基于DCS系统实现聚乙烯产品接收罐填充率软测量的研究与应用

张雪锋 王科

（中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017302）

0.引言

随着技术的进步，现代化工企业自动化程度越来越高，各种控制系统的使用使得企业在提高生产效率、稳定性及安全性的同时大大降低人力成本，增强了企业的竞争力。同时，伴随着年轻人择业观的改变，化工行业人员流动也越来越大。关键岗位有着丰富经验的员工的离职在一段时间内会对企业生产带来不利影响，虽然利用专业培训、加强管理等措施能够在一定程度上缓解这种影响，但是企业必然承担培养新人过程付出的代价，企业生产经营带来新的问题。如何降低甚至消除人员流动对于生产的影响？越来越多的企业管理者将视线投向自动化控制方向，探索和尝试利用技术手段有效地解决这些问题。

这种变化对工业控制系统提出了更高的要求，DCS结合APC成为目前化工企业提高装置自动化水平的首要选择。APC需要额外增加投资，并且多数企业只能通过购买服务商的后续服务对系统进行升级维护。相对于APC，企业技术人员对DCS掌握程度更高，拥有自主解决问题的能力。某厂聚乙烯装置工艺及自控技术人员根据工艺生产过程通过深入研究DCS系统功能在DCS系统中实现了PC罐填充率软测量，有效地辅助操作人员操作是对高效利用DCS辅助工艺操作人员操作的一次成功探索。

1.聚乙烯部分工艺流程简介

1.1 反应回路

某厂聚乙烯装置工艺采用美国Univation公司的Unipol气相法流化床工艺技术，该工艺技术成熟在国内应用广泛。流化床反应器通常在2.15MPa的压力和大约85℃的温度条件下发生聚合反应，通过循环气在反应器外部冷却循环使反应床流化，同时除去反应热。催化剂和精制的原料(乙烯、1-丁烯或1-己烯和氢气)连续被送入反应器，树脂间歇地从反应器排入产品排料系统(PDS)（C-4101/ C-4106）。

1.2 产品排料系统（PDS）

反应器有两套产品排料系统(PDS)，用于将产品排出反应器。正常情况下，两套排料系统以交替模式进行操作，交替地向每套系统内排放粉料。每套排料系统由一个产品出料罐（PC罐）(C-4101/C-4106)和一个产品吹出罐（PBT罐）(C-4103/C-4108)组成，粉料和反应气间歇地从反应器排入产品出料罐并得到分离。粉料依靠重力从产品出料罐中落到产品吹出罐中，再从产品吹出罐中输送到树脂脱气仓(C-5009)中。

1.3 产品排料系统运行难点分析

PDS运行时操作人员通过设定进入PC罐的阀门（B阀）的开启时间控制每次排料的数量，B阀开启时间长，粉料进入PC罐的量多，反之，粉料进入量少。粉料堆积过多，容易结块，排料时可能会卡住排料阀门造成整个排料过程的终止。当出现上述情况时，反应器就不得进行降负荷甚至停车进行处理。B阀开启时间短，粉料进入PC罐的量少，每次排的粉料就少，PDS排料效率低，并且阀门动作频率增加会大大降低阀门的使用寿命[1]。操作人员通过估算PC罐填充率设置B阀的开启时间，保证每次排的粉料量比较恰当，确保PDS稳定高效运行。但人工估算填充率易出错、误差大，对操作人员的能力和经验要求比较高。在DCS中实现PC罐填充率软测量，可以有效地解决这个难题。

2.PC罐填充率的分析与计算

2.1 总体思路

PC罐的填充率无法像温度、压力等参数一样使用测量仪表测量，实际上是一个计算出来的软仪表参数，它表征了粉料树脂在PC罐的填充情况。填充率是单次PC罐的排出粉料体积占PC罐容积的百分比，由于PC罐容积是一个固定的值，只需要计算出单次排出粉料体积就可以得出PC罐填充率。实际生产中取单位时间内的PC罐填充率的平均值作为参考，本文中后面所说填充率均为填充率的平均值。通过反应器—PDS物料平衡模型及单位时间内PDS排料次数，计算出PC罐平均单次出料量，再结合实验室粉料堆密度计算出PC罐粉料体积，最终计算出PC罐填充率。

2.2 反应器—PDS物料衡算算式的建立

反应器—PDS作为一个整体是一个敞开体系，进入体系的物料量与离开体系的物料量是相等的。忽略微小量的进入物料，进入体系物料量可以近似取流入反应器的主物料量（乙烯和共聚单体的量）。同样，忽略微小量的排出物料，离开体系的物料量近似取PDS出料量（PC罐平均每次出料量与出料次数之积）。故周期时间内反应器—PDS物料衡算算式表示为

上式中：F1为实测的乙烯流量（FI4001-1），单位kg/h；F2为实测的共聚单体流量（FI4001-8），单位kg/h；T为选定计算周期；为PC罐平均单次出料量；n为PC罐周期时间内两条出料腿出料次数之和。

