基于DCS系統實現聚乙烯產品接收罐填充率軟測量的研究與應用

張雪鋒 王科

（中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017302）

0.引言

隨著技術的進步，現代化工企業自動化程度越來越高，各種控制系統的使用使得企業在提高生產效率、穩定性及安全性的同時大大降低人力成本，增強了企業的競爭力。同時，伴隨著年輕人擇業觀的改變，化工行業人員流動也越來越大。關鍵崗位有著豐富經驗的員工的離職在一段時間內會對企業生產帶來不利影響，雖然利用專業培訓、加強管理等措施能夠在一定程度上緩解這種影響，但是企業必然承擔培養新人過程付出的代價，企業生產經營帶來新的問題。如何降低甚至消除人員流動對于生產的影響？越來越多的企業管理者將視線投向自動化控制方向，探索和嘗試利用技術手段有效地解決這些問題。

這種變化對工業控制系統提出了更高的要求，DCS結合APC成為目前化工企業提高裝置自動化水平的首要選擇。APC需要額外增加投資，并且多數企業只能通過購買服務商的后續服務對系統進行升級維護。相對于APC，企業技術人員對DCS掌握程度更高，擁有自主解決問題的能力。某廠聚乙烯裝置工藝及自控技術人員根據工藝生產過程通過深入研究DCS系統功能在DCS系統中實現了PC罐填充率軟測量，有效地輔助操作人員操作是對高效利用DCS輔助工藝操作人員操作的一次成功探索。

1.聚乙烯部分工藝流程簡介

1.1 反應回路

某廠聚乙烯裝置工藝采用美國Univation公司的Unipol氣相法流化床工藝技術，該工藝技術成熟在國內應用廣泛。流化床反應器通常在2.15MPa的壓力和大約85℃的溫度條件下發生聚合反應，通過循環氣在反應器外部冷卻循環使反應床流化，同時除去反應熱。催化劑和精制的原料(乙烯、1-丁烯或1-己烯和氫氣)連續被送入反應器，樹脂間歇地從反應器排入產品排料系統(PDS)（C-4101/ C-4106）。

1.2 產品排料系統（PDS）

反應器有兩套產品排料系統(PDS)，用于將產品排出反應器。正常情況下，兩套排料系統以交替模式進行操作，交替地向每套系統內排放粉料。每套排料系統由一個產品出料罐（PC罐）(C-4101/C-4106)和一個產品吹出罐（PBT罐）(C-4103/C-4108)組成，粉料和反應氣間歇地從反應器排入產品出料罐并得到分離。粉料依靠重力從產品出料罐中落到產品吹出罐中，再從產品吹出罐中輸送到樹脂脫氣倉(C-5009)中。

1.3 產品排料系統運行難點分析

PDS運行時操作人員通過設定進入PC罐的閥門（B閥）的開啟時間控制每次排料的數量，B閥開啟時間長，粉料進入PC罐的量多，反之，粉料進入量少。粉料堆積過多，容易結塊，排料時可能會卡住排料閥門造成整個排料過程的終止。當出現上述情況時，反應器就不得進行降負荷甚至停車進行處理。B閥開啟時間短，粉料進入PC罐的量少，每次排的粉料就少，PDS排料效率低，并且閥門動作頻率增加會大大降低閥門的使用壽命[1]。操作人員通過估算PC罐填充率設置B閥的開啟時間，保證每次排的粉料量比較恰當，確保PDS穩定高效運行。但人工估算填充率易出錯、誤差大，對操作人員的能力和經驗要求比較高。在DCS中實現PC罐填充率軟測量，可以有效地解決這個難題。

2.PC罐填充率的分析與計算

2.1 總體思路

PC罐的填充率無法像溫度、壓力等參數一樣使用測量儀表測量，實際上是一個計算出來的軟儀表參數，它表征了粉料樹脂在PC罐的填充情況。填充率是單次PC罐的排出粉料體積占PC罐容積的百分比，由于PC罐容積是一個固定的值，只需要計算出單次排出粉料體積就可以得出PC罐填充率。實際生產中取單位時間內的PC罐填充率的平均值作為參考，本文中后面所說填充率均為填充率的平均值。通過反應器—PDS物料平衡模型及單位時間內PDS排料次數，計算出PC罐平均單次出料量，再結合實驗室粉料堆密度計算出PC罐粉料體積，最終計算出PC罐填充率。

