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[摘 要] 针对丙烯液相聚合反应装置，利用在线测控仪表、可编程控制器、工业计算机及组态软件构建计算机控制系统。该系统具有在线监控、自动控制、系统管理等功能，并具有模块化组合结构，使用灵活方便，性能稳定，直观性强，可应用于科研和实际生产。
[关键词] 计算机控制系统 可编程控制器 自动控制 聚合反应
目前国内聚丙烯装置一般采用的是“间歇液相本体法”工艺，该工艺具有工艺流程简单、投资少、见效快的特点。但是原来采用电Ⅲ型调节器控制聚合反应温度和压力，由于聚合反应机理复杂，各种条件如丙烯浓度、催化剂类型、添加数量、循环热水压力、温度、流量的变化，反应有较大的时变性非线性、延时性。采用简单的PID调节根本不可能实现自动控制。几年来，一直采用人工手动控制，工人的劳动强度大，控制水平质量比较低。根据这一情况，我们对控制系统进行了改造，利用在线测控仪表、工业专用计算机及组态软件构建计算机控制系统。该系统具有模块化组合结构，使用灵活方便，性能稳定，直观性强，目前用于理论研究，效果良好，为实现聚丙烯生产的工业化自动控制奠定了基础。
一、聚丙烯反应釜工艺流程简介
本体法聚丙烯生产装置工艺流程如图1所示，此聚合反应可分为4个阶段:
1.升温阶段
由于整个反应是间歇式的，在加热前必须重新向聚合釜中投放物料和催化剂。投放完毕打开热水阀，将循环热水打入反应釜夹套中进行加热升温，以便诱导聚合反应，当聚合釜内温度升至60℃时应注意加热水的流量。
2.过渡阶段
当釜内温度升至60℃时，聚合反应开始，进入放热过程，该阶段的反应极为敏感，许多干扰极有可能造成超温或过度冷却而转型的工况:如(1)活化剂质量不稳定，使反应初期的放热量极不稳定；(2)冷却水过早地切入，则会导致冷却过度，激落已经开始的反应，发生工程上俗称的“感冒”现象；(3)热水温度较高，流量过大，升温速率过快，当热水停止循环后，釜温仍急剧上升。这一阶段在整个反应过程中极为重要，它是整个聚合反应能否获得高质量产品的关键，假如升温过慢，产品质量会降低，升温过快，釜内温度会难以控制。
3.恒温阶段
在第2阶段中温度平稳上升，当温度升至74±2℃，釜压为3.4±0.1 MP点后，便开始恒温控制，约经过4--5小时反应过程结束。
4.结束阶段
釜内反应结束后，釜压开始明显下降，反应终止，全流量切入冷水，进行产品回收。
二、系统构建
聚合反应装置的计算机控制系统主要由在线测控仪表、下位机（PLC）、上位机等构成。
1.在线测控仪表
在线测控仪表实时测量装置的重要参数并执行下位机的控制命令。根据设计目的，该系统通过采集模拟量信号，控制调节阀。反应温度由一体化铂电阻测量，反应压力由差压变送器测量变送。
2.下位机
下位机即PLC控制站.主要对在线检测仪表的信号进行实时采集、处理、运算及控制。该功能的实现分别由相应的软硬件实现。下位机硬件采用S7-200系列PLC，编程软件采用采用C++for Windows编程，运行于中文Windows 2000环境下，界面友好，操作简便。在上位机上编制，并下载到下位机CPU处理器模块中运行。
3.上位机
上位机主要起定时数据记录、在线监控、系统管理等作用。硬件选用工业专用计算机一IPC，软件采用Kingview6.5版组态工软件，根据对象特点与要求，按组态规则进行画面控制、系统等组态，生成形象逼真、生动具体、便于观察计算机在线监控系统与自动控制系统界面。系统主画面图主要包括六个模块:工艺控制流程图、报警信息窗口、阀的开关状态显示，测量值棒图显示及系统功能模块。
(1)工艺控制流程图模块
在图中的左上侧为聚丙烯反应釜工艺流程图，控制器为一台工控机，其输出控制热水阀和冷水阀的开度，即采用分程控制方案，对应的电磁阀与冷热水阀同步动作，控制器为反作用控制，热冷水调节阀分别采用气开、气关形式，其动作方式如图2所示。
(2)报警信息窗口模块
在系统主画面图中的右上角，设置了报警信息装置，时刻跟踪反应釜内的温度、压力这两个测量值。当温度或压力超限时，发生报警，窗口内的“O”变为红色，并发出嗡嗡的轰鸣声，其报警信息分别为“温度过高”、“温度过低”、“压力超高”、“压力过低”；当测量值在所限定范围之内时，窗口内的“O”为无色，报警信息为空白。
(3)阀的开关状态显示模块
如图2示，当阀打开时，其相应的“ON”栏内的“O”为红色，“OFF”栏内的“O”为白色，当阀为关闭状态时，其相应的“ON”栏内的“O”为白色，“OFF”栏内的“O”为红色。
