摘要：通过对PVC 30m3聚合釜反应升温、过渡、恒温工艺及控制要求的分析，建立了温度自动控制模型，并在WebField JX-300X DCS系统的图形化组态平台上实现了该模型，并根据实际效果对控制方案进行了优化。通过该模型的应用较好地解决了釜温平稳过渡的问题，提高了模型克服工况变化的适应性，使得产品质量得到稳步提高。本文还例举了调试过程中应注意的要点。
关键词：30m3聚合釜、控制模型、拐点、ST语言编辑器、变PID控制、JX-300X
一、 引言
氯乙烯单体进入聚合釜进行聚合反应是聚氯乙稀生产的核心环节，其生产控制水平对最终PVC树脂质量和生产安全有至关重要的影响。金路树脂有限公司是一家有着30多年厂龄的树脂生产企业，目前公司旧生产线仍有14台30m3聚合釜在正常生产，采用的是夹套蒸汽升温带动釜料升温的方式，而反应从升温、过渡到恒温三个阶段是聚合釜控制的三个关键过程。
30m3聚合釜工序建于1995年，最初采用通用化工THK控制系统，该系统遵循STD总线标准，采用MS-DOS操作系统作为组态运行平台，硬件配置为CPU卡、显示键盘卡、系统支持卡、多功能存贮卡
二、 工艺过程和控制要求
PVC生产过程为纯水与氯乙烯单体加入聚合釜充分混合后加入助剂，通过对夹套升温，间接使釜温升高到设定反应温度，并保持釜温恒定，直至反应结束。其中控制的关键点之一是对釜温的控制，而PVC的聚合釜温度控制具有滞后大、模型阶次高、动态响应慢的特点，并且不同的反应阶段如升温、过渡、恒温有不同的控制方案和控制目标。升温阶段由于物料在助剂作用下已开始反应，所以要求夹套升温快速，热传导速率高，釜温应尽快接近设定反应温度，以利于最终树脂质量稳定；过渡阶段要求釜温在较短的时间内平稳过渡到恒温阶段后而不引起釜温控制超调或振荡；恒温阶段要求釜温恒定在设定值，偏差在±0.2℃以内，能克服外界干扰。其工艺流程示意图见图1 。
图1 温度控制示意图
三、 控制模型的建立
1. 升温阶段
升温阶段控制较为简单，只需要关闭夹套冷水调节阀，打开蒸汽切断阀。夹套水在强制循环泵作用下在混合器内与蒸汽混合后升温进入夹套循环，此过程将使夹套温度升至90℃左右，带动釜温以固定的斜率匀速上升，蒸汽阀关闭条件为釜温达到设定拐点温度。
2.过渡阶段
釜温过渡阶段控制是一个难点。由于釜温已接近设定反应温度，开始了放热反应，因此既要带走多余的夹套热，又要带走聚合过程反应热，从而找到吸热和放热的平衡点，实现釜温平稳过渡到恒温阶段。这也是判定整个模型控制效果好坏的关键标志。
最初的控制方案为夹套温度单回路调节，间接控制釜温。（控制方案见图2）。
图2 过渡过程控制方案
夹套温度设定值由计算得出：
在釜温到达拐点时计算夹套设定值变化斜率
K=(夹套温度Tn－平衡温度Tp)/( 釜温设定值Sv－拐点温度Tg) ·······（1）
在进入过渡阶段后，根据釜温与恒温阶段釜温设定值实时偏差计算夹套温度设定值
S＝（釜温设定值Sv－釜温Tw）*K＋平衡温度Tp ······（2）
由（1）、（2）计算式可看出，过渡阶段夹套设定值与平衡温度、拐点温度 、釜温有关，而平衡温度、拐点温度是人工根据实际情况调试得出，而平衡温度、拐点温度随着树脂反应型号、冷却水温、配方等工况变化而变化，但需要准确把握这些变化并量化为对控制模型的影响量却不那么容易。因此在实际运行过程中，需要人员经常根据实际反应情况作出调整，这极大地增加了维护量，如果调整不及时则有可能造成釜温超调引起釜温振荡或釜温长时间低温控制，引起树脂转型，影响生产质量的稳定。从图2可看出，最初的控制模型过渡阶段控制回路与恒温阶段副环控制回路为同一PID控制回路，PID参数一样，而实际上过渡阶段与恒温阶段需要带走的夹套热并不一致，因此，造成实际控制作用在两个阶段并不协调，不利于连续生产。（原方案控制曲线见图3）
图3 原方案控制曲线
针对以上存在问题，我们通过现场工艺了解以及实际观察，重新确定控制方案，对过渡阶段控制模型进行修改，以期更好的控制效果和良好的适应性。修改方案如下：
在过渡阶段对釜温进行单回路调节控制，直接控制釜温变化趋势。模型设定过渡阶段釜温为拐点经过一段时间到达恒温阶段釜温设定值的平滑曲线。（控制方案见图4）。
图4 过渡过程控制方案二
最初设想
图5 圆弧与正弦变化率对比
