基于PKS的超高分子量聚乙烯生產控制系統(tǒng)設計

李 程，王新威，茆漢軍

（聚烯烴催化技術與高新能材料國家重點實驗室 上海市聚烯烴催化技術重點實驗室上海化工研究院有限公司，上海 200062）

0 引言

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種線性結構的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，因其綜合性能優(yōu)異，特別在高溫下熔體呈凝膠狀，熔而不塌，對過度充電或者溫度升高時短路、爆炸具有優(yōu)良的安全保護，被廣泛應用于高效、大功率動力用鋰電池隔膜的制備。

隔膜作為鋰電池的關鍵部件之一，用于分隔正負極，防止兩極短路而發(fā)生爆炸。目前，中國濕法鋰電隔膜先進制膜技術尤其是其核心原材料UHMWPE 樹脂主要受日韓和歐美等國外大公司壟斷，完全依賴進口。2022 年中國鋰離子電池隔膜出貨量同比增長65.3%，達到133.2 億㎡。其中，濕法隔膜出貨量突破100 億m2，達到104.8 億m2，其對UHMWPE 隔膜樹脂的需求超10 萬噸。

為了提高生產UHMWPE 隔膜樹脂的規(guī)模和效率，UHMWPE 隔膜樹脂的連續(xù)生產法被提出以替代間歇法。本裝置的目的就是以工藝連續(xù)生產法為指導，提供更加龐大的生產規(guī)模和更加高效的生產效率，提高產量。為了使UHMWPE 樹脂各指標達到設計預期，特制定了適用于該工藝的DCS 控制系統(tǒng)。

1 C300控制器概述

C300 控制器是霍尼韋爾新一代的基于CEE（Control Execution Environment）執(zhí)行環(huán)境的控制器，該控制器支持非冗余和冗余配置，其所有的RAM 內存具有ECC（Error Correction Checking）功能，而它的FLASH 內存經(jīng)過校驗和（Check-summed），帶有啟動診斷和運行診斷程序。由于C300 控制器使用集成度更高的集成電路和更少的部件，所以具有更高的平均無故障時間（MTTF），冗余配置的C300控制器可用性大于99.999%。

C300 控制軟件功能十分強大，集成于功能強大的組態(tài)監(jiān)控軟件Control Builder 中，而且組態(tài)方式靈活，控制回路可以根據(jù)需求易于組態(tài)和修改。而且該控制軟件可在無需系統(tǒng)升級的情況下進行擴展，加入其他庫函數(shù)。其也可以進行包括連續(xù)、順序、邏輯控制在內的混合控制，并支持層次分類管理，提供圖形模塊化組態(tài)生成和實時監(jiān)控調試環(huán)境。

2 PKS控制系統(tǒng)概述

PKS（Process Knowledge System）系統(tǒng)是一個將整個工廠的商業(yè)信息系統(tǒng)與生產過程控制系統(tǒng)統(tǒng)一在一個平臺上的自動化系統(tǒng)，它繼承了傳統(tǒng)DCS 的優(yōu)點，同時又融合新的技術突破，是一套比TPS 及PlantScape 系統(tǒng)更趨完善的控制系統(tǒng)。PKS 系統(tǒng)采用的標準工業(yè)以太網(wǎng)絡即工廠信息網(wǎng)絡，采用的是辦公自動化領域中使用最廣泛的以太網(wǎng)。PKS 系統(tǒng)中的STATION 全方位操作站提供標準的以太網(wǎng)接口，可使全廠管、控一體化輕而易舉地完成。PKS 系統(tǒng)是一個規(guī)模龐大的系統(tǒng)，它可以根據(jù)用戶工廠綜合管理的需要與工廠信息網(wǎng)相連，構成范圍廣泛的綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)先進復雜的優(yōu)化控制，實現(xiàn)對生產計劃、產品開發(fā)、銷售、生產過程及有關物質流和信息流進行綜合管理，構成網(wǎng)絡化、自動化工廠企業(yè)，即構成用計算機管、控一體化的系統(tǒng)。

3 DCS控制方案設計

3.1 系統(tǒng)硬件結構

本套DCS 控制系統(tǒng)包含4 個霍尼韋爾C300 型號的CPU、2 臺互為冗余的服務器、11 臺操作站、1 臺直連操作站、2 臺互為冗余的交換機、1 臺串口服務器、1 臺打印機交換機、1 臺黑白打印機和1 臺彩色打印機。

DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 DCS System network topology diagram

