[關鍵詞]Honeywell EPKS C300；R301；PVC；Profit Loop PKS

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


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PVC項目是山東濱化股份有限責任公司大力發展循環經濟的末端項目，引進了先進的美國古德里奇生產技術，聚合方式采用懸浮聚合法。該項目生產工藝主要包括入料、反應、出料回收、漿料汽提、離心干燥、自動化包裝等，整個生產流程是個密閉的系統，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、內表面拋光的70m3不銹鋼聚合釜。進行聚合釜涂壁后加入緩沖劑，接著加入無離子水，在無離子水進料不久（尚未加完）開始加VCM，流量控制在兩者同時加料完畢的范圍，在此入料過程進行釜溫調諧，使溫度接近反應溫度。接著加入分散劑形成均勻體系，由過氧化物引發劑引發聚合反應。隨著聚合反應的進行，釜中物料體積會因單體和聚合物密度的不同而逐漸縮小，為保證反應系統穩定性，在反應期間不斷加入中途注水以補償體積收縮。反應過程中產生的大量反應熱靠聚合釜夾套冷卻水和釜內擋板冷卻水帶出。當聚合反應到達終點時，向釜內加入終止劑終止反應，進行出料和回收，可準備下一釜入料。

2.Honeywell EPKS C300 系統的特點

    Honeywell公司的控制系統采用了容錯以太網技術，對生產的穩定運行起到了保障作用，同時Honeywell公司的控制系統在硬件，軟件上都有其優勢。

2.1系統硬件

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

    C300控制防火墻，在已有可靠的網絡架構基礎上，增加另外一層高安全防護以實現拒絕接收所有控制器不需要的信息，如果通訊速度變慢，將對那些不重要的信息流進行控制。

    機柜內排布和接線的垂直設計更有利于散熱管理，減少“熱點”。實現更有效現場接線，從頂部和底部進線，具備更自然接線端子，沒有大的線纜彎曲，實現了更加緊湊的空間設計。

    容錯以太網FTE用于系統服務器，操作員站和控制器之間的數據通信。Honeywell專利技術為PKS量身定制開發的FTE驅動突破以太網瓶頸實現優先級選擇，使得商用的100Mbps 以太網實現容錯。FTE以先進的多路由選擇替代雙網結構傳統冗余模式網絡。C系列卡件及PMIO收集現場信息，通過IOTA的IOLINK送達到控制器，控制器進行判斷和執行。

2.2系統軟件

    EPKS R301是針對EPKS C300所有采用的軟件系統，它提供了C300卡件運行的軟件平臺。Experion 的企業模型提供了完善的數據以支持操作員和工程師。允許用戶在Experion 平臺上顯示企業結構。Experion 企業模型由兩個獨特的部分構成，資產模型和報警組。Experion 的控制策略用Control Builder 生成。Control Builder 是一個圖形化、面向對象的工具，工作在控制執行環境（CEE）下，支持Experion 的過程控制器、應用控制器及仿真控制器。

    R301采用DSA 分布式系統結構，DSA是Honeywell EPKS創新技術之一，可以容易地將多個Experion PKS 族集成到一個單一的系統中。DSA允許使用低成本，低帶寬的網絡，無縫集成所有DCS數據：實時點數據，報警，操作信息，歷史數據等等。并可構成超大規模系統，并實現全局數據命名。

    PKS系統組態軟件的標準算法庫可以非常方便編寫各種控制邏輯方案，除了標準算法庫之外，PKS還支持各種特殊的算法庫，并分別有各自的許可證，如AGA流量計算模塊。在R301系統中，最具特色是Profit Loop算法模塊。Profit Loop是一個駐留在PKS集散系統上單入單出的模型預測控制器。Profit Loop是具有專利的高效模型預測控制算法，Honeywell 預估控制技術已成功地用到很多石化項目上，Profit Loop 也是Honeywell 的專利技術。3/4 的Profit Loop PKS 已嵌入到控制器C300 及 ACE 節點中，無需額外費用，這樣可以減少維護成本，增加過程穩定性最多達30%，并且可以省略基于PID 所需的參數診定要求，準確知道生產工藝運行的過程。

