DeltaV 批量控制技术在溶聚丁苯橡胶装置上的应用

DeltaV批量控制在溶聚丁苯橡胶装置上的应用
Application of DeltaV Batch Control on the SSBR Plant
高巍
（辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司，辽宁盘锦124000）
摘要：近年来，批量控制凭借着它自身的其灵活性和高效性在精细化工生产中得到了越来越多的应用。

本文以艾默生公司的DeltaV系统为基础，阐述了批量控制的基本模型和关键技术，并以辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司的溶聚丁苯橡胶项目为例，介绍了批量控制在这套装置上的实现过程。

关键词：批量控制；DeltaV ；溶聚丁苯橡胶；Phase；配方
Abstract：In recent years, batch control used more and more on the fine chemical production with its flexibility and efficiency. This article base on the Emerson DeltaV system expound the basic model and the key techniques of batch control. With Liaoning North Dynasol Synthetic Rubber Co. Ltd. for example,introduced application of DeltaV Batch control used on it.
Key words: Batch control；DeltaV ；SSBR；Phase；Recipe
1．引言
随着合成橡胶工业的快速发展，橡胶行业的产业结构也发生了明显的变化。

目前小批量、多品种的生产方式正在逐渐代替大批量、少品种的生产方式。

批量控制技术凭借着其灵活、高效、稳定的特性在合成橡胶行业得到了越来越广泛的应用。

本文陈述了艾默生公司的DeltaV批量控制技术的概念及特点，并以辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司年产10万/吨的溶聚丁苯橡胶项目为例，介绍了DeltaV批量控制技术在这套装置上的应用过程。

2．DeltaV批量控制技术的特点和功能介绍
DeltaV的批量控制技术是基于S88标准进行开发和设计的，它可以灵活高效的满足生产中快速变更配方的要求。

在DeltaV的批量控制技术中，无论从配方的计划到设备控制，还是从简单的顺序控制到多产品多流程的混合控制，DeltaV系统都可以让批量生产控制变得更加简单和容易。

DeltaV批量控制技术有以下几个显著的特点：
1)组态工具软件简单、明了，模块化的控制设计与工艺分离，无需修改复杂程序就能实现
不同设备的控制组合，从而生产不同型号的产品
2)单一、完整的一体化数据库可以避免在批量控制中多数据库的重复输入，让不同的应用
程序之间共享相同的信息数据，实现控制软件的无缝集成
3)一体化的事件记录功能和批量分析工具可以提供多批次产品的数据比较，从而优化生产
的工艺指标参数
4)具有对配方、公式以及多个批量的管理功能
DeltaV的批量控制功能主要是通过引入程序功能图PFC（Procedure Function Chart）来实现整个配方组态的. PFC是批量过程控制专门研发的一种流程图式的功能图，它由步骤（Steps）、跳转（Transitions）和有向连接线三个重要要素组成，并且具有嵌套功能。

程序功能图中的每一个步骤都对应着一个子程序功能图或者阶段配方程序（Phase）;每一个跳转
（Transitions）都必须相应跳转条件相对应。

在批量配方程序执行期间，运行到每一步时，其对应的子程序或阶段配方程序（Phase）就被调用触发执行，执行结束后再返回到配方的主程序中按照跳转条件执行下一步程序。

批量配方程序功能图（PFC）的执行过程如图1所示。

图1 DeltaV批量配方程序的执行过程
3．溶聚丁苯橡胶的工艺流程和控制要求
丁苯橡胶（SBR）是最大的通用合成橡胶品种，也是最早实现工业化的合成橡胶产品之一。