(4)测量值棒图显示模块
为了更加动态的显示一些重要测量值的量化情况，加入了棒图显示的方式。在反应过程中，方框内的红色液柱随着釜温、釜压、热水温、冷水温的高低而上下变化，同时在棒图的左侧显示相应的测量值，为设计增添了动态感，同时也便于观察。
三、控制方案
根据聚合反应的工艺要求,通过温度控制系统来实现整个聚合过程的自动控制。温度控制系统是一个简单控制系统。该系统是将100热电阻温度计插入反应釜内搅拌区,测量温度。由外加恒温槽，并通过调节进出夹套水的温度来控制反应温度(控制精度在±2℃)，即构成以反应釜内温度为被控变量，以进出夹套水温度为操纵变量的温度定值控制系统。图2所示为系统结构图，图3为阀的分程示意图。通过此控制曲线，调节自动控制中控制器各参数，以便反应能够正常进行。
四、系统特点
计算机在线监控技术及自动控制技术用于该套聚丙烯聚合反应装置中，具有模块化组合结构,使用灵活方便,性能稳定,直观性强。其下位机卡件采用模块化设计,便于系统构建与组态；控制程序采用模块化设计,便于各个模块的编程与调试；在线记录、保存信息具有实时性，不仅可杜绝手工记录的可能差错，正确进行数据处理,而且便于事后检查和分析指导；功能强大的组态软件可组态丰富细腻的流程图、实时趋势、控制画面,显示更加直观,生动具体,便于观察；该计算机控制系统不仅具有通用性,而且具有开放性,能方便地与一些专业的计算机应用程序挂接,满足特定的需要。
五、结束语
控制方案经实验室调试后投入运行，运行效果良好。控制系统的升温过程稳定平滑，特别是过渡段的60℃-74℃中间平稳两端过渡转换没有太大波动，恒温过程温度控制在2℃以内达到了预期效果，其社会经济效益显著。
参考文献：
[1]王国海:可编程序控制器及其应用[M]．北京:中国劳动社会保障出版社，2001
[2]梁 波 赵吉良 梁清华:SLPC在丙烯聚合过程控制中的应用[J].辽宁工学院学报,1996,16(1):48～501
[3]奏家忠 段天平 麦燕萍:DCS集散控制在间隙式液相本体聚丙烯装置上的应用[J].天然气与石油,2001,19(2):38～401
[4]王骥程:化工過程控制工程[M].北京：:北学工业出版社，1981
[5]谢佑国 徐菊美 曹砚君等:计算机在线监控技术在工程类实验教学装置上的应用[J].实验室研究与探索,2005,24(4):43～47
[6]张万忠:可编程控制器应用技术[M]．北京:化学工业出版社，2002
[关键词] 计算机控制系统 可编程控制器 自动控制 聚合反应
目前国内聚丙烯装置一般采用的是“间歇液相本体法”工艺，该工艺具有工艺流程简单、投资少、见效快的特点。但是原来采用电Ⅲ型调节器控制聚合反应温度和压力，由于聚合反应机理复杂，各种条件如丙烯浓度、催化剂类型、添加数量、循环热水压力、温度、流量的变化，反应有较大的时变性非线性、延时性。采用简单的PID调节根本不可能实现自动控制。几年来，一直采用人工手动控制，工人的劳动强度大，控制水平质量比较低。根据这一情况，我们对控制系统进行了改造，利用在线测控仪表、工业专用计算机及组态软件构建计算机控制系统。该系统具有模块化组合结构，使用灵活方便，性能稳定，直观性强，目前用于理论研究，效果良好，为实现聚丙烯生产的工业化自动控制奠定了基础。
一、聚丙烯反应釜工艺流程简介
本体法聚丙烯生产装置工艺流程如图1所示，此聚合反应可分为4个阶段:
1.升温阶段
由于整个反应是间歇式的，在加热前必须重新向聚合釜中投放物料和催化剂。投放完毕打开热水阀，将循环热水打入反应釜夹套中进行加热升温，以便诱导聚合反应，当聚合釜内温度升至60℃时应注意加热水的流量。
2.过渡阶段
当釜内温度升至60℃时，聚合反应开始，进入放热过程，该阶段的反应极为敏感，许多干扰极有可能造成超温或过度冷却而转型的工况:如(1)活化剂质量不稳定，使反应初期的放热量极不稳定；(2)冷却水过早地切入，则会导致冷却过度，激落已经开始的反应，发生工程上俗称的“感冒”现象；(3)热水温度较高，流量过大，升温速率过快，当热水停止循环后，釜温仍急剧上升。这一阶段在整个反应过程中极为重要，它是整个聚合反应能否获得高质量产品的关键，假如升温过慢，产品质量会降低，升温过快，釜内温度会难以控制。
3.恒温阶段
在第2阶段中温度平稳上升，当温度升至74±2℃，釜压为3.4±0.1 MP点后，便开始恒温控制，约经过4--5小时反应过程结束。
4.结束阶段
釜内反应结束后，釜压开始明显下降，反应终止，全流量切入冷水，进行产品回收。
二、系统构建
