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Abstract: Describe Honeywell EPKS C300’s characteristics, the characteristic and control requirements of Befar Group’s150 thousand tons/year PVC equipment, the application status of Honeywell EPKS C300 in hardware configure, software configure, control method, control algorithm of this project.


山东滨化东瑞化工有限公司（简称东瑞公司）15万吨/年PVC项目是山东滨化股份有限责任公司大力发展循环经济的末端项目，引进了的美国古德里奇生产技术，聚合方式采用悬浮聚合法。该项目生产工艺主要包括入料、反应、出料回收、浆料汽提、离心干燥、自动化包装等，整个生产流程是个密闭的系统，即可有效利用原料，又降低操作人员接触VCM的可能性，提高装置操作的安全性。


1.PVC的聚合工艺

悬浮聚合反应过程在聚合釜中完成，聚合釜采用的是带有两层三叶后掠式搅拌桨、内表面抛光的70m3不锈钢聚合釜。进行聚合釜涂壁后加入缓冲剂，接着加入无离子水，在无离子水进料不久（尚未加完）开始加VCM，流量控制在两者同时加料完毕的范围，在此入料过程进行釜温调谐，使温度接近反应温度。接着加入分散剂形成均匀体系，由过氧化物引发剂引发聚合反应。随着聚合反应的进行，釜中物料体积会因单体和聚合物密度的不同而逐渐缩小，为反应系统稳定性，在反应期间不断加入中途注水以补偿体积收缩。反应过程中产生的大量反应热靠聚合釜夹套冷却水和釜内挡板冷却水带出。当聚合反应到达终点时，向釜内加入终止剂终止反应，进行出料和回收，可准备下一釜入料。


2.Honeywell EPKS C300 系统的特点

Honeywell公司的控制系统采用了容错以太网技术，对生产的稳定运行起到了保障作用，同时Honeywell公司的控制系统在硬件，软件上都有其优势。


2.1系统硬件

C300控制器和C系列I/O卡件占用很小的空间，每个C300多支持64个冗余I/O 模件。


C300控制防火墙，在已有可靠的网络架构基础上，增加另外一层高安全防护以实现拒绝接收所有控制器不需要的信息，如果通讯速度变慢，将对那些不重要的信息流进行控制。


机柜内排布和接线的垂直设计更有利于散热管理，减少“热点”。实现更有效现场接线，从顶部和底部进线，具备更自然接线端子，没有大的线缆弯曲，实现了更加紧凑的空间设计。


容错以太网FTE用于系统服务器，操作员站和控制器之间的数据通信。Honeywell专利技术为PKS量身定制开发的FTE驱动突破以太网瓶颈实现级选择，使得商用的100Mbps 以太网实现容错。FTE以的多路由选择替代双网结构传统冗余模式网络。C系列卡件及PMIO收集现场信息，通过IOTA的IOLINK送达到控制器，控制器进行判断和执行。


2.2系统软件

EPKS R301是针对EPKS C300所有采用的软件系统，它提供了C300卡件运行的软件平台。Experion 的企业模型提供了完善的数据以支持操作员和工程师。允许用户在Experion 平台上显示企业结构。Experion 企业模型由两个特的部分构成，资产模型和报警组。Experion 的控制策略用Control Builder 生成。Control Builder 是一个图形化、面向对象的工具，工作在控制执行环境（CEE）下，支持Experion 的过程控制器、应用控制器及仿真控制器。


R301采用DSA 分布式系统结构，DSA是Honeywell EPKS创新技术之一，可以容易地将多个Experion PKS 族集成到一个单一的系统中。DSA允许使用低成本，低带宽的网络，无缝集成所有DCS数据：实时点数据，报警，操作信息，历史数据等等。并可构成超大规模系统，并实现全局数据命名。


