǒng)組態(tài)軟件的標(biāo)準(zhǔn)算法庫可以非常方便編寫各種控制邏輯方案，除了標(biāo)準(zhǔn)算法庫之外，PKS還支持各種特殊的算法庫，并分別有各自的許可證，如AGA流量計(jì)算模塊。在R301系統(tǒng)中，最具特色是Profit Loop算法模塊。Profit Loop是一個(gè)駐留在PKS集散系統(tǒng)上單入單出的模型預(yù)測(cè)控制器。Profit Loop是具有專利的高效模型預(yù)測(cè)控制算法，Honeywell 預(yù)估控制技術(shù)已成功地用到很多石化項(xiàng)目上，Profit Loop 也是Honeywell 的專利技術(shù)。3/4 的Profit Loop PKS 已嵌入到控制器C300 及 ACE 節(jié)點(diǎn)中，無需額外費(fèi)用，這樣可以減少維護(hù)成本，增加過程穩(wěn)定性最多達(dá)30%，并且可以省略基于PID 所需的參數(shù)診定要求，準(zhǔn)確知道生產(chǎn)工藝運(yùn)行的過程。

3.硬件配置

    根據(jù)年產(chǎn)15噸PVC這一要求，該DCS控制系統(tǒng)配置了：模擬量輸入點(diǎn)（AI）176個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)（AO）80個(gè)。熱電阻輸出點(diǎn)（LLMUX）126個(gè)，開關(guān)量輸入點(diǎn)(DI)610個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)(DO)點(diǎn)582個(gè)。合計(jì)1574個(gè)點(diǎn)，其中控制回路78個(gè)。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們配置了相應(yīng)的硬件：操作站5個(gè)，其中4個(gè)為雙屏Flex station。1個(gè)為單屏console station，控制機(jī)柜6個(gè)，繼電器柜7個(gè)，電源柜1個(gè)，服務(wù)器柜1個(gè)，采用了3對(duì)C300控制器（均為冗余）。整體架構(gòu)如圖1所示：

    1#控制器下掛AI卡11塊，AO卡5塊，DI卡14塊，LLMUX卡2塊，DO卡15塊，主要負(fù)責(zé)分散劑、緩沖劑、鏈調(diào)節(jié)劑，軟水，引發(fā)劑，單體的控制。2#控制器下掛：AI卡11塊，AO卡4塊，DI卡10塊，LLMUX卡1塊，DO卡14塊，主要負(fù)責(zé)聚合反應(yīng)，涂壁，水單元的控制。3#控制器下掛：AI卡10塊，AO卡4塊，DI卡12塊，DO卡11塊，LLMUX卡1塊，DISOE卡6塊，主要負(fù)責(zé)初料，回收，終止劑，干燥，抽真空，汽提，廢水汽提單元的控制。

    控制站采集信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算輸出，具有故障自診斷功能。控制系統(tǒng)中全部的AO卡件和部分重要的AI、DO卡件采用冗余模式，當(dāng)出現(xiàn)卡件故障時(shí)候，卡件能實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了硬件基礎(chǔ)。操作站提供人機(jī)操作界面，接收控制器傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，供工藝人員監(jiān)視操作。

4.軟件和畫面配置

    服務(wù)器上安裝了Windows server 2003操作系統(tǒng)， Console station安裝了Windows XP操作系統(tǒng)，F(xiàn)lex station安裝了Windows XP操作系統(tǒng)。Flex Station是操作員用來與服務(wù)器進(jìn)行通信，獲得工廠實(shí)時(shí)信息和進(jìn)行實(shí)時(shí)操作的接口。Console station除了具有Flex station的功能外，還提供了從控制器，IOLIM和 ACE 節(jié)點(diǎn)直接獲得過程數(shù)據(jù)，報(bào)警和消息的通道。本套系統(tǒng)PVC工藝界面共設(shè)22幅。

5.主要控制特點(diǎn)

5.1 PVC控制特點(diǎn)：

    PVC有多種型號(hào)，每種型號(hào)PVC的配方由不盡相同的數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)組成，屬于單流程多產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。PVC生產(chǎn)大體可分為聚合和干燥兩部分，其中關(guān)鍵部分聚合是一個(gè)典型的批量間歇生產(chǎn)過程，由多個(gè)單元相互配合完成。