聚合反应装置的计算机控制系统主要由在线测控仪表、下位机（PLC）、上位机等构成。
1.在线测控仪表
在线测控仪表实时测量装置的重要参数并执行下位机的控制命令。根据设计目的，该系统通过采集模拟量信号，控制调节阀。反应温度由一体化铂电阻测量，反应压力由差压变送器测量变送。
2.下位机
下位机即PLC控制站.主要对在线检测仪表的信号进行实时采集、处理、运算及控制。该功能的实现分别由相应的软硬件实现。下位机硬件采用S7-200系列PLC，编程软件采用采用C++for Windows编程，运行于中文Windows 2000环境下，界面友好，操作简便。在上位机上编制，并下载到下位机CPU处理器模块中运行。
3.上位机
上位机主要起定时数据记录、在线监控、系统管理等作用。硬件选用工业专用计算机一IPC，软件采用Kingview6.5版组态工软件，根据对象特点与要求，按组态规则进行画面控制、系统等组态，生成形象逼真、生动具体、便于观察计算机在线监控系统与自动控制系统界面。系统主画面图主要包括六个模块:工艺控制流程图、报警信息窗口、阀的开关状态显示，测量值棒图显示及系统功能模块。
(1)工艺控制流程图模块
在图中的左上侧为聚丙烯反应釜工艺流程图，控制器为一台工控机，其输出控制热水阀和冷水阀的开度，即采用分程控制方案，对应的电磁阀与冷热水阀同步动作，控制器为反作用控制，热冷水调节阀分别采用气开、气关形式，其动作方式如图2所示。
(2)报警信息窗口模块
在系统主画面图中的右上角，设置了报警信息装置，时刻跟踪反应釜内的温度、压力这两个测量值。当温度或压力超限时，发生报警，窗口内的“O”变为红色，并发出嗡嗡的轰鸣声，其报警信息分别为“温度过高”、“温度过低”、“压力超高”、“压力过低”；当测量值在所限定范围之内时，窗口内的“O”为无色，报警信息为空白。
(3)阀的开关状态显示模块
如图2示，当阀打开时，其相应的“ON”栏内的“O”为红色，“OFF”栏内的“O”为白色，当阀为关闭状态时，其相应的“ON”栏内的“O”为白色，“OFF”栏内的“O”为红色。
(4)测量值棒图显示模块
为了更加动态的显示一些重要测量值的量化情况，加入了棒图显示的方式。在反应过程中，方框内的红色液柱随着釜温、釜压、热水温、冷水温的高低而上下变化，同时在棒图的左侧显示相应的测量值，为设计增添了动态感，同时也便于观察。
三、控制方案
根据聚合反应的工艺要求,通过温度控制系统来实现整个聚合过程的自动控制。温度控制系统是一个简单控制系统。该系统是将100热电阻温度计插入反应釜内搅拌区,测量温度。由外加恒温槽，并通过调节进出夹套水的温度来控制反应温度(控制精度在±2℃)，即构成以反应釜内温度为被控变量，以进出夹套水温度为操纵变量的温度定值控制系统。图2所示为系统结构图，图3为阀的分程示意图。通过此控制曲线，调节自动控制中控制器各参数，以便反应能够正常进行。
四、系统特点
计算机在线监控技术及自动控制技术用于该套聚丙烯聚合反应装置中，具有模块化组合结构,使用灵活方便,性能稳定,直观性强。其下位机卡件采用模块化设计,便于系统构建与组态；控制程序采用模块化设计,便于各个模块的编程与调试；在线记录、保存信息具有实时性，不仅可杜绝手工记录的可能差错，正确进行数据处理,而且便于事后检查和分析指导；功能强大的组态软件可组态丰富细腻的流程图、实时趋势、控制画面,显示更加直观,生动具体,便于观察；该计算机控制系统不仅具有通用性,而且具有开放性,能方便地与一些专业的计算机应用程序挂接,满足特定的需要。
五、结束语
控制方案经实验室调试后投入运行，运行效果良好。控制系统的升温过程稳定平滑，特别是过渡段的60℃-74℃中间平稳两端过渡转换没有太大波动，恒温过程温度控制在2℃以内达到了预期效果，其社会经济效益显著。
参考文献：
[1]王国海:可编程序控制器及其应用[M]．北京:中国劳动社会保障出版社，2001
[2]梁 波 赵吉良 梁清华:SLPC在丙烯聚合过程控制中的应用[J].辽宁工学院学报,1996,16(1):48～501
[3]奏家忠 段天平 麦燕萍:DCS集散控制在间隙式液相本体聚丙烯装置上的应用[J].天然气与石油,2001,19(2):38～401
[4]王骥程:化工過程控制工程[M].北京：:北学工业出版社，1981
[5]谢佑国 徐菊美 曹砚君等:计算机在线监控技术在工程类实验教学装置上的应用[J].实验室研究与探索,2005,24(4):43～47
[6]张万忠:可编程控制器应用技术[M]．北京:化学工业出版社，2002