3.硬件配置

    根據年產15噸PVC這一要求，該DCS控制系統配置了：模擬量輸入點（AI）176個，模擬量輸出點（AO）80個。熱電阻輸出點（LLMUX）126個，開關量輸入點(DI)610個，開關量輸出點(DO)點582個。合計1574個點，其中控制回路78個。依據以上數據，我們配置了相應的硬件：操作站5個，其中4個為雙屏Flex station。1個為單屏console station，控制機柜6個，繼電器柜7個，電源柜1個，服務器柜1個，采用了3對C300控制器（均為冗余）。整體架構如圖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，主要負責分散劑、緩沖劑、鏈調節劑，軟水，引發劑，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，主要負責聚合反應，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，主要負責初料，回收，終止劑，干燥，抽真空，汽提，廢水汽提單元的控制。

    控制站采集信號并進行運算輸出，具有故障自診斷功能。控制系統中全部的AO卡件和部分重要的AI、DO卡件采用冗余模式，當出現卡件故障時候，卡件能實現無擾動切換，為系統的穩定運行提供了硬件基礎。操作站提供人機操作界面，接收控制器傳到服務器的數據，供工藝人員監視操作。

4.軟件和畫面配置

    服務器上安裝了Windows server 2003操作系統， Console station安裝了Windows XP操作系統，Flex station安裝了Windows XP操作系統。Flex Station是操作員用來與服務器進行通信，獲得工廠實時信息和進行實時操作的接口。Console station除了具有Flex station的功能外，還提供了從控制器，IOLIM和 ACE 節點直接獲得過程數據，報警和消息的通道。本套系統PVC工藝界面共設22幅。

5.主要控制特點

5.1 PVC控制特點：

    PVC有多種型號，每種型號PVC的配方由不盡相同的數十個數據和工藝參數組成，屬于單流程多產品的生產過程。PVC生產大體可分為聚合和干燥兩部分，其中關鍵部分聚合是一個典型的批量間歇生產過程，由多個單元相互配合完成。

    生產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，各單元之間相互獨立又相互聯系，其中聚合單元為主單元，其余單元為從單元，圍繞主單元運轉。各單元有的是批量生產有的則是連續運行，一個環節往往需要若干單元同步協調才能完成，所以一個單元故障將會導致整個生產陷入停頓狀態。

    聚合生產是一個嚴格的順序控制過程。加料前，要準備充足的單體、無離子水、分散劑、引發劑等原料和助劑，確定好產品型號和配方，然后啟動生產程序，系統會按照預定步驟執行，大體過程為：選釜抽真空涂壁→沖洗加料聚合反應判斷反應是否終止加終止劑出料回收汽提干燥包裝。 

    根據上述，不僅要求DCS控制系統可運行多個型號產品的生產要求，同時還要解決生產過程中隨時可能發生的突變事件。PVC控制程序中所建立的CM、SCM點總共有800多個。CM點包括簡單的單回路控制、比值控制、聯鎖控制等；SCM點指順控程序點，它是整個控制程序的核心，是指揮整個PVC裝置平穩運行的大腦。SCM順控程序主要由Step和Condition兩種模塊組成，結構緊湊、邏輯嚴謹，不僅實現了嚴格的控制要求，而且便于操作人員操作及對突發事件的應急處理。  

5.2典型控制方案

(1) 軟水入料控制：

    為了節省升溫過程，縮短單釜操作時間，軟水入料采用熱水進料，使得聚合釜溫度略高于聚合溫度，在加入引發劑后即可直接進行聚合反應。這是一個典型的分程控制，控制程序如圖2所示：

