精细化工间歇式生产过程自动化关键技术解析

刘迅升　卢健

摘   要：随着我国科学技术不断发展，精细化工生产模式已经成为主流生产方案。本文结合精细化工生产工艺、系统自动化要求，设计了以HOLLiAS MACS为核心的自动化控制系统，该系统借助编程语言能够有效实现程序升温控制、滴加控制、保温控制等功能，借助人机交互界面实现一键式操控，有效降低人工劳力投入、提高间歇式生产效率。基于此，本文重点提出一种基于HOLLiAS MACS技术的精细化工间歇式生产自动化系统。

关键词：精细化工  间歇式生产  自动化  关键技术

中图分类号：TQ06                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0100-02

精细化学品工业生产的简称为“精细化工生产”，考虑到精细化工具有多品小批量特点，因此主要是采用间歇式生产技术。间歇生产是将一定量待加工物料投入到设备中，按照规定的生产程序加工，从而得到一定量的产品。在科学技术不断发展当中，精细化工生产对间歇式生产自动化要求进一步提升，也对产品提出了更高要求。为了能够满足工艺生产标准、提高自动化程度、解放生产力，开发一套精细化间歇式自动化产生系统有着重要意义。精细化工间歇式生产对外部环境要求很高，为了整个自动化系统运行安全、高效，要对生产压力、温度、流量等严格管控，减少人为干扰因素，解决质量不过关、生产效率低等问题。

1  精细化工间歇式自动化系统设计思路

HOLLiAS MACS采用了最新工业以太网技术，可以保证通信实时性、提高了网络安全性。同时，HOLLiAS MACS系统还集成了非常先进的Profibus-DP现场总线技术，具有分散危险、分散控制、集中监控、节省电缆费用等优势，因此HOLLiAS MACS系统能够实现不同智能设备的信息交换，操作十分灵活[1]。

为了能够突出精细化工间歇式生产的工艺特点、自动化控制要求，借助HOLLiAS MACS系统设批量控制程序，系统要求的配方名单表、工艺执行流程、人机交互信息表单转化为DBF数据库格式，统一管理。生产人员在人机交互界面上选择产品生产配方文件，直接在数据库中提炼、显示参数名称，也可以对生产参数进行修改、下装等，从而实现间歇式自动化生产目标。

工艺执行表单主要是结合工艺步骤生产要求，排列生产系统先后操作顺序和流程，对相关程序数据进行保存和修改。整个人机界面操作方式要简单、界面简洁，根据不同生产要求、生产情况选择生产工序，如可以进行下一步、挂起步、前后跳步、放弃步等，保证系统操控灵活性，更好的满足工艺生产要求。工艺执行顺序表单采用了人机交互信息表单，具有连接性强、数据量大、查找容易等特性。采用DBF数据库保存数据，除了可以具备较大的容量，还可以直观看到各个步骤运行记录。人机交互信息表单主要包括各个步骤执行信息，主要是信息存储、修改、显示，人机交互界面要能够根据化工生产情况，调试操作人员生产操作，也可以根据表单自动生产。

2  精细化工间歇式生产过程自动化控制功能实现

精细化工间歇式生产工艺决定了自动化控制功能实现的复杂性，整个生产过程的核心是温度控制、压力控制，尽可能避免温度、压力剧烈波动等情况，也要避免间歇失控现象。在工艺层面上主要分为三个阶段：（1）加完原料后进行程序升温、拉真空，之后再次升温提高釜温，降低压力;（2）在程序自动升温之后，进入到滴加反应放热、控压阶段;（3）滴加工序完成后进入到保温阶段。这三个阶段温度、压力控制是否稳定，会直接影响化工产品生产效率和质量。具体功能实现需要从以下几点出发。

