氯碱行业自动控制讨论区 点击：8610 | 回复：306
发表于：2005-09-24 13:45:00
216楼
（1）性质
聚氯乙烯是由氯乙烯单体（VCM）聚合而成的高分子化合物，其结构单元（-CH2-CHCI-）n，n为聚合度，通常在590-1500。在聚合过程中，因聚合工艺，反映条件，反应物质组成，添加物等各种因素影响，可生产出8种不同型号的聚氯乙烯树脂，因而各种树脂的性能有所不同。
按聚氯乙烯树脂中含氯乙烯的量可分为：工业级、食品级、卫生级三种。
聚氯乙烯树脂的外观：为白色粉末或白色微粒状，其平均密度：1.40g/cm2。
（2）用途
聚氯乙烯树脂为通用型合成树脂，应用领域很宽，可用于聚氯乙烯硬制品、软制品、涂料及粘合剂的生产加工。按其应用领域分：
a）建材：如给、排水管材、管件、板材、异型材等。
b）包装材料：食品、烟草包装膜等。
c）电子器材：如电线、电缆、胶带、插销等。
d）家具、装饰材料。
e）其他：如汽车材料、医药器械等。
悬浮法聚氯乙烯产品既有一般的通用型树脂,也有特殊用途的专用树脂,如球型树脂；既有特高、特低聚合度的树脂，也有一般聚合度的树脂；既有疏松型树脂，也有紧密型树脂
1. 通用型聚氯乙烯树脂
通用型聚氯乙烯树脂是指由聚乙烯单体在引发剂的作用下聚合形成。平均聚合度在700-1300，外观为白色粉末，表观密度为0.40-0.62g/ml，颗粒直径在100-190μm，增塑剂吸收（吸油率）14-32g/100gpvc。通用型聚氯乙烯树脂是最通用的一类聚氯乙烯纯粉。
2. 高聚合度聚氯乙烯树脂
高聚合度聚氯乙烯树脂是指在氯乙烯单体聚合体系中加入链增长剂聚合而成的树脂。平均聚合度在1700以上（K值77以上、VN在155ml/g以上），又称为超高分子量聚氯乙烯。其外观为白色粉末，表观密度为0.41-0.6g/ml，颗粒直径在120-190μm，增塑剂吸收大于32g/100gpvc。
高聚合度聚氯乙烯树脂是聚氯乙烯纯粉的一种，虽然其聚合度（或K值）高，但与普通聚氯乙烯纯粉在外观、密度、含氯量、溶解性等物理化学特性上基本相同。在生产工艺上相同或类似，主要是采用悬浮聚合法；用途上相同，可以相互替代。
3. 交联聚氯乙烯树脂（消光制品专用树脂）
交联聚氯乙烯树脂是在氯乙烯单体聚合体系中加入含有双烯或多烯的交联剂聚合而成的树脂。凝胶含量一般在2％以下，平均聚合度一般在800-4000，其外观为白色粉末。
交联聚氯乙烯树脂是聚氯乙烯纯粉的一种，交联聚氯乙烯树脂与聚氯乙烯纯粉在外观、密度、含氯量、溶解性等物理化学特性上基本相同；在生产工艺上相同或类似，主要是采用悬浮聚合法；用途上相同，可以相互替代。
4. 共聚合物型聚氯乙烯树脂
共聚合物型聚氯乙烯树脂是在氯乙烯单体中加入第二、甚至第三种单体，聚合成二元或三元共聚物，其种类繁多，特性各异。共聚合物型聚氯乙烯树脂中，没有一种单体的重量占到95%以上，物理化学特性及用途上与聚氯乙烯纯粉不同
发表于：2005-09-24 13:54:00
218楼
CENTUM-CS3000在70m3悬浮法PVC聚合装置上的应用
转贴自http://www.yxc.com/xwbd/yingyong.htm
摘要： 介绍70M3悬浮法PVC聚合生产工艺特点和控制的要求，和横河CENTUM-CS3000集散控制系统在该生产装置上的应用。主要讨论了系统配置、组态、控制方案和配方管理。
关键词：PVC生产，DCS系统，配方管理
Abstract: The characteristic and control requirement of 70 M3 suspension methods of PVC manufacture units and application of the YOKOGAWA CENTUM-CS3000 Distribute Control System in such units are introduced. It mainly discussed the system building, configuration, and control scheme and recipe management.
