聚氯乙烯聚合釜温度控制系统实现

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摘 要：介绍了聚合釜聚氯乙烯生产的温度控制方案。由于聚合釜的大型化，变量多，温度控制异常复杂等特点，使用可编程控制器（PLC）CPU222，采用程序控制方式对聚合釜的温度进行控制，可缩短消除干扰时间，确保反应温度偏差控制在±5℃以内，从而达到产量的提高,产品质量的稳定。

关键词：聚合釜；程序控制；可编程控制器

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）08-0092-02

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作者简介：周治钰（1967-），女，湖北宜昌人，三峡大学讲师，研究方向为计算机基础理论；徐光斌（1967-），男，湖北宜昌人，湖北山水化工有限公司高级工程师，研究方向为智能控制。

0 引言

聚氯乙烯是一种重要的热塑性树脂,经过加工、改性,可以制成软硬质、泡沫、纤维等塑料制品,性能优良、用途广泛。随着国内聚氯乙烯行业的发展,企业生产规模的扩大,如何在现有生产装置上提高PVC 产品的产量和质量成为企业增强竞争力的关键。聚合反应温度是聚氯乙烯成型最重要的控制指标之一，在聚合反应期间，聚合温度过高会影响产品质量，温度过低会导致聚合反应缓慢或停滞，直接影响反应速度和树脂质量，因此如何保持聚合期间温度的恒定是要解决的最重要的问题。聚合温度控制主要存在的问题是：①从升温到恒温过程的过渡时间长,影响了聚氯乙烯分子质量的分布；②人工温度控制的精度较低,波动较大,影响了树脂的质量。

1 工艺简介

13.3 m3聚合采用蒸汽进行升温。升温使聚合釜内温度升高,并引发聚合反应,当聚合反应产生足够的热量后,要停止蒸汽升温。当温度达到恒温设定值后,通过控制补充冷水量将聚合过程中产生的热量带走,并维持聚合釜内的温度恒定,直到反应结束。

1.1 温度控制技术

聚合温度控制可分为升温、过渡、恒温、终止4 个阶段。如图1。

在升温阶段要求在最少能耗下、最短时间内使聚合温度达到过渡切入点(即关蒸汽点) ,然后进入过渡阶段;过渡阶段要求时间最短,并要求平稳地进入恒温控制阶段;恒温阶段要求反应温度控制在±0. 5 ℃内,以保证产品质量。

图1 温度控制过程示意图

1.2 升温阶段

在升温阶段,蒸汽阀全开,通过夹套水循环将夹套热量传递至聚合釜内,使釜内温度逐渐升高,若釜内升温太高进入过渡阶段,则可能无法平稳过渡到恒温阶段,同时也增加了升温时间,浪费了热能;若釜内升温太低进入过渡阶段,则可能需要长时间才能达到设定温度,甚至需要二次升温,将会严重影响树脂质量。因此寻找一个最佳的关蒸汽时刻(过渡切入点) 对升温控制很重要。

1.3 过渡阶段

进入过渡阶段,蒸汽阀(或热水阀)关闭,夹套通过冷水调节阀补充冷水,将多余的热量置换出去。在置换过程中有可能出现：①夹套补充冷水加得太多,使由釜内置换出去的热量太多,釜温迟迟不能达到设定反应温度；②夹套补充冷水加得太少,夹套温度偏高,抑制不住釜内温度上升趋势,釜温超调导致恒温段釜内温度波动太大,需要长时间的控制调整。这些将直接影响到聚合釜的生产效率和树脂产品质量。

1.4 恒温阶段

温度波动是由于反应瞬间放热量与瞬间带走热量不平衡引起的。当釜温上升时,聚合反应热会迅速增加，反过来又提高了聚合温度,如不及时补充冷却水,温度迅速

升高即会造成爆聚;若某一随机干扰使釜温下降时,如不

及时关闭冷却水,温度会迅速下降,即会造成僵釜,使反应停止。

1.5 终止阶段

聚合反应进行到后期,由于单体转化成PVC ,使单体量急剧减少,所以釜压开始下降。这个阶段如果釜压信号仍然参与运算和控制,就会造成冷却水调节阀的误动作,过量地减少冷却水,使釜温上升。所以进入该阶段时,必须及时切除压力信号。为了提高13.3m3聚合釜生产能力,转化率技术成为一个重要手段。通过热力学方程建立聚合放热过程的精确模型,计算机重建算法在线计算出反应速率和转化率。在转化率的基础上实现精确的注水控制,保证反应体系的动态平衡,使釜内反应温度更均匀、平稳,单釜生产能力更高。

2 可编程控制器特点

可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。其存储器可存储执行多种操作的指令，因此是可通过软件编程序的控制机，是与以往各种顺序控制装置有质的区别。通过“数字式和模拟式输入和输出”与生产现场紧密相连，突出工业控制的目标。值得注意的是可编程控制器应用于工业环境，它必须有较强的抗干扰能力，是与一般的微机系统不同的。

正是由于可编程控制器是一种工业控制计算机，其控制操作功能通过软件编制确定，在生产工艺改变或生产线设备更新时，可不必改变PLC硬件设备，只需改变编程程序就可改变控制方案，具有良好柔性。

可编程控制器采用大规模集成电路，可靠性要比有接点的继电器系统高得多。同时，在其自身的设计中，又采用了冗余措施和容错技术。因此其平均无故障运行时间超过二万小时，而平均修复时间则少于10分钟。

另外，其输入输出采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调整与保护等措施，提高了抗工业环境干扰的能力，使PLC适用于工业环境使用，可靠性大大提高。由于可编程控制器具备以上特点，它把微型计算机技术与开关量控制技术很好地融合在一起，还把连续量直接数字控制DDC技术加进去，并且有与监控计算机联网的功能，因此其应用十分广泛，几乎覆盖工业各领域，成为新一代机电一体化产品，它与日前应用于工业过程的各种实现顺序控制设备相比较，具有明显的优势。

3 聚合釜温度控制系统控制方案

控制核心采用西门子公司的可编程控制器（PLC）

CPU222和触摸式液晶显示屏TP170，将聚合釜的釜内温度、夹套水温、釜内压力等信号通过模拟量模块EM235送入可编程控制器CPU222进行处理后，控制电控蒸汽阀的开闭和电控冷水阀的开度，从而控制聚合釜温度。如图2。聚合釜、EM235模拟量模块、可编程控制器CPU222、TP170型触摸式面板进行连接成一个系统，共四个系统进行控制。

图2 温度控制硬件连接

4 编程说明

根据设计出的流程图就可编制梯形图，整个梯形分三大部分：①通用程序部分包括状态的格式化，状态器转换启动及状态器转换禁止，这是程序必不可少的部分；②手动操作方式部分。由于这部分不需要复杂的顺序控制只需要按常规继电器的方法来设计梯形图即可；③自动操作部分。

根据已设计出的梯形图就可很方便地写出程序清单，用编程器将程序装入PC机的ROM中，经过调试后即可投入运行。

5 结束语

把可编程序控制器应用到聚合釜聚氯乙烯生产的温度控制中，给系统带来了高可靠性、稳定性、准确性等一系列优点。有效地改善温度控制效果，提高了产品质量，达到了预期的目的。

参考文献：

[1] 王权.PVC聚合釜反应过程最优化综合控制方案[J].仪表与自动化,2006(32).

[2] 廖晓钟，刘向东.自动控制系统[M]．北京：北京理工大学出版社,2005．

[3] 周治钰.可编程控制器在黄磷生产自动配料中的应用[J].湖北化工,2002(2).

（责任编辑：王 钊）

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