PKS系统组态软件的标准算法库可以非常方便编写各种控制逻辑方案，除了标准算法库之外，PKS还支持各种特殊的算法库，并分别有各自的许可证，如AGA流量计算模块。在R301系统中，具特色是Profit Loop算法模块。Profit Loop是一个驻留在PKS集散系统上单入单出的模型预测控制器。Profit Loop是具有专利的模型预测控制算法，Honeywell 预估控制技术已成功地用到很多石化项目上，Profit Loop 也是Honeywell 的专利技术。3/4 的Profit Loop PKS 已嵌入到控制器C300 及 ACE 节点中，无需额外费用，这样可以减少维护成本，增加过程稳定性多达30%，并且可以省略基于PID 所需的参数诊定要求，准确知道生产工艺运行的过程。


3.硬件配置

根据年产15吨PVC这一要求，该DCS控制系统配置了：模拟量输入点（AI）176个，模拟量输出点（AO）80个。热电阻输出点（LLMUX）126个，开关量输入点(DI)610个，开关量输出点(DO)点582个。合计1574个点，其中控制回路78个。依据以上数据，我们配置了相应的硬件：操作站5个，其中4个为双屏Flex station。1个为单屏console station，控制机柜6个，继电器柜7个，电源柜1个，服务器柜1个，采用了3对C300控制器（均为冗余）。整体架构如图1所示：





1#控制器下挂AI卡11块，AO卡5块，DI卡14块，LLMUX卡2块，DO卡15块，主要负责分散剂、缓冲剂、链调节剂，软水，引发剂，单体的控制。2#控制器下挂：AI卡11块，AO卡4块，DI卡10块，LLMUX卡1块，DO卡14块，主要负责聚合反应，涂壁，水单元的控制。3#控制器下挂：AI卡10块，AO卡4块，DI卡12块，DO卡11块，LLMUX卡1块，DISOE卡6块，主要负责初料，回收，终止剂，干燥，抽真空，汽提，废水汽提单元的控制。


控制站采集信号并进行运算输出，具有故障自诊断功能。控制系统中全部的AO卡件和部分重要的AI、DO卡件采用冗余模式，当出现卡件故障时候，卡件能实现无扰动切换，为系统的稳定运行提供了硬件基础。操作站提供人机操作界面，接收控制器传到服务器的数据，供工艺人员监视操作。


4.软件和画面配置

服务器上安装了Windows server 2003操作系统， Console station安装了Windows XP操作系统，Flex station安装了Windows XP操作系统。Flex Station是操作员用来与服务器进行通信，获得工厂实时信息和进行实时操作的接口。Console station除了具有Flex station的功能外，还提供了从控制器，IOLIM和 ACE 节点直接获得过程数据，报警和消息的通道。本套系统PVC工艺界面共设22幅。


5.主要控制特点

5.1 PVC控制特点：

PVC有多种型号，每种型号PVC的配方由不尽相同的数十个数据和工艺参数组成，属于单流程多产品的生产过程。PVC生产大体可分为聚合和干燥两部分，其中关键部分聚合是一个典型的批量间歇生产过程，由多个单元相互配合完成。


生产装置由助剂配置与加料单元、出料回收单元、聚合单元、水单元、干燥包装单元等单元组成，各单元之间相互立又相互联系，其中聚合单元为主单元，其余单元为从单元，围绕主单元运转。各单元有的是批量生产有的则是连续运行，一个环节往往需要若干单元同步协调才能完成，所以一个单元故障将会导致整个生产陷入停顿状态。


聚合生产是一个严格的顺序控制过程。加料前，要准备充足的单体、无离子水、分散剂、引发剂等原料和助剂，确定好产品型号和配方，然后启动生产程序，系统会按照预定步骤执行，大体过程为：选釜→抽真空→涂壁→冲洗→加料→聚合反应→判断反应是否终止加终止剂→出料→回收→汽提→干燥→包装。


根据上述，不仅要求DCS控制系统可运行多个型号产品的生产要求，同时还要解决生产过程中随时可能发生的突变事件。PVC控制程序中所建立的CM、SCM点总共有800多个。CM点包括简单的单回路控制、比值控制、联锁控制等；SCM点指顺控程序点，它是整个控制程序的核心，是指挥整个PVC装置平稳运行的大脑。SCM顺控程序主要由Step和Condition两种模块组成，结构紧凑、逻辑严谨，不仅实现了严格的控制要求，而且便于操作人员操作及对突发事件的应急处理。