Key words: PVC manufacture, Recipe management
1. 引言
PVC为世界上第二大合成树脂，产品具有良好的物理性能和化学性能，广泛应用于轻工、建材、农业、日常生活，包装、电力、公用事业等领域。我国的PVC生产企业经过多年建设和发展，已形成了可观的生产规模，生产能力已跃居世界第二位。但从整体发展状况来看，大多数企业与发达国家的PVC发展水平还有差距，突出表现为生产PVC产品的聚合釜容积小、控制手段落后等。许多PVC生产厂家仍使用30M3以下的聚合釜，整体投资大、运行费用高、生产强度低、没有规模效益等缺点。因此加快聚合釜大型化步伐，采用先进控制技术显得尤为重要。
常州新东化工发展有限公司PVC项目采用由锦化机开发的国产70M3聚合釜，采用先进的B.F.Goodrich的工艺生产技术，在横河公司的CENTUM CS3000 DCS系统上，通过使用CS Batch 3000配方管理软件，实现了PVC聚合工序的过程全自动化控制。
2. 工艺生产过程简介
该PVC聚合装置采用目前世界上先进的B.F.Goodrich的工艺生产技术。主要工艺过程如下：等温水密闭加料工艺。采用水和单体同时加入，即水加入片刻后开始加入单体，当加料结束时，釜内温度即为反应温度。聚合反应是在带有搅拌的不锈钢反应釜内进行，反应热是靠来自密闭回路冷却水塔系统的冷却水，流经螺旋半管式聚合釜夹套和釜内四根冷却挡板带出。
聚合反应是由过氧化物引发剂引发的，产品的分子量取决于反应温度。随着聚合反应的进行，聚合釜中的物料体积会逐渐缩小，为使釜中的物料体积恒定，充分利用传热面积，在整个反应期间，需不断地向聚合釜内注入无离子水，以补偿物料体积的收缩。
当聚合反应达到预定的终点时，向釜内加入终止剂，停止反应。
该工艺的主要特点是：
a、 等温热水加料工艺：一般的PVC生产工艺，均采用冷水加料，再通过夹套和内冷挡板通入蒸汽或热水升温，而后开始聚合反应。这种工艺的弊端是釜壁和内冷挡板过热，造成在釜壁和内冷挡板粘壁严重。该工艺的加料工艺是采用等温热水加料，热无离子水和冷的VCM几乎同时加入釜内，即水加入片刻后即开始加入单体。当加料结束时，釜内温度即为反应温度。而水作为连续相从釜底加入，单体作为分散相从釜顶加入，从聚合分散机理来看，是非常合理的。它既防止了单体浸润釜壁，有利于提高防粘釜效果，又使单体在加料过程中均匀地分散在水中，同时缩短加料时间和升温时间，提高了聚合釜的生产强度。
b、 聚合注水工艺：在聚合反应过程中，由于单体变成了聚合物，相对密度（比重）发生了变化，物料体积收缩。采用聚合注水工艺，使物料体积恒定，其目的是为了最大限度地地利用釜的传热面积，同时使釜内物料体系的粘度不升高，以达到强化传热的目的。其另一个目的是为不增加釜内的气相空间，以减少氯乙烯气相聚合所造成的粘釜。
c、 釜内抽真空工艺：氧是影响防粘釜效果的重要物质，必须从釜内脱除。聚合釜每生产一釜后，都要用回收压缩机抽真空，以防止气相氯乙烯在釜壁聚合而产生粘釜。
d、 生产工艺的密闭化：所有的辅助材料，如；引发剂、分散剂、其它助剂都实现了溶液化经管道输入釜内，成功地开发了水和VCM贮存与加料系统；引发剂、分散剂、其它助剂的配制、贮存与加料系统；聚合釜浆料的排出与输送系统，实现了聚合全过程的密闭化和自动化操作，提高了设备的利用率，增加了聚合釜的生产强度，减轻了操作人员的劳动强度，减少了环境污染。
3. CENTUM CS3000集散控制系统
CS3000是横河公司的最新的DCS产品，其主要特点有：
a、 综合性：CENTUM-CS3000是一个功能齐全的系统。它综合了多种控制、管理、自动化和信息技术于一身。
b、 开放性：CS3000系统是紧跟IT技术发展的开放性局域网结构。操作站的硬件可采用最新型的PC机；系统软件可采用最新的Windows XP或2000（中文版）作为操作系统；通讯接口提供DDE和OPC两种接口，可直接与用户的上位工厂信息管理系统（PIMS）、Internet网、Intranet网连接和通信；也可通过标准协议与多个厂家的PLC系统、以及符合FF、HART、PROFIBUS-DP等现场网络标准的厂家的设备进行通信；另外，还可直接将各种通用应用软件如MS-Excel、VB等应用于工程中。