本套DCS 控制系統(tǒng)采用了2 組控制器，每組控制器包含2 個互為冗余的C300 控制器，合計4 個控制器，兩組控制器分別命名為C1 和C2。C1 控制器下轄兩條LINK 線和45 組I/O 模塊，LINK1 控制8 組冗余AI 模塊和15 組非冗余的AI 模塊，6 組冗余AO 模塊和1 組非冗余的AO 模塊，2 組非冗余的DI 模塊；LINK2 控制1 組冗余DI 模塊和7 組非冗余的DI 模塊，3 組冗余DO 模塊和2 組非冗余的DO 模塊。C2 控制器下轄兩條LINK 線和49 組I/O 模塊，LINK1 控制5 組冗余AI 模塊和17 組非冗余的AI 模塊，3組冗余AO 模塊和3 組非冗余的AO 模塊；LINK2 控制13組非冗余DI 模塊，1 組冗余DO 模塊和7 組非冗余DO 模塊。控制系統(tǒng)通過繼電器、安全柵等器件接收與控制現(xiàn)場信號。

本套DCS 系統(tǒng)監(jiān)視及控制所有的數(shù)字量和模擬量過程參數(shù)的功能均由兩組C300 CPU 來完成。通過上位機監(jiān)控畫面的組態(tài)和下位機編程共同作用，實現(xiàn)對模擬量信號的量程轉換、顯示、累計、累計清零和PID 控制，以及對數(shù)字量信號的聯(lián)鎖觸發(fā)、啟停控制和順序控制。所有的數(shù)字量和模擬量信號分別由DI 模塊與AI 模塊接收，由DO 模塊與AO 模塊分別發(fā)送數(shù)字量輸出信號和模擬量輸出信號來進行控制。

本套控制系統(tǒng)采用多路供電，共設計兩個供電柜，P1柜正面外接220V 市電，主要為系統(tǒng)中的控制柜照明、風扇、臨時插座、打印機等設備供電。P2 柜外接兩路獨立的220V 電壓的UPS 電源，正背面各接一路，互為冗余，為系統(tǒng)中控制器、控制柜內24V 電源、現(xiàn)場四線制儀表、PKS服務器和操作站供電，確保在停電或者一組UPS 電源癱瘓的情況下系統(tǒng)仍能正常運行。

3.2 通訊

PKS 系統(tǒng)是Honeywell 公司推出的基于批處理、過程控制、SCADA 應用的開放的混合控制系統(tǒng)。它通過串行口（Serial）和第三方控制器或PLC 通訊[1]，支持Modbus 協(xié)議，并開放與提供了其OPC（OLE for Process Control）接口，具有強大的與第三方設備通訊功能。在本套裝置中控制系統(tǒng)與第三方設備采取Modbus RTU 協(xié)議進行通訊，物理連接方式為通過RS-485 接口以通訊電纜將第三方設備與串口服務器進行連接，PKS 系統(tǒng)通過串口服務器統(tǒng)一管理和讀取第三方設備的數(shù)據(jù)。本套DCS 控制系統(tǒng)采用16 口MOXA NPort 5630-16 型號串口服務器，最多支持16 套第三方設備接入。

OPC 即把OLE（Object Linking and Embedding）應用于工業(yè)控制領域。其采用客戶端、服務器模式，在客戶端和服務器之間建立一種通訊和數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標準機制，在硬件供應商和軟件開發(fā)商之間建立一套完整的通訊規(guī)范[2]。在本套裝置中控制系統(tǒng)PKS 系統(tǒng)作為服務端Server，第三方設備作為客戶端Client，通過網(wǎng)線相互連接。

PKS 控制系統(tǒng)控制層采用容錯以太網(wǎng)FTE（Fault Tolerant Ethernet）網(wǎng)絡進行各網(wǎng)絡節(jié)點相互之間的通訊，通訊速率為100MB/s，具有高速通訊容錯功能[3]。這是針對霍尼韋爾PKS 系統(tǒng)所設計的一種專用的通訊控制網(wǎng)絡，能夠使各個網(wǎng)絡節(jié)點之間具備多條通訊鏈路，當單點或多點出現(xiàn)故障時，能夠保證網(wǎng)路通訊的可靠性。

3.3 通過Configuration Studio進行下位機組態(tài)

