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摘 要：简要介绍了碳纤维聚合的主要工艺流程，叙述了控制系统的主要特点，重点介绍了项目特点和DCS实现，为同类装置的改造提供了一定的参考借鉴。
关键词：DCS；碳纤维；项目特点；紧急停车系统
1.概述
20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙烯基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。1959年，日本大阪工业试验所发明了利用聚丙烯基碳纤维（PAN）制造碳纤维的新办法，这一創新促成了碳纤维工业的大发展，成为当前碳纤维的主流。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产应充分重视原丝生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。高性能PAN原丝是制造高性能碳纤维的前期。
我国碳纤维工业起步较早，但在产业化生产和集中度方面却存在较大差异。2005年，我国碳纤维行业总共仅有10家企业，合计产能仅占全球总产能的1%左右；2012年1月，国家工信部公布了新材料“十二五”规划，碳纤维“十二五”期间规划产能为1.2万吨/年。预计未来几年产能的建设增速将会放缓，到2022年我国碳纤维的产能在2.4万吨左右，但与需求量相比仍有一定缺口。
2008年由江苏恒神股份有限公司投资组建的总产能为5000吨/年碳纤维装置，并配套碳纤维织物，预浸料及其复合材料等衍生产品。碳纤维聚合及溶剂回收装置采用美国metso公司的maxDNA 控制系统对碳纤维聚合装置进行自动监控。
2.Max DNA 控制系统简介
MaxDNA 控制系统是美卓自动化向全球电力工业和其他重要过程应用提供的完全集成的控制系统。maxDNA 系统包括一个基于现代化的Windows XP 的人机接口maxVUE，一套被称作瑞士军刀的设计工具maxTOOLS 和maxVUE 编辑程序，可以用来维护和扩展系统数据库和操作员画面。这些连接到一套经过现场验证的和严格测试的分散处理装置（DPU）和maxPAC I/O 系统，为世界各地客户工厂提供一致的、可靠的服务。其整体结构图如图1所示：
3.工艺简介
随着碳纤维技术的发展，目前世界上著名的生产线都是从原丝开始直到碳纤维以及中、下游产品开发形成一条龙生产线。工业上新建的原丝装置均采用PAN基碳纤维工艺。PAN基碳纤维工艺可以加速预氧化、缩短炭化时间和提高碳纤维拉伸强度，是目前主流生产工艺路线。
PAN基碳纤维工艺流程框图如图2所示，丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸等主要化工原料通过溶液进行混合配置，通过质量流量计进入聚合釜。丙烯腈在一定的条件下双键被打开，通过单键相连生成大分子链，同时释放出反应热，进行聚合反应，形成合格的聚合物溶液。聚合物溶液通过脱单，进行单体回收重新参与聚合。回收工序主要是把溶剂DMSO溶液进行蒸馏、浓缩、纯化，合格的DMSO回收重新利用。该装置共设计3条生产线，原料及单体配置单元共用。
4.控制系统总体设计方案
4.1 系统配置
碳纤维聚合装置的maxDNA控制系统由五个操作站、一个工程师站、三个控制站组成。本装置检测点多，实际使用点数为1279点；自控程度高，控制回路共有176个，以常规控制为主，有部分串级控制、分程控制、比例控制；安全联锁设计全面，特别是反应釜温度的联锁控制尤其突出，并配置ESD系统。系统规模如表1，表2所示，系统配置图如图3所示：
4.2 主要控制回路