溶聚丁苯橡胶（SSBR）是60年代初由美国的Firestone和Phillips公司首先实现工业化生产的。

它的主要原料是丁二烯和苯乙烯，使用环己烷与正己烷为溶剂，正丁基锂为催化剂。

大致的工艺流程为：首先将原料丁二烯和苯乙烯进行精制，然后将精制后的丁二烯，苯乙烯加入到聚合釜中，再将配置好的催化剂、抗氧化剂等加入到聚合釜中进行聚合反应。

聚合反应结束后，生成的橡胶溶液进入到闪蒸罐来去除未反应的单体和部分溶剂，胶液的浓度提高后再进入到掺混罐，通过掺混来获得希望的门尼粘度。

而掺混好的胶液会进入到汽提罐，在热水中进行凝聚和溶剂脱除工作。

回收的溶剂经过分层罐除去大量水分后，返回溶剂精制工序。

凝聚后的胶粒进入到橡胶后处理生产线进行干燥处理，干燥后的胶粒再经过压块，称重以及包装后变为合成橡胶成品。

一般的合成橡胶生产线为了提高产品的生产量会使用多个聚合反应釜共同工作的模式，并且在不同的产品配方生产中会有各种不同的原料交叉投入到反应釜中进行聚合反应。

以辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司年产10万/吨的溶聚丁苯橡胶装置为例，该套装置由1000单元和6000单元两条生产线组成，每条生产线各有3个反应釜，所有的不同反应原料分别储存在15个原料罐内。

两条生产线所有反应釜的聚合工艺流程也十分相似，只是在生产不同产品时用到的原材料有所不同。

如今市场对橡胶产品的需求瞬息万变，所以在合成橡胶的生产过程中，产品种类和牌号也切换的非常频繁，那么相应的工艺参数和原料选择就会有很大的变化，如果采用传统的SFC顺序控制编程，每一种配方对应6个反应釜就要编辑6套顺控程序，这样对于配方多样化的合成橡胶工艺来说，控制程序的编译工作在项目建设的过程中就会变的十分繁琐，也不利于后期生产配方的管理和使用。

而在这种相似的生产工艺中如果我们使用批量控制，那么每一种配方我们只需要编辑一套程序就可以应用到所有的6个反应釜中，这种Batch批量编程技术的使用，可以大大的简化控制程序的编译工作，提高程序
组态的工作效率，并且能够降低DCS控制器的运行负荷。

4．DeltaV批量控制在溶聚丁苯橡胶项目上的具体应用
4.1 批量控制的软硬件配置及系统结构
在辽宁北方戴纳索公司年产10万/吨的溶聚丁苯橡胶项目中，与批量控制相关的硬件主要包括DeltaV批量控制服务器，工程师站，操作员站，控制器卡件以及通讯网络的相关设备等。

与批量控制相关的DeltaV系统结构如图2所示。

图2 溶聚丁苯橡胶项目批量控制系统结构图
在这些硬件中，DeltaV批量控制服务器主要用来存储和执行批量配方，进行批次生产数据分析、存储以及报表等；工程师站主要用来完成工艺过程建模、批量配方的组态和管理等；操作站主要用来实现批量配方的创建与运行，配方参数的设定与修改，配方程序的运行状态以及生产信息的查看等；控制器等卡件主要负责让生产线的设备按照控制程序的要求进行处理和执行；通讯网络主要负责各类操作站和多个控制器之间的网络通讯工作。

软件主要包括Advanced Unit Management(批处理单元管理软件)，DeltaV Professional Batch（DeltaV专业批处理软件）和Batch Operator Interface（批处理操作软件）。

4.2溶聚丁苯橡胶聚合反应过程中批量控制的实现
在精细化工生产中，溶聚丁苯橡胶的聚合反应属于典型的批量生产过程。

下面我们以某型号的溶聚丁苯橡胶的聚合反应为例来说明在DeltaV系统中如何建立和实现批量控制的配方。

某型号的溶聚丁苯橡胶对应的聚合反应工艺流程可以简要概括为以下内容：首先，在反应开始前检查各类原料的数量是否满足聚合反应的需要，然后向连续搅拌的反应釜中同时加入溶剂、苯乙烯和丁二烯，加料完毕后再向反应釜中加入催化剂进行聚合反应。