Configuration Studio是PKS系統(tǒng)自帶的一體化組態(tài)軟件，用戶可以通過其內嵌工具Configure process control strategies對C300 下位機程序進行組態(tài)，可完成對控制器、IO 卡件、控制回路（CM）、順序控制（SCM）的組態(tài)，可分為動態(tài)Monitoring（存放已經(jīng)下裝的內存）和靜態(tài)Project（存在用戶組態(tài)的全部內容）兩種程序存在方式[3]，開發(fā)者或者用戶可在Monitoring 中對數(shù)據(jù)或邏輯進行實時監(jiān)控，提高調試效率。

本套控制系統(tǒng)中存在眾多PID 回路，主要為定量調節(jié)控制，大多數(shù)為單回路控制，少部分為串級控制和分程控制，在Configure process control strategies 中的控制回路（CM）內可以通過相關功能塊實現(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 DCS系統(tǒng)PID控制回路圖Fig.2 PID Control circuit diagram of DCS system

串級控制由兩個PID 模塊構成，一主一副，主回路PID 模塊的OP 引腳直接連接副回路PID 模塊的SP 引腳，系統(tǒng)自動線性變換量程，使OP 引腳輸出和SP 引腳輸入對應，副回路PID 模塊的OP 引腳連接調節(jié)閥。分程控制則由PID 模塊連接FANOUTA 模塊，并于FANOUTA 模塊的Individual Output 標簽頁輸入公式，F(xiàn)ANOUTA 模塊的不同輸出引腳連接不同調節(jié)閥。

本套控制系統(tǒng)中有大量泵、閥門與溫度、壓力、液位之間的聯(lián)鎖關系，在Configure process control strategies 中的控制回路（CM）內，可以使用各種功能塊實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 DCS系統(tǒng)聯(lián)鎖圖Fig.3 DCS System interlock diagram

本DCS 控制系統(tǒng)中存在參與聯(lián)鎖的PID 控制回路，聯(lián)鎖邏輯較為復雜，圖4 所示為應工藝要求設計的一處聯(lián)鎖邏輯示意圖。

圖4 DCS系統(tǒng)含PID聯(lián)鎖邏輯示意圖Fig.4 Schematic diagram of DCS system with PID interlocking logic

根據(jù)工藝要求，操作員可切換溫度調節(jié)閥，在未切換溫度調節(jié)閥之前，該控制回路在調節(jié)閥（1 號）閥后檢測壓力大于2MPa 時采用壓力PID 控制調節(jié)閥（1 號），在檢測壓力小于2MPa 時需采用1 號溫度PID 控制調節(jié)閥（1 號）閥后溫度，2 號溫度PID 置于手動狀態(tài)；在切換溫度調節(jié)閥后，只有檢測壓力大于2MPa 時調節(jié)閥（1 號）根據(jù)壓力PID 動作，而由2 號溫度PID 控制調節(jié)閥（2 號），1 號溫度PID 處于手動狀態(tài)。故需如圖4 所示設計，保證壓力PID 控制器和1 號溫度PID 控制器中至少有一個控制器處于手動狀態(tài)，使兩個PID 控制器的輸出保持一致，構成可無擾動切換的PID 回路。觸發(fā)保護性聯(lián)鎖后將PID 置于手動且閥門開度置于30%，并在上位機畫面中給與提示。部分功能塊如圖5 所示。

圖5 DCS系統(tǒng)含PID聯(lián)鎖邏輯圖Fig.5 DCS System with PID interlocking logic diagram

圖6 DCS系統(tǒng)SCADA組態(tài)圖Fig.6 DCS System SCADA configuration diagram

圖7 DCS系統(tǒng)OPC連接圖Fig.7 DCS System OPC connection diagram

3.4 SCADA點組態(tài)和OPC組態(tài)

對于SCADA 點組態(tài)，用戶可以通過Configuration Studio 內嵌的SCADA Control 建立SCADA 點對來自第三方設備的通訊信號進行分類和顯示，依次建立channel、controller、point 對信號進行層層篩選和分類。第三方設備均采用保持寄存器，Modbus 地址均從40001 開始。由于在controller 中控制器組態(tài)里Data Table 中已經(jīng)選擇了Holding Register，在SCADA 點組態(tài)中Address（格式為：控制器名地址 格式）內的“地址”從0001 開始，“格式”內容為數(shù)據(jù)格式（模擬量點）或數(shù)據(jù)位（數(shù)字量點），如無格式轉換采用0、32 位浮點數(shù)使用IEEEFP（高低位互換，輸入的數(shù)據(jù)位需+1）或REAL 等。

可以在Experion Station 中進入SCADA 通道監(jiān)控界面，點擊Name 列中的控制器名或Channel 列中的通道名可詳細查看通訊情況并做更改，如啟停控制器或通道。