以圆弧作为过渡阶段设定曲线函数式为：
Y = 
········（3）
以正弦作为过渡阶段设定曲线函数式为：
Y = 
········（4）
修改后的过渡阶段温控模型能很好的克服工况变化带来的干扰。如冷水温度、冷水阀开度偏差、树脂型号变化带来的干扰最终会在釜温与设定值之间的偏差上反映出来，而针对釜温的单回路调节将在PID作用下克服偏差，稳定釜温过渡曲线。从实际效果看，修改后实际过渡时间只需要5～7分钟，而修改前过渡时间在3～25分钟波动；修改后进入恒温阶段超调温度为0.1～0.3℃，修改前则可能在0.5～2℃范围变化。（修改后反应曲线见图6）
图6 新方案控制曲线
3.恒温阶段
当釜温到达恒温阶段设定釜温时，即进入恒温阶段，此过程属于稳定反应期，反应过程中会释放反应热，因此采用定值串级控制，主调为釜温控制，副调为夹套温度控制，其中主调控制回路与过渡阶段釜温回路组态时调用的为同一PID控制回路，但PID参数设置不同，使用变PID调节将满足釜温控制在不同阶段的作用要求，冷水阀位将会在串级控制作用下很快找到反应平衡点，保证釜温保持在设定值上。(恒温阶段串级控制方案见图7)
图7 恒温控制方案
四、 控制实现
本项目采用中控JX-300X DCS系统实现以上方案。该系统不仅具有模拟量输入输出、数字信号输入输出处理、回路控制等常规处理控制功能，而且还具有丰富的库函数功能模块、梯形图、SCX控制语言、自定义功能块，顺控语言等算法组态工具，且用户界面友好，操作方便、功能强大，能灵活方便地实现各种控制策略。
在方案实施中考虑到每台聚合釜控制策略相同，进行的都是相对独立而控制手段重复的批次生产，因此，我们采用JX-300X图形化组态提供的ST语言编辑器自定义功能模块，方便的实现每台釜控制策略的调用，现将该模块控制步骤进行简要说明。
1.程序未启动时，主调、副调控制回路均手动，主调输出值跟踪副调设定值。
2.程序启动，各反应阶段计时器清零，进入升温阶段。
3.升温阶段副调手动，冷水调节阀关，主调跟踪值为恒温阶段冷水阀达到平衡位置时开度。开蒸汽阀，等待釜温升至拐点温度进入过渡阶段。
4.过渡阶段关蒸汽阀，过渡阶段计时开始，主调正作用，计算从拐点经过设定时间到达设定反应釜温的函数值，赋与主调作为外给定，副调输出跟踪主调输出。过渡阶段预设PID参数赋与主调后主调投自动。若超过预设时间釜温未达到恒温阶段设定反应温度，过渡阶段计时器将钳位为设定过渡时间。若釜温达到恒温阶段设定反应温度，进入恒温反应阶段。在此过程中，程序随时监控过渡阶段釜压变化，一旦釜压下降，立即关闭冷水调节阀，防止釜温进入低温控制。
5.恒温阶段主调反作用，恒温阶段预设PID参数赋与主调，主副调投串级，主调设定值为该型 号树脂反应温度预设值，恒温反应时间到达注水开始时间，开注水截断阀。恒温反应时间超过一小时，保存反应最高釜压，并计算最高釜压与当前釜压压差，当压差大于0.1MPa且恒温反应时间大于最低反应时间设定值，提示反应结束。
6.确认反应结束则关闭所有截断阀，主调副调手动，副调输出为零。
五、 调试要点
在实际运行调试期间也遇到许多问题，经分析处理后能得到解决，现将调试要点作一说明：
1.冷水调节阀要求死区小，控制精度高。可采用数字定位器提高执行精度。
2.拐点选择要合适，经实践观察，拐点设置一般与设定反应相差3～4℃较为合适；过渡阶段设定时间在5～7分钟较为合适。
3.过渡阶段主调控制采用PD控制；恒温阶段主调控制采用PID控制，副调采用纯比例P控制。
4.过渡阶段主调作用方式为正作用；恒温阶段主调作用方式为反作用。
5.升温阶段主调阀位跟踪值，应设为恒温阶段冷水阀达到平衡位置时的阀位值。
六、 结束语
30m3PVC聚合釜温控模型在修改完善后运行至今，釜温能够快速平稳过渡到恒温反应阶段，升温和过渡阶段耗时比改造前节约大概10分钟时间，提高了聚合釜利
个人简介：
姓名：李晓辉 性别：男 出生年月：1974年1月
工作单位：四川省金路树脂有限公司计控处
职称/职务：工程师/副处长
现从事工作：分管现场仪表及工业控制方面工作
联系方式：618500
四川省金路树脂有限公司计控处
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