(2) 空釜檢測：

    在進行涂壁之前，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閉狀態，確定攪拌電流和聚合釜壓力小于設定值，檢查無誤后就可以進行涂壁了。

(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控制，聚合反應是個放熱反應，釜內溫度會不斷升高，通過調節擋板和夾套進水量來穩定聚合溫度，使聚合溫度穩定在設定值附近。控制系統由釜內擋板主回路和夾套副回路組成，當釜溫、夾套溫度低于設定值時，主副回路通過增減閥門開度控制冷卻水流量來調節溫度；當釜溫、夾套溫度高于設定值時，由釜溫調節功能塊的輸出作為夾套溫度PID調節的外給定，從而使釜溫波動在一定的范圍內。

(4) 注水控制：
 
    聚合反應過程中總物料體積會減小，為了維持總反應體系物料體積不變，在聚合反應進行到一定的程度，一般是在聚合反應開始后45分鐘時加入一定體積的水，這樣既可防止可能產生的局部爆聚，也能提高聚合生產強度和產品質量。

(5) 聚合反應終止的判定：
 
    在實際的生產過程中，聚合反應終止一般分為正常終止反應和緊急終止反應兩種情況。控制程序根據聚合釜內壓力、溫度和反應時間來判斷反應是否結束，在反應進行420分鐘后無論釜內壓力和溫度是否達到規定值，都認為反應已經結束。如果在反應的過程中，出現了超溫、超壓等特殊工況，將加入緊急終止劑來緊急終止反應過程。聚合反應主要程序如圖3所示：  

6.profit Loop 軟件在PVC控制系統中運用

    Profit Loop PKS是一個基于模型預測控制器。Profit Loop PKS Assistant是一個簡化Profit Loop PKS配置活動的工具，來實現模型定義。在PVC的控制系統設計過程中，我們在PVC控制邏輯中選定了幾個控制效果不理想的控制回路實施從PID轉到Profit Loop的控制，均取得了理想的效果。

    首先應該根據不同回路類型的特點，在PVC控制方案中，選擇要實現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中直接調用，實現替代傳統PID功能塊作用。在確定了要實現Profit Loop控制的控制回路以后，在組態的時候應確定用PID-PL 功能塊。

    應用Profit Loop，需要獲得過程模型。進行過程模型系統識別，既是過程如何相應輸入變化的數學表達式，使控制器過去的輸出OP值和將來預測的PV值聯系起來。Profit Loop PKS model可以從現有的PID參數直接轉換而來，也可以通過階越函數測試獲得。在濱化PVC項目中，我們主要應用了第二種方法來獲得系統模型。

    在測試完成后，對回路進行精確整定的方式有兩種，第一種可以通過輸入PID參數實現；第二種可以通過針對PID-PL回路輸入指定的整定參數實現。在第二種方式中通過簡單地增加性能比值來減慢調節動作的速度，同時增加魯棒性。反之，如果調節器動作太慢，則可以通過減少性能比值來加速閉環調節器的響應。

7.結束語

    Honeywell公司的EPKS C300 DCS控制系統，融入霍尼韋爾數十年的過程控制、資產管理、領域專家的經驗，融合最新控制和現場總線技術。應用EPKS C300系統的濱化PVC項目于08年8月建成并投產，運行良好。同期建設的濱化的離子膜，三氯乙烯，粒堿，環氧丙烷等項目也應用了EPKS C300系統，也都取得了良好的經濟效果。

[作者簡介] 蔣巨兵（1973-），男，本科學歷，  工程師，1997年畢業于武漢化工學院自動化專業，現任濱化集團東瑞公司總工程師。

馬 浩 （1980-），男，研究生學歷，工程師，2006年畢業于浙江大學檢測技術與自動化裝置專業。現任濱化集團東瑞公司副主任工程師。

本文得到了濱化集團東瑞公司的徐華安經理大力幫助。

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