碳纤维聚合生产过程中控制主要包括分程控制和串级控制。分程控制主要是E404A夹套进口温度控制，E404B夹套进口温度控制，E454夹套进口温度控制；串级控制主要是D151丙烯腈流量和D151液位控制，D153丙烯腈甲酯流量和D153液位控制，丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸、回收单体配料流量控制，R301A反应釜温度和 R301A夹套水温度控制，R302A反应釜温度和 R302A夹套水温度控制，R303A反应釜温度和 R303A夹套水温度控制，R301B反应釜温度和 R301B夹套水温度控制，R302B反应釜温度和 R302B夹套水温度控制，R303B反应釜温度和 R303B夹套水温度控制，R351反应釜温度和 R351夹套水温度控制，R352反应釜温度和 R352夹套水温度控制，R353反应釜温度和 R353夹套水温度控制，D506蒸汽流量和D506液位控制，C503蒸汽流量和C503液位控制，D501碳酸氢钠流量和PH值控制，C502蒸汽流量和温差控制。
4.3 项目特点
4.3.1 全面的特殊设计
碳纤维聚合生产中最典型和最危险的事故是爆炸、中毒和火灾事故。主要是因为原料和产品的易燃易爆、有毒特性会危及生产设备和人身安全，因此不仅在生产装置和工艺操作上要考虑安全性的设计，而且在自动化设备选择与控制方案设计时要考虑对意外事件的反应速度与有效解决方案，从而在硬软件上保证生产过程的安全。在考虑一些常规的要求外，主要进行了一些特殊设计：
（1）控制系统与现场设备之间的模拟量采用安全栅进行隔离、输出信号DO均采用继电器进行隔离。
（2）紧急停车系统采用获得SIL2认证的GE MOST控制器，所有的联锁投切开关均在独立的操作站进行控制，阀门状态指示和联锁触发条件通过软件来实现。
（3）聚合釜工业防爆监控系统，操作人员可对三条线聚合釜区域运行情况进行实时监控，掌握生产动态、设备状态，并进行运行安全监视。
（4）在聚合配料设计时，采用设定累积流量和实际累积流量进行实时补偿方案，大大提高配料精度，优化聚合反应时间和转换率。
（5）由于测点多，为方便操作人员快速查找所需点的趋势，制作趋势流程图，并用快捷键标明每页趋势的的测点。 4.3.2 紧急停车系统
碳纤维聚合釜在反应过程中释放热量，如温度控制不当，易爆聚，故应设计ESD用于安全联锁。在选择ESD时，应将其安全性、可靠性、适用性等因素进行综合考虑，如果ESD的功能实现与DCS系统分开实施则需要考虑二者之间的通讯方式，特别是考虑公用信号的交换方式，以保证联锁阀门的动作时间（安全时间内）。
本项目ESD采用GE MOST控制器，控制器、电源、网络冗余配置，同时配置AI、DI、DO模块用于信号联锁控制。ESD与DCS的信号交换，采用信号分配器，通过硬接线连接。独立操作站用于显示聚合釜相关工艺参数及阀门状态（如图4所示），同时还设有联锁触发条件表、投切开关、复位按钮。
聚合釜反应系统涉及到的联锁参数主要为聚合釜温度、原料储罐温度、原料储罐液位，联锁触发条件如下：
（1）聚合釜温度超过联锁设定值，紧急切断进釜物料开关阀，同时打开消防水开关阀。
（2）原料储罐温度超过联锁设定值，紧急切断原料进料开关阀。
（3）原料储罐液位超过联锁设定值，紧急切断原料进料开关阀。
4.3.3 防爆监控系统
混合单体在反應釜内进行放热反应，，要保证安全生产，必须要求反应釜温度、压力在可控范围内，如果超出范围，则会因为反应剧烈，造成不可控制而产生爆聚，这是非常危险的情况。为了使生产人员实时掌握生产动态和设备状态，需要一套视频监控系统24小时不间断的进行运行安全监视。
本系统现场共有3台摄像机，每一套聚合釜1台彩色摄像机，如图5所示。现场摄像机通过屏蔽视频电缆将信号传输至中央控制室内硬盘录像机，实现24小时×7天不间断运行录像，并能够通过千兆网卡与局域网连接，进行远程管理应用。该系统对工作区域的生产动态、设备状态和运行安全的监视，同时可以根据监控显示及时提醒操作人员前往现场进行异常处理等，提升现场生产管理功能。
5.结语
本装置包括了原料罐区、配料、聚合、单体回收、原液储存、过滤及二次脱泡、废胶处理、溶剂回收等工段，是目前碳纤维原丝项目中规模较大，工段较多的装置。在系统的安装调试过程中，充分发挥了maxDNA系统在软硬件方面的优势。系统目前运行稳定，效果良好，控制功能满足工艺要求。
参考文献
[1].贺福 碳纤维及其应用技术 化学工业出版社 2004