c、 高可靠性：控制站采用4个CPU成对冗余热备技术，可实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断地运行；供电系统、通讯网络和总线、I/O模块均可实现双重化；V net总线采用交替工作模式的双重化结构。
d、 高性能：控制站采用高速RISC处理器，可进行64位浮点运算和可进行最高50ms控制周期的模拟与逻辑控制。
e、 高效简捷的工程：系统提供CAE（计算机辅助工程），直接用Control Drawing图或填表格的方式进行软件组态，软件组态十分简洁直观。并可提供虚拟测试和仿真软件，从而缩短软件的调试周期。
4. 系统构成
a、 硬件配置：
操作站5台，配置DELL主流工控机，采用21’的高分辨CRT，和专用操作员键盘，作为系统与操作员间的人机接口，5个操作站可实现互操作。
工程师站1台，用于系统工程目的，如控制回路组态、画面生成、报表生成、过程趋势和参数的整定、以及配方生成和配方管理的功能以满足PVC聚合生产的批量控制要求。运行时可兼作操作站。
根据系统规模配置2套现场控制站，以对过程装置进行常规/离散控制及顺序控制。控制站机柜5台，用于安装现场控制站和输入/输出模块。根据工艺控制要求，对重要回路的输入/输出模块进行冗余配置。助剂配置工序设置2个远程I/O节点，通过ER Bus总线与现场控制站进行通讯。
上位机网络OPC通讯接口1个，支持TCP/IP协议，可连接工厂信息管理网或Internet网，通过ODBC/SQL与企业管理层的关系数据库相集成。
现场总线通讯接口2个，支持FF、Profibus-DP总线协议。
宽行点阵打印机（LQ1600KIII）1台，A3彩色屏幕拷贝机1台，用于打印报警、报表等信息。
系统配置示意图
b、 批量软件包配置：
批量过程管理软件包
批量组态软件包
牌号管理软件包
* 符合ISA SP88标准要求
5. 批量配方管理
PVC聚合工序是一个典型的批量间歇生产过程，其特点是：
a、 动态性：动态特性是该生产过程的本质，具有很强的非线性特点，其操作参数随时间而不断变化。而连续过程的本质是稳态操作（开、停车除外），其操作条件及产品的质量都不会随时间的变化而变化。在PVC聚合生产过程中，原辅料必须按配方规定的加工任务和顺序，在反应设备中进行加工。
b、 柔韧性：PVC生产工艺过程的柔韧性表现为一套生产装置可用来生产多种牌号的产品。不同牌号的产品具有不同的加工任务和操作条件，因此选择的设备和控制系统必须具有操作柔韧性或弹性，以适应多种牌号产品的生产需要。
c、 不确定性：PVC聚合生产过程反应机理比较复杂，目前对整个反应过程尚缺乏全面的了解，整个反应可能会随时间的变化而发生恶化，也会因原料的质量及其它公用设施等原因在生产过程中发生不可预料的变化。
在间歇过程中，如何提高控制质量，如何在有限的时间内，利用有限的设备、原料及公用工程生产出更多数量、更多品种的产品，这为DCS控制系统提出了的新要求：
a、 灵活性：一个控制系统可以运行多个配方以便用相同的生产装置生产不同牌号的产品。每个配方都包含公式（如：投料量、温度设定等）及过程控制程序，控制系统必须有一定的灵活性，以满足配方和程序变化的需要。
b、 操作简单：批量控制的标准操作画面必须为操作人员所熟悉，并便于操作。在批量控制中，操作画面须满足所有的控制配方。
c、 开放性：可方便地从上位机上下载配方，并可将生产过程参数上传给上位机。
d、 标准化：符合ISA SP88标准。
e、 高效的工程：完成一个间歇过程的组态往往要花费连续过程四倍以上的时间。其中许多时间都是花费在维护、修改和编制辅助批量控制程序上。因此批量控制程序要求有继承性和共享性。
美国仪表学会ISA(Instrument Society of America)在1995年制定了间歇过程控制标准SP88.01，定义了间歇过程中的“模型和术语”。该标准定义了五个基本模型是：配方模型、控制功能模型、过程模型、物理模型（设备模型）和程序控制模型。
横河公司CS Batch 3000批量控制软件包括：配方管理、过程管理和单元设备监测三部分功能，具有以下特点：高效的工程组态、复用与共享、标准的操作和监测画面、适用性广泛、独立于单元监测、客户/服务器模式等。
a、 配方管理:
配方包括产品生产的必要信息，规定产品生产所需的仪表、过程、方法等。配方可以是主配方和控制配方，配方管理的作用是生成、编辑、管理主配方。