    生產(chǎn)裝置由助劑配置與加料單元、出料回收單元、聚合單元、水單元、干燥包裝單元等單元組成，各單元之間相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，其中聚合單元為主單元，其余單元為從單元，圍繞主單元運(yùn)轉(zhuǎn)。各單元有的是批量生產(chǎn)有的則是連續(xù)運(yùn)行，一個(gè)環(huán)節(jié)往往需要若干單元同步協(xié)調(diào)才能完成，所以一個(gè)單元故障將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)陷入停頓狀態(tài)。

    聚合生產(chǎn)是一個(gè)嚴(yán)格的順序控制過程。加料前，要準(zhǔn)備充足的單體、無離子水、分散劑、引發(fā)劑等原料和助劑，確定好產(chǎn)品型號(hào)和配方，然后啟動(dòng)生產(chǎn)程序，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定步驟執(zhí)行，大體過程為：選釜抽真空涂壁→沖洗加料聚合反應(yīng)判斷反應(yīng)是否終止加終止劑出料回收汽提干燥包裝。 

    根據(jù)上述，不僅要求DCS控制系統(tǒng)可運(yùn)行多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，同時(shí)還要解決生產(chǎn)過程中隨時(shí)可能發(fā)生的突變事件。PVC控制程序中所建立的CM、SCM點(diǎn)總共有800多個(gè)。CM點(diǎn)包括簡單的單回路控制、比值控制、聯(lián)鎖控制等；SCM點(diǎn)指順控程序點(diǎn)，它是整個(gè)控制程序的核心，是指揮整個(gè)PVC裝置平穩(wěn)運(yùn)行的大腦。SCM順控程序主要由Step和Condition兩種模塊組成，結(jié)構(gòu)緊湊、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，不僅實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的控制要求，而且便于操作人員操作及對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處理。  

5.2典型控制方案

(1) 軟水入料控制：

    為了節(jié)省升溫過程，縮短單釜操作時(shí)間，軟水入料采用熱水進(jìn)料，使得聚合釜溫度略高于聚合溫度，在加入引發(fā)劑后即可直接進(jìn)行聚合反應(yīng)。這是一個(gè)典型的分程控制，控制程序如圖2所示：

(2) 空釜檢測(cè)：

    在進(jìn)行涂壁之前，先檢查聚合釜底閥、終止劑加料閥、單體加料閥、抽真空閥等與聚合釜直接相連的閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài)，確定攪拌電流和聚合釜壓力小于設(shè)定值，檢查無誤后就可以進(jìn)行涂壁了。

(3) 聚合溫度控制：
    聚合溫度控制采用聚合釜溫和盤管冷卻水溫的串級(jí)控制，聚合反應(yīng)是個(gè)放熱反應(yīng)，釜內(nèi)溫度會(huì)不斷升高，通過調(diào)節(jié)擋板和夾套進(jìn)水量來穩(wěn)定聚合溫度，使聚合溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近?？刂葡到y(tǒng)由釜內(nèi)擋板主回路和夾套副回路組成，當(dāng)釜溫、夾套溫度低于設(shè)定值時(shí)，主副回路通過增減閥門開度控制冷卻水流量來調(diào)節(jié)溫度；當(dāng)釜溫、夾套溫度高于設(shè)定值時(shí)，由釜溫調(diào)節(jié)功能塊的輸出作為夾套溫度PID調(diào)節(jié)的外給定，從而使釜溫波動(dòng)在一定的范圍內(nèi)。

(4) 注水控制：
 
    聚合反應(yīng)過程中總物料體積會(huì)減小，為了維持總反應(yīng)體系物料體積不變，在聚合反應(yīng)進(jìn)行到一定的程度，一般是在聚合反應(yīng)開始后45分鐘時(shí)加入一定體積的水，這樣既可防止可能產(chǎn)生的局部爆聚，也能提高聚合生產(chǎn)強(qiáng)度和產(chǎn)品質(zhì)量。