反应开始后同时启动反应釜内峰值压力和峰值温度的检测以及冷却水控制系统的投用。

当反应结束后依次向反应釜中加入终止剂和主抗氧化剂并启动反应釜搅拌程序。

当反应釜搅拌程序运行结束后，反应釜卸料程序会自动将物料从反应釜卸载到闪蒸罐中，从而完成聚合反应。

图3为某型号橡胶聚合反应的工艺流程图。

图3 某型号橡胶的聚合反应工艺流程图
图4是根据工艺要求，使用DeltaV系统的Recipe Studio也就是配方工作室进行绘制和编译的某型号橡胶聚合反应配方的程序功能图。

图4 某型号橡胶的聚合反应配方程序
在实际的批量生产过程中该程序通过调用DeltaV控制器中对应的设备阶段子程序，进而控制相关设备单元的现场设备，最终实现橡胶聚合反应的批量生产。

图5是与图4配方程序中最后一步“反应釜卸料程序”对应的子程序功能图，该子程序可以通过DeltaV控制器对现场的搅拌电机和阀门等设备进行调用和控制，从而实现反应釜的卸料功能。

图5 反应釜卸料单元的程序功能图
以下的表1是某型号橡胶聚合反应的配方公式,将相关的配方参数设置到配方批量程序中，即可生产一定数量的合成橡胶。

表1某型号橡胶聚合反应的配方公式
配方公式的参数参数设定值
溶剂加料量（kg）14000
苯乙烯加料量（kg）640
丁二烯加料量（kg）2000
催化剂加料量（kg）16
峰值压力检测起始值（bar） 1.0
峰值温度检测起始值（℃）90
冷却水控制温度（℃）70
终止剂加料量（kg）120
主抗氧化剂加料量（kg）40
搅拌时间（min） 5
反应釜卸料后等待时间（second）60
当进行批量生产时，我们首先在DeltaV批量操作界面（Batch Operator Interface）中将表1中的配方公式加载到对应的配方程序中。

当程序启动并运行到各个阶段的子程序时，子程序将自动触发并控制相关设备进行操作，并按照配方公式中的设定参数完成相应的生产任务。

图6显示的是当配方运行到反应釜卸料步骤时，与之对应的设备阶段子程序如何结合并控制现场物理设备从而完成反应釜卸料任务的全部过程。

图 6 配方与设备控制程序的结合图
从以上批量控制程序的实现过程我们可以看出，DeltaV是严格遵守着ISA88标准的批量控制系统，它采用了配方程序与设备控制程序完全分离的原则。

配方程序的功能就是详细表述程序功能图中各个步骤之间的逻辑关系，并不涉及到具体物理设备的调用。

因此我们在创建配方程序时并不需要关心设备的逻辑控制关系，在后期修改配方的时候我们也不用对物理设备的逻辑控制进行重新的组态和编译，只需要变更配方程序中各个步骤的连接关系或者配方参数即可。

这样的控制理念将批量程序控制柔性化的特点发挥的淋漓尽致，从而也让技术人员大大的减少了配方维护的难度。

5 结束语
DeltaV批量控制技术在辽宁北方戴纳索合成橡胶项目中的成功使用，大大的提高了整个生产线的自动化程度，从而保证了工艺系统高效、稳定、连续的运行。

在实际频繁的配方程序切换过程中，无需进行复杂的程序编译和修改，这大大的提高了生产线的生产效率，可以快速的相应市场需求。

从实际的使用情况表明DeltaV批量控制技术拥有着稳定性强、可操作性好等特点，可以广泛的应用到各类工业领域当中。

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第一作者简介
姓名：高巍
性别：男
职称：工程师
出生年月日：1981.02.13
学位：1999 – 2003 沈阳化工大学自动化专业学士
2012 – 2015 沈阳化工大学控制工程专业工程硕士
目前主要从事的工作和研究方向：
从事各类现场化工仪表的设备管理，以及DCS系统，PLC系统的优化与维护。