[2].碳纤维的发展及应用简介.南京科技网.2012-05-18
[3].MaxDNA 控制系统说明书 美卓自动化
（作者单位：江苏恒神股份有限公司）
关键词：DCS；碳纤维；项目特点；紧急停车系统
1.概述
20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙烯基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。1959年，日本大阪工业试验所发明了利用聚丙烯基碳纤维（PAN）制造碳纤维的新办法，这一創新促成了碳纤维工业的大发展，成为当前碳纤维的主流。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产应充分重视原丝生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。高性能PAN原丝是制造高性能碳纤维的前期。
我国碳纤维工业起步较早，但在产业化生产和集中度方面却存在较大差异。2005年，我国碳纤维行业总共仅有10家企业，合计产能仅占全球总产能的1%左右；2012年1月，国家工信部公布了新材料“十二五”规划，碳纤维“十二五”期间规划产能为1.2万吨/年。预计未来几年产能的建设增速将会放缓，到2022年我国碳纤维的产能在2.4万吨左右，但与需求量相比仍有一定缺口。
2008年由江苏恒神股份有限公司投资组建的总产能为5000吨/年碳纤维装置，并配套碳纤维织物，预浸料及其复合材料等衍生产品。碳纤维聚合及溶剂回收装置采用美国metso公司的maxDNA 控制系统对碳纤维聚合装置进行自动监控。
2.Max DNA 控制系统简介
MaxDNA 控制系统是美卓自动化向全球电力工业和其他重要过程应用提供的完全集成的控制系统。maxDNA 系统包括一个基于现代化的Windows XP 的人机接口maxVUE，一套被称作瑞士军刀的设计工具maxTOOLS 和maxVUE 编辑程序，可以用来维护和扩展系统数据库和操作员画面。这些连接到一套经过现场验证的和严格测试的分散处理装置（DPU）和maxPAC I/O 系统，为世界各地客户工厂提供一致的、可靠的服务。其整体结构图如图1所示：
3.工艺简介
随着碳纤维技术的发展，目前世界上著名的生产线都是从原丝开始直到碳纤维以及中、下游产品开发形成一条龙生产线。工业上新建的原丝装置均采用PAN基碳纤维工艺。PAN基碳纤维工艺可以加速预氧化、缩短炭化时间和提高碳纤维拉伸强度，是目前主流生产工艺路线。
PAN基碳纤维工艺流程框图如图2所示，丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸等主要化工原料通过溶液进行混合配置，通过质量流量计进入聚合釜。丙烯腈在一定的条件下双键被打开，通过单键相连生成大分子链，同时释放出反应热，进行聚合反应，形成合格的聚合物溶液。聚合物溶液通过脱单，进行单体回收重新参与聚合。回收工序主要是把溶剂DMSO溶液进行蒸馏、浓缩、纯化，合格的DMSO回收重新利用。该装置共设计3条生产线，原料及单体配置单元共用。
4.控制系统总体设计方案
4.1 系统配置
碳纤维聚合装置的maxDNA控制系统由五个操作站、一个工程师站、三个控制站组成。本装置检测点多，实际使用点数为1279点；自控程度高，控制回路共有176个，以常规控制为主，有部分串级控制、分程控制、比例控制；安全联锁设计全面，特别是反应釜温度的联锁控制尤其突出，并配置ESD系统。系统规模如表1，表2所示，系统配置图如图3所示：
4.2 主要控制回路