2.2 反應器—PDS物料衡算算式的建立

反應器—PDS作為一個整體是一個敞開體系，進入體系的物料量與離開體系的物料量是相等的。忽略微小量的進入物料，進入體系物料量可以近似取流入反應器的主物料量（乙烯和共聚單體的量）。同樣，忽略微小量的排出物料，離開體系的物料量近似取PDS出料量（PC罐平均每次出料量與出料次數之積）。故周期時間內反應器—PDS物料衡算算式表示為

上式中：F1為實測的乙烯流量（FI4001-1），單位kg/h；F2為實測的共聚單體流量（FI4001-8），單位kg/h；T為選定計算周期；為PC罐平均單次出料量；n為PC罐周期時間內兩條出料腿出料次數之和。

2.3 PC罐平均單次出料量方程

根據反應器—PDS物料衡算算式，可以得到PC罐平均單次出料量的計算方程如

實際計算時為了簡便運算，T取1h，故方程（2）可以簡化為：

2.4 PC罐平均單次排出粉料體積方程

根據物質質量、密度、體積之間的物理關系，結合式（3）可以推導出PC罐平均排出粉料體積方程為：

上式中：ρ為實驗室測出的粉料堆密度，單位kg/m3；為PC罐平均單次排出粉料體積。

2.5 PC罐填充率方程

根據填充率是粉料體積占PC罐容積的百分比，本例中兩套排料系統的PC罐容積均為5.08m3，結合方程（4）可以推導出PC罐平均填充率方程為：

上式中：Peff為PC罐填充率。

3.相關控制系統介紹

聚乙烯裝置基本過程控制是由DCS實現的，PC罐填充率計算所需要的乙烯流量和共聚單體流量在DCS中完成測量及數據處理。DCS選用的是美國霍尼韋爾公司的Experion PKS 300產品，該產品使用圖形化的組態編程技術，擁有豐富控制功能塊庫，可以完成復雜的過程控制和計算，易于學習和掌握。

PDS主要過程控制是產品的出料控制，具有順序控制的特點，選用的是德國西門子公司S7400H系列產品，具有程序掃描周期短、編程靈活、穩定性高、價格便宜的特點。PLC系統所有的數據通過Modbus方式傳輸到DCS中。

4.PC罐填充率組態

根據DCS與PLC系統的特點，結合該廠自控技術人員對兩套控制系統的技術掌握情況決定在DCS中實現PC罐填充率軟測量。PC罐填充率DCS組態可以分為3個部分，包括周期計時態、排料次數計數以及平均填充率的程序組態，其中周期自動計時（單位時間）和排料次數計數是填充率DCS組態過程中的兩個難點。下文將對詳細的組態過程進行介紹。

4.1 周期計時程序組態

圍繞PKS 300系統功能塊庫中的TIMER功能塊定時功能，技術人員設計了一個實現周期計時的程序，基本設計思路是：TIMER功能塊計時輸出對其自身進行復位，延時一定時間后，自行啟動計時器進行下一周期計時。

具體實現方法：將TIMER功能塊的參數TIMERBASE（時間基準）設定為MINUTES（分鐘），參數SP（設定值）設定周期時間，周期時間可以任意設定，但是本例為了計算簡便周期時間設定60min即1h。為了實現初始手動啟動和自動啟動功能，在設計TIMER功能塊的啟動命令時，將TIMER功能塊的輸出狀態參數（SO）與手動啟動按鈕做“或”邏輯處理，其結果再經過一個脈沖（PULSE）處理與TIMER功能塊的啟動引腳（STARTFL）相連；將TIMER功能塊的輸出狀態參數經過一個PULSE處理后與其復位引腳（RESETFL）相連，實現周期的計時器復位和啟動。

組態注意事項：TIMER功能塊RESETFL命令執行優先級高于STARTFL，周期計時程序中命令執行的邏輯順序是先復位再啟動，并且因為PKS300系統程序執行與各功能塊執行次序緊密相關，所以復位脈沖功能塊的執行次序數要小于啟動脈沖功能塊。