5.2典型控制方案

(1) 软水入料控制：

为了节省升温过程，缩短单釜操作时间，软水入料采用热水进料，使得聚合釜温度略聚合温度，在加入引发剂后即可直接进行聚合反应。这是一个典型的分程控制，控制程序如图2所示：






(2) 空釜检测：

在进行涂壁之前，先检查聚合釜底阀、终止剂加料阀、单体加料阀、抽真空阀等与聚合釜直接相连的阀门是否处于关闭状态，确定搅拌电流和聚合釜压力小于设定值，检查无误后就可以进行涂壁了。


(3) 聚合温度控制：

聚合温度控制采用聚合釜温和盘管冷却水温的串级控制，聚合反应是个放热反应，釜内温度会不断升高，通过调节挡板和夹套进水量来稳定聚合温度，使聚合温度稳定在设定值附近。控制系统由釜内挡板主回路和夹套副回路组成，当釜温、夹套温度低于设定值时，主副回路通过增减阀门开度控制冷却水流量来调节温度；当釜温、夹套温度设定值时，由釜温调节功能块的输出作为夹套温度PID调节的外给定，从而使釜温波动在一定的范围内。


(4) 注水控制：

聚合反应过程中总物料体积会减小，为了维持总反应体系物料体积不变，在聚合反应进行到一定的程度，一般是在聚合反应开始后45分钟时加入一定体积的水，这样既可防止可能产生的局部爆聚，也能提高聚合生产强度和产品质量。


(5) 聚合反应终止的判定：

在实际的生产过程中，聚合反应终止一般分为正常终止反应和紧急终止反应两种情况。控制程序根据聚合釜内压力、温度和反应时间来判断反应是否结束，在反应进行420分钟后无论釜内压力和温度是否达到规定值，都认为反应已经结束。如果在反应的过程中，出现了超温、超压等特殊工况，将加入紧急终止剂来紧急终止反应过程。聚合反应主要程序如图3所示：




图3

6.profit Loop 软件在PVC控制系统中运用

Profit Loop PKS是一个基于模型预测控制器。Profit Loop PKS Assistant是一个简化Profit Loop PKS配置活动的工具，来实现模型定义。在PVC的控制系统设计过程中，我们在PVC控制逻辑中选定了几个控制效果不理想的控制回路实施从PID转到Profit Loop的控制，均取得了理想的效果。


应该根据不同回路类型的特点，在PVC控制方案中，选择要实现Profit Loop控制的控制回路。
PID-PL 功能块作为功能块的一种，可以在Control Builder中的功能块Library中直接调用，实现替代传统PID功能块作用。在确定了要实现Profit Loop控制的控制回路以后，在组态的时候应确定用PID-PL 功能块。


应用Profit Loop，需要获得过程模型。进行过程模型系统识别，既是过程如何相应输入变化的数学表达式，使控制器过去的输出OP值和将来预测的PV值联系起来。Profit Loop PKS model可以从现有的PID参数直接转换而来，也可以通过阶越函数测试获得。在滨化PVC项目中，我们主要应用了第二种方法来获得系统模型。


在测试完成后，对回路进行整定的方式有两种，种可以通过输入PID参数实现；第二种可以通过针对PID-PL回路输入的整定参数实现。在第二种方式中通过简单地增加性能比值来减慢调节动作的速度，同时增加鲁棒性。反之，如果调节器动作太慢，则可以通过减少性能比值来加速闭环调节器的响应。


7.结束语

Honeywell公司的EPKS C300 DCS控制系统，融入霍尼韦尔数十年的过程控制、资产管理、领域的经验，融合新控制和现场总线技术。应用EPKS C300系统的滨化PVC项目于08年8月建成并投产，运行良好。同期建设的滨化的离子膜，三氯乙烯，粒碱，环氧丙烷等项目也应用了EPKS C300系统，也都取得了良好的经济效果。



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