碳纤维聚合生产过程中控制主要包括分程控制和串级控制。分程控制主要是E404A夹套进口温度控制，E404B夹套进口温度控制，E454夹套进口温度控制；串级控制主要是D151丙烯腈流量和D151液位控制，D153丙烯腈甲酯流量和D153液位控制，丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸、回收单体配料流量控制，R301A反应釜温度和 R301A夹套水温度控制，R302A反应釜温度和 R302A夹套水温度控制，R303A反应釜温度和 R303A夹套水温度控制，R301B反应釜温度和 R301B夹套水温度控制，R302B反应釜温度和 R302B夹套水温度控制，R303B反应釜温度和 R303B夹套水温度控制，R351反应釜温度和 R351夹套水温度控制，R352反应釜温度和 R352夹套水温度控制，R353反应釜温度和 R353夹套水温度控制，D506蒸汽流量和D506液位控制，C503蒸汽流量和C503液位控制，D501碳酸氢钠流量和PH值控制，C502蒸汽流量和温差控制。
4.3 项目特点
4.3.1 全面的特殊设计
碳纤维聚合生产中最典型和最危险的事故是爆炸、中毒和火灾事故。主要是因为原料和产品的易燃易爆、有毒特性会危及生产设备和人身安全，因此不仅在生产装置和工艺操作上要考虑安全性的设计，而且在自动化设备选择与控制方案设计时要考虑对意外事件的反应速度与有效解决方案，从而在硬软件上保证生产过程的安全。在考虑一些常规的要求外，主要进行了一些特殊设计：
（1）控制系统与现场设备之间的模拟量采用安全栅进行隔离、输出信号DO均采用继电器进行隔离。
（2）紧急停车系统采用获得SIL2认证的GE MOST控制器，所有的联锁投切开关均在独立的操作站进行控制，阀门状态指示和联锁触发条件通过软件来实现。
（3）聚合釜工业防爆监控系统，操作人员可对三条线聚合釜区域运行情况进行实时监控，掌握生产动态、设备状态，并进行运行安全监视。
（4）在聚合配料设计时，采用设定累积流量和实际累积流量进行实时补偿方案，大大提高配料精度，优化聚合反应时间和转换率。
（5）由于测点多，为方便操作人员快速查找所需点的趋势，制作趋势流程图，并用快捷键标明每页趋势的的测点。 4.3.2 紧急停车系统
碳纤维聚合釜在反应过程中释放热量，如温度控制不当，易爆聚，故应设计ESD用于安全联锁。在选择ESD时，应将其安全性、可靠性、适用性等因素进行综合考虑，如果ESD的功能实现与DCS系统分开实施则需要考虑二者之间的通讯方式，特别是考虑公用信号的交换方式，以保证联锁阀门的动作时间（安全时间内）。
本项目ESD采用GE MOST控制器，控制器、电源、网络冗余配置，同时配置AI、DI、DO模块用于信号联锁控制。ESD与DCS的信号交换，采用信号分配器，通过硬接线连接。独立操作站用于显示聚合釜相关工艺参数及阀门状态（如图4所示），同时还设有联锁触发条件表、投切开关、复位按钮。
聚合釜反应系统涉及到的联锁参数主要为聚合釜温度、原料储罐温度、原料储罐液位，联锁触发条件如下：
（1）聚合釜温度超过联锁设定值，紧急切断进釜物料开关阀，同时打开消防水开关阀。
（2）原料储罐温度超过联锁设定值，紧急切断原料进料开关阀。
（3）原料储罐液位超过联锁设定值，紧急切断原料进料开关阀。
4.3.3 防爆监控系统
混合单体在反應釜内进行放热反应，，要保证安全生产，必须要求反应釜温度、压力在可控范围内，如果超出范围，则会因为反应剧烈，造成不可控制而产生爆聚，这是非常危险的情况。为了使生产人员实时掌握生产动态和设备状态，需要一套视频监控系统24小时不间断的进行运行安全监视。
本系统现场共有3台摄像机，每一套聚合釜1台彩色摄像机，如图5所示。现场摄像机通过屏蔽视频电缆将信号传输至中央控制室内硬盘录像机，实现24小时×7天不间断运行录像，并能够通过千兆网卡与局域网连接，进行远程管理应用。该系统对工作区域的生产动态、设备状态和运行安全的监视，同时可以根据监控显示及时提醒操作人员前往现场进行异常处理等，提升现场生产管理功能。
5.结语
本装置包括了原料罐区、配料、聚合、单体回收、原液储存、过滤及二次脱泡、废胶处理、溶剂回收等工段，是目前碳纤维原丝项目中规模较大，工段较多的装置。在系统的安装调试过程中，充分发挥了maxDNA系统在软硬件方面的优势。系统目前运行稳定，效果良好，控制功能满足工艺要求。
参考文献
[1].贺福 碳纤维及其应用技术 化学工业出版社 2004
[2].碳纤维的发展及应用简介.南京科技网.2012-05-18
[3].MaxDNA 控制系统说明书 美卓自动化
（作者单位：江苏恒神股份有限公司）