4.2 排料次數計數的程序組態

PDS排料工作時，對于每條排料腿而言滿足條件后PC罐與PBT罐之間的出料閥門會打開，粉料依靠重力從PC罐中落到PBT罐中，每一個排料周期都如此。因此可以選擇計時周期內出料閥的開的次數作為 PDS在排料次數計數的標志。設法實現每次出料閥開時產生一個脈沖，對脈沖進行計數程序組態就可以了。

組態編程使用的主要功能塊及其作用：TYPECOVERT（數據類型轉換塊）將從PDS的PLC系統通訊到DCS的閥門開信號由枚舉量轉換為布爾量。RTRIG（上升沿檢測塊）將轉換為布爾量的閥門開信號進行上升脈沖化處理，其輸出作為計數功能塊的輸入。CTUD（上升/下降計數功能塊）與本文4.1周期計數程序的輸出結合完成周期脈沖計數，其輸出結果即為PDS出料腿單位時間內的排料次數。

具體實現方法，以KV4101-D所在排料腿PC罐單位時間出料次數程序組態編程為例：（1）通訊到DCS的閥門開信號由枚舉量轉換為布爾量從DCS功能塊庫中選擇一個TYPECOVERT塊，其輸入參數設為230KV4101_1D_O，其輸出參數設置為UINIT（無符號整形數）；再選擇一個TYPECOVERT塊，其輸入與前一個TYPECOVERT塊的輸出相連，其輸出參數設置為BOOLEAN（布爾量）并作為一個FLAG塊（標志量）的輸入參數，為后續計數編程做準備。（2）從DCS功能塊庫中選擇一個RTRIG（上升沿檢測）功能塊，將經過數據類型轉換后的KV4101-1D閥開狀態標志量鏈接到該RTRIG功能塊的輸入參數引腳，實現閥每開一次輸出一個時長為t(t為DCS系統的一個程序執行周期時長)的上升脈沖。將RTRIG功能塊的輸出連接到CTUD的CNTUPFL參數引腳，再將本文4.1周期計時程序的輸出經過脈沖化處理連接到CTUD的RESETFL參數引腳上，即可實現KV4101-D所在排料腿每小時排料次數的計數程序組態。

組態注意事項：（1）由于本例中PDS有兩條出料腿，另外一條腿的排料次數程序組態方法與上述方法一致。（2）PKS 300 組態時可以直接調用的通信程序中的數據，但是閥門狀態在調用時為枚舉量數據，所以必須要進行數據類型的轉換。

4.3 填充率的計算程序組態

填充率計算程序組態使用功能塊庫中的AUXCALAC（輔助計算）塊，該功能塊編寫最多8個表達式來計算PV值，為了程序的可讀性高，本例使用3個表達式完成填充率的計算。

組態注意事項：（1）需要注意將全部的PC罐排料次數均連接到輔助計算功能塊上，進行求和計算后，再代入填充率計算式中。（2）應確保各參數單位的正確性，通常密度單位kg/m3，所以乙烯及共聚單體流量單位應為kg/h，如果單位不同需要進行單位換算。

5.結語

為了降低實施的難度，本文在聚乙烯裝置PC罐填充率軟測量的研究過程中使用了多處近似處理，因而測量結果近似于實際填充率。PC罐填充率軟測量在DCS系統實現后，工藝操作人員不需要人工計算填充率，不僅能夠降低操作人員勞動強度，還能夠提高PDS的工作效率，降低能耗。

基于DCS完成工藝參數的軟測量是充分利用DCS的數據處理功能解決工藝生產難題、輔助工藝生產的有益嘗試，采用PC罐填充率軟測量的實現方法，該廠工藝及自控技術人員此后陸續完成了聚丙烯/聚乙烯裝置廢三乙基鋁罐三乙基鋁濃度測量、甲醇制烯烴裝置原料純度測量等多項輔助生產的關鍵參數的軟測量。綜上所述，基于DCS完成工藝參數的軟測量應用效果顯著，且不需要額外增加設備、購買服務，可節省大量投資，因而筆者認為具有較高的推廣應用價值。