(5) 聚合反應(yīng)終止的判定：
 
    在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，聚合反應(yīng)終止一般分為正常終止反應(yīng)和緊急終止反應(yīng)兩種情況。控制程序根據(jù)聚合釜內(nèi)壓力、溫度和反應(yīng)時(shí)間來判斷反應(yīng)是否結(jié)束，在反應(yīng)進(jìn)行420分鐘后無論釜內(nèi)壓力和溫度是否達(dá)到規(guī)定值，都認(rèn)為反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束。如果在反應(yīng)的過程中，出現(xiàn)了超溫、超壓等特殊工況，將加入緊急終止劑來緊急終止反應(yīng)過程。聚合反應(yīng)主要程序如圖3所示：  

6.profit Loop 軟件在PVC控制系統(tǒng)中運(yùn)用

    Profit Loop PKS是一個(gè)基于模型預(yù)測(cè)控制器。Profit Loop PKS Assistant是一個(gè)簡化Profit Loop PKS配置活動(dòng)的工具，來實(shí)現(xiàn)模型定義。在PVC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我們?cè)赑VC控制邏輯中選定了幾個(gè)控制效果不理想的控制回路實(shí)施從PID轉(zhuǎn)到Profit Loop的控制，均取得了理想的效果。

    首先應(yīng)該根據(jù)不同回路類型的特點(diǎn)，在PVC控制方案中，選擇要實(shí)現(xiàn)Profit Loop控制的控制回路。
PID-PL 功能塊作為功能塊的一種，可以在Control Builder中的功能塊Library中直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)替代傳統(tǒng)PID功能塊作用。在確定了要實(shí)現(xiàn)Profit Loop控制的控制回路以后，在組態(tài)的時(shí)候應(yīng)確定用PID-PL 功能塊。

    應(yīng)用Profit Loop，需要獲得過程模型。進(jìn)行過程模型系統(tǒng)識(shí)別，既是過程如何相應(yīng)輸入變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，使控制器過去的輸出OP值和將來預(yù)測(cè)的PV值聯(lián)系起來。Profit Loop PKS model可以從現(xiàn)有的PID參數(shù)直接轉(zhuǎn)換而來，也可以通過階越函數(shù)測(cè)試獲得。在濱化PVC項(xiàng)目中，我們主要應(yīng)用了第二種方法來獲得系統(tǒng)模型。

    在測(cè)試完成后，對(duì)回路進(jìn)行精確整定的方式有兩種，第一種可以通過輸入PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)；第二種可以通過針對(duì)PID-PL回路輸入指定的整定參數(shù)實(shí)現(xiàn)。在第二種方式中通過簡單地增加性能比值來減慢調(diào)節(jié)動(dòng)作的速度，同時(shí)增加魯棒性。反之，如果調(diào)節(jié)器動(dòng)作太慢，則可以通過減少性能比值來加速閉環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)。

7.結(jié)束語

    Honeywell公司的EPKS C300 DCS控制系統(tǒng)，融入霍尼韋爾數(shù)十年的過程控制、資產(chǎn)管理、領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)，融合最新控制和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。應(yīng)用EPKS C300系統(tǒng)的濱化PVC項(xiàng)目于08年8月建成并投產(chǎn)，運(yùn)行良好。同期建設(shè)的濱化的離子膜，三氯乙烯，粒堿，環(huán)氧丙烷等項(xiàng)目也應(yīng)用了EPKS C300系統(tǒng)，也都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

[作者簡介] 蔣巨兵（1973-），男，本科學(xué)歷，  工程師，1997年畢業(yè)于武漢化工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任濱化集團(tuán)東瑞公司總工程師。

馬 浩 （1980-），男，研究生學(xué)歷，工程師，2006年畢業(yè)于浙江大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)?，F(xiàn)任濱化集團(tuán)東瑞公司副主任工程師。

本文得到了濱化集團(tuán)東瑞公司的徐華安經(jīng)理大力幫助。

[參考文獻(xiàn)]
[1]段琳，楊博，申建慶. 控制技術(shù)在PVC聚合過程中的應(yīng)用[J]. 聚氯乙烯，2008（5）：23-26.