出于安全考慮，SCADA 點不參與聯(lián)鎖和PID 控制，單純作為第三方設備數(shù)據(jù)的采集和顯示。

對于OPC 組態(tài)，由于用戶需求，本套控制系統(tǒng)需要將PKS 系統(tǒng)作為OPC 服務端，第三方系統(tǒng)作為OPC 客戶端讀取數(shù)據(jù)。PKS 系統(tǒng)自帶完善的OPC 系統(tǒng)設置，作為OPC服務端無需另外對計算機進行DCOM 配置，而OPC 客戶端服務器需要進行DCOM 配置。為保證OPC 系統(tǒng)正常運行，OPC 客戶端服務器還需將windows 用戶名和密碼與PKS 管理賬號保持一致，OPC 連接設置中IP 地址設為PKS 系統(tǒng)的服務器地址，Prog ID 選擇HWHsc.OPCServer，采用V1.0 或V2.0 版本的OPC 協(xié)議。連接成功后，在ASSET 下分類的組別中選擇對應的數(shù)據(jù)作為ITEM 進行讀取，本套裝置由于只需要檢測數(shù)據(jù)，故后綴采用“.DACA.PV”。

3.5 上位機組態(tài)

HMIWeb Display Builder 是PKS 系統(tǒng)自帶的上位機組態(tài)軟件，用戶可以利用其進行上位機畫面的組態(tài)，根據(jù)用戶自己的需求添加或修改畫面。PKS 系統(tǒng)擁有畫面同步功能，在服務器上修改的畫面會實時同步至FTE 網(wǎng)絡下用戶指定的操作站。PKS 系統(tǒng)調用的用戶自定義的畫面存儲路徑為C 盤/ProgramData/Honeywell/Experion PKS/Client/System/Abstract。

用戶可以使用Experion Station 軟件調用組態(tài)好的畫面對生產進行監(jiān)控，或者利用系統(tǒng)自帶的界面進行參數(shù)設定。

如圖8 所示，其為稀釋劑回收系統(tǒng)監(jiān)控畫面的一部分。操作人員在稀釋劑回收系統(tǒng)監(jiān)控畫面上可以進行對各條管線各種物料的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的實時監(jiān)視，并在顯示電機是否故障、是否運行等狀態(tài)時對電機進行啟停操作，抑或是對PID 回路進行調節(jié)和控制，又或者利用按鈕下發(fā)指令和動作。

圖8 稀釋劑回收系統(tǒng)監(jiān)控畫面Fig.8 Diluent recovery system monitoring screen

通過上位機趨勢曲線分組，用戶可以在監(jiān)控畫面上右鍵點擊組內相應的監(jiān)控數(shù)據(jù)，選擇Trend 后進入趨勢曲線界面。該數(shù)據(jù)和組內其他數(shù)據(jù)的趨勢曲線會一并顯示于界面中，用戶可在曲線下方表格中對趨勢曲線進行修改。

在監(jiān)控畫面最下方可以看到ALARM 按鈕，點擊可進入報警窗口，報警記錄根據(jù)報警時間的遠近在窗口中自上而下進行排列，報警原因和描述均在報警記錄中顯示。

在監(jiān)控畫面右下角可以輸入權限密碼，不同密碼能在PKS 系統(tǒng)中登錄不同權限的操作級別賬號。操作級別分別為oper（操作員）、supv（值班長）、engr（技術員）、mngr（管理員）。oper：允許確認報警，對分配至當前工作站或操作員的ASSET 下的點進行過程改變；supv：具有oper 等級的所有操作許可，同時可以改變或組態(tài)操作組、假期和班組的定義、組態(tài)配方和組態(tài)報警持續(xù)時間報告；engr：具有oper 和supv 等級的所有操作許可，同時具有改變點的組態(tài)和其它系統(tǒng)組態(tài)的能力；mngr：具有改變或組態(tài)的許可，具有最高權限[4]。

4 結束語

超高分子量聚乙烯DCS 生產控制裝置經(jīng)8 個月的調試工作，于2022 年8 月正式開車，現(xiàn)生產控制裝置運行穩(wěn)定且反饋良好。本套控制裝置具有完善的監(jiān)控、報警等功能，減少了現(xiàn)場操作人員的工作量，提高了生產工作效率，其依據(jù)工藝設計的PID 控制回路和聯(lián)鎖為生產提供了具備高標準的穩(wěn)定可靠的條件，為安全高效的超高分子量聚乙烯樹脂生產提供了充分的支持和保障。