配方模型包括五部分内容：品名(Header)、过程(Procedure)、公式(Formula)、设备要求(Equipment Requirements)、安全(Safety)。
品名——是指该配方的产品名称，如PVC牌号，也可包括配方的制作地点、配方的制作人等有关信息；
过程——包括配方过程和单元配方过程两种，配方过程是指在产品生产过程中的加工顺序，如：如何使用混合单元、反应器等；单元配方过程描述配方过程中每一步如何执行的具体步骤，如：先加入物料A、再加入物料B、再搅拌加热等；
公式——包括生产过程中的输入、输出和操作参数。生产过程中的输入包括生产该产品的原料名称、用量及其它资源；生产过程中的输出包括最终产品、中间产品以及可能产生的废物等；操作参数包括反应温度、压力和加工时间等等，这些操作参数可以是固定的，也可以是通过有关公式计算出来的；
设备要求——是指生产该产品对设备的要求，如所需要的设备类型、制造材料等等；
配方安全——共定义了6级权限，对配方的运行、读取、生成/编辑、删除、下载等操作每一级权限都有不同的说明。
b、 过程管理：
过程管理的作用有：
控制配方生成：控制配方是直接用于操作的配方，它从主配方得到，加入配方的批次号、指定的生产装置等信息。
控制配方的复用：对一个好的控制配方进行拷贝和复用。
配方执行管理：下装和执行一个控制配方。
配方操作和监测：控制和监测画面观察配方执行情况。
配方结果和报告：历史信息报告、趋势图通过报表、打印等方式向用户报告，或通过OPC接口提供给上位管理层。
c、 单元监测
单元监测的作用是：采集和执行控制配方中的过程元素（或最基本的操作步骤）、管理设备单元资源、收集物料和设备单元的加工信息。
单元过程控制：单元过程控制是指在一个单元内执行一个操作，用SFC描述。
操作：就是按顺序执行单元过程的每一步，操作包括控制算法和数据。控制算法就是用SFC描述的操作过程；操作数据包括系统数据和用户定义的数据，有：模式、状态、报警、执行步数等。
6. 主要控制回路
控制方案在吸收消化B.F.Goodrich公司技术的基础上，结合批量控制软件包和国产70M3聚合釜的特点，融入先进控制的思想，达到了PVC聚合工序的全过程操作的自动化。其主要控制回路有：
a) 加料操作的控制：所有的原辅材料都要通过既定的程序，自动、精确地加入聚合釜内，投入的物料数量根据配方用量和输入的浓度，经系统计算后，准确地加入釜内。无离子水和VCM同时加入釜内，控制系统将自动调整加入水的量和水温，保证在水加料完毕的同时VCM全部加完，并且获得准确的聚合反应起始温度。
b) 聚合过程的控制：系统自动控制密闭聚合过程的每个单元操作包括聚合釜抽真空、涂釜、入料、聚合反应、事故停车、聚合釜出料和聚合釜清洗等。
c) 聚合过程的控制，保证聚合反应温度控制精度在±0.1℃，聚合釜装料系数不变（即由转化率自动控制聚合注水量），监测聚合反应的异常情况和报警；聚合反应过程与动力学、热力学模型进行比较，决定聚合反应的终点。
d) 测量和计算的聚合变量包括：放热速率、反应速率常数、转化率（从总的放热量测得）、反应时间、反应温度曲线、反应压力和压力变化率、搅拌负荷等。反应终点由聚合转化率、反应时间和釜内压力降来决定。
e) 为了迅速测出聚合过程中的不安全因素，控制系统要连续分析下列聚合变量：釜内温度、满釜、冷却水故障、搅拌故障等。当不安全因素监测出来后，控制系统应立即通知操作人员采取如下方法进行处理：聚合事故停车、停止聚合注水或加大聚合注水、短时间内开始回收系统、加入事故终止剂、非正常出料、安全阀开启前的手动放空等。
f) 出料操作的控制：一个聚合周期按预定的终点结束后，由计算机控制浆料自动排出聚合釜至出料槽。在出料完毕后，计算机对聚合釜进行清洗，计算机还要启动回收系统，对未聚合的VCM进行回收。
7. 结束语
a、 系统生成简单，减轻了工程组态工作量；
b、 科学、标准的配方管理，减少了配方生成、编辑/修改的工作量，满足同时生产多个牌号的PVC的需要；
c、 整个操作全自动化控制，操作画面简洁明了，完全面向操作，操作员培训工作量小，减少了人为因素引起的误操作的可能；
d、 控制精度大大提高，温度控制的精度达到±0.1℃，PVC产品质量得到保障，提高了优级品率。
该系统自制动投运以来，稳定可靠，聚合釜的生产强度有了很大的提高，具有很高的经济效益。
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