2.1 升温自动化控制

根据交互界面所选取的配方表单，在完成下装、原料添加工作后，进入到系统升温工序、拉真空工序。要求系统在指定时间内，将温度提升到系统标准温度点，将压力逐渐减少到预设真空值，为了保证温度、压力的稳定性，科学设置温度升高曲线、压力下降曲线非常重要[2]。由于釜内具有惯性、滞后等情况，曲线设定要先快后慢，也就是前期快速升温、快速拉真空，一段时间后放缓升温、降压速率，直到系统真空度、温度贴近物料反应点为止，这样做法可以有效减少超温、压力波动情况。为了避免反应点产生变化或突然反应情况，系统会自动控制釜外盘管进入到冷热水切换状态，加入系统设定量的冷热循环水降温。

2.2 滴加自动化控制

在温度、压力趋于稳定之后，要判定是否发生了物料反应。根据温度曲线情况，如果温度前期迅速上升、斜率曲线陡表示曲线符合系统要求。之后要根据曲线连续变化率进行判定，在连续5个周期中（间隔0.5s）取一个变化值，观测3个变化率值的走向情况，如果其中一个数值超出了额定数值，则表示物料已经发生反应。发生反应后系统会自动开启循环冷却水，阀门开到100%，根据品种配方表单标准值，通过PID换算滴加调节阀开度，也就是滴加阀门开度自动控制，这样物料加入速度全程都可以平稳控制，借助自动化滴加调节，确保间歇式生产系统按照设定滴加量进行。自动化滴加控制主要对象是计量槽物料中物料下降速率控制，计算所得下降速率实现阀门开度自动控制，这样可以保持滴加平稳性，内釜温度变化也十分平稳。传统的控制方案滴加速率较高，内釜温度变化波动大，难以控制，所以稳定滴加方案更适合自动化间歇式生产模式。

2.3 保温自动化控制

滴加完成之后要控制内釜温度的稳定性，指定时间内温度变化不超过标准范围，釜内温度与预设温度保持一致，误差不超过±1℃，通常配方数据单中就会设定温度标准值。为了确保生产工艺精度，可以借助多参数动态监控手段控制温度。由于釜内温度存在聚集、滞后等特性，如果温度上下波动，过去都是人工采用PID回路调节，容易产生超调、迟缓等问题，温度调节十分困难，无法满足精细化工生产标准。结合自动化生产系统设计经验总结发现，釜内温度无论是正偏移还是负偏移，一旦产生了变化趋势控制阀也要跟着响应，自动调节冷却循环水阀门开度，从而适应温度变化，避免温度正向聚集产生温度积聚效应，增加反应效率，温度聚集后控制难度进一步增加，甚至将循环冷却水阀门开到100%也难以降温。而釜内温度负向偏移，一旦冷却循环水调节速率慢、开度过大，会让负偏移持续增加，反应釜会因为温度低而减缓反应，甚至是停止运行[3]。

因此，可以凭借反应釜温度变化率控制冷却循环水阀门开度，以循环水温度作为参考指标，这样反应釜温度产生偏移后就会自动控制阀门开度，阀门开度根据釜内温度变化而变化，系统实时对反应釜温度、釜内温度变化率、冷却循环水温度实时监控，得出最佳的阀门开度值。之后进行阀门自动化调控过程，结合精细化工生产参数，让自动程序紧跟参数变化、动作，更好的适应精细化工间歇式生产特点。多参数动态监测模式有效的降低了人工劳动力，提高了精细化工产品生产稳定性。

3  结语

综上所述，精细化工间歇式自动化生产受到了工艺、设备、编程等因素制约，想要实现全自动化生产难度很高，国外DCS厂家所采用的独立批量控制软件运行成本高，因此本文提出了基于HOLLiAS MACS系统的精细化工间歇式自动化生产模式，并且自动化操控更加灵活、可靠，提高了精细化工生产效率、降低了生产成本，为精细化间歇式生产提供了可行性编程思路，并且已经有了很多的成功应用案例。

参考文献

[1] 周銀.精细化工中自动化技术的应用[J].化工设计通讯，2018（5）：93-94.

[2] 邹志云，刘燕军，刘兴红.精细化工过程控制技术的重要发展趋势[J].冶金自动化，2011（5）：19-21.

[3] 邹志云，王志甄，孟磊.精细化工过程系统工程技术的若干发展趋势探讨[J].计算机与应用化学，2016（10）：1052-1054.