2.3 PC罐平均单次出料量方程

根据反应器—PDS物料衡算算式，可以得到PC罐平均单次出料量的计算方程如

实际计算时为了简便运算，T取1h，故方程（2）可以简化为：

2.4 PC罐平均单次排出粉料体积方程

根据物质质量、密度、体积之间的物理关系，结合式（3）可以推导出PC罐平均排出粉料体积方程为：

上式中：ρ为实验室测出的粉料堆密度，单位kg/m³；为PC罐平均单次排出粉料体积。

2.5 PC罐填充率方程

根据填充率是粉料体积占PC罐容积的百分比，本例中两套排料系统的PC罐容积均为5.08m³，结合方程（4）可以推导出PC罐平均填充率方程为：

上式中：Peff为PC罐填充率。

3.相关控制系统介绍

聚乙烯装置基本过程控制是由DCS实现的，PC罐填充率计算所需要的乙烯流量和共聚单体流量在DCS中完成测量及数据处理。DCS选用的是美国霍尼韦尔公司的Experion PKS 300产品，该产品使用图形化的组态编程技术，拥有丰富控制功能块库，可以完成复杂的过程控制和计算，易于学习和掌握。

PDS主要过程控制是产品的出料控制，具有顺序控制的特点，选用的是德国西门子公司S7400H系列产品，具有程序扫描周期短、编程灵活、稳定性高、价格便宜的特点。PLC系统所有的数据通过Modbus方式传输到DCS中。

4.PC罐填充率组态

根据DCS与PLC系统的特点，结合该厂自控技术人员对两套控制系统的技术掌握情况决定在DCS中实现PC罐填充率软测量。PC罐填充率DCS组态可以分为3个部分，包括周期计时态、排料次数计数以及平均填充率的程序组态，其中周期自动计时（单位时间）和排料次数计数是填充率DCS组态过程中的两个难点。下文将对详细的组态过程进行介绍。

4.1 周期计时程序组态

围绕PKS 300系统功能块库中的TIMER功能块定时功能，技术人员设计了一个实现周期计时的程序，基本设计思路是：TIMER功能块计时输出对其自身进行复位，延时一定时间后，自行启动计时器进行下一周期计时。

具体实现方法：将TIMER功能块的参数TIMERBASE（时间基准）设定为MINUTES（分钟），参数SP（设定值）设定周期时间，周期时间可以任意设定，但是本例为了计算简便周期时间设定60min即1h。为了实现初始手动启动和自动启动功能，在设计TIMER功能块的启动命令时，将TIMER功能块的输出状态参数（SO）与手动启动按钮做“或”逻辑处理，其结果再经过一个脉冲（PULSE）处理与TIMER功能块的启动引脚（STARTFL）相连；将TIMER功能块的输出状态参数经过一个PULSE处理后与其复位引脚（RESETFL）相连，实现周期的计时器复位和启动。

组态注意事项：TIMER功能块RESETFL命令执行优先级高于STARTFL，周期计时程序中命令执行的逻辑顺序是先复位再启动，并且因为PKS300系统程序执行与各功能块执行次序紧密相关，所以复位脉冲功能块的执行次序数要小于启动脉冲功能块。

4.2 排料次数计数的程序组态

PDS排料工作时，对于每条排料腿而言满足条件后PC罐与PBT罐之间的出料阀门会打开，粉料依靠重力从PC罐中落到PBT罐中，每一个排料周期都如此。因此可以选择计时周期内出料阀的开的次数作为 PDS在排料次数计数的标志。设法实现每次出料阀开时产生一个脉冲，对脉冲进行计数程序组态就可以了。

组态编程使用的主要功能块及其作用：TYPECOVERT（数据类型转换块）将从PDS的PLC系统通讯到DCS的阀门开信号由枚举量转换为布尔量。RTRIG（上升沿检测块）将转换为布尔量的阀门开信号进行上升脉冲化处理，其输出作为计数功能块的输入。CTUD（上升/下降计数功能块）与本文4.1周期计数程序的输出结合完成周期脉冲计数，其输出结果即为PDS出料腿单位时间内的排料次数。

具体实现方法，以KV4101-D所在排料腿PC罐单位时间出料次数程序组态编程为例：（1）通讯到DCS的阀门开信号由枚举量转换为布尔量从DCS功能块库中选择一个TYPECOVERT块，其输入参数设为230KV4101_1D_O，其输出参数设置为UINIT（无符号整形数）；再选择一个TYPECOVERT块，其输入与前一个TYPECOVERT块的输出相连，其输出参数设置为BOOLEAN（布尔量）并作为一个FLAG块（标志量）的输入参数，为后续计数编程做准备。（2）从DCS功能块库中选择一个RTRIG（上升沿检测）功能块，将经过数据类型转换后的KV4101-1D阀开状态标志量链接到该RTRIG功能块的输入参数引脚，实现阀每开一次输出一个时长为t(t为DCS系统的一个程序执行周期时长)的上升脉冲。将RTRIG功能块的输出连接到CTUD的CNTUPFL参数引脚，再将本文4.1周期计时程序的输出经过脉冲化处理连接到CTUD的RESETFL参数引脚上，即可实现KV4101-D所在排料腿每小时排料次数的计数程序组态。

组态注意事项：（1）由于本例中PDS有两条出料腿，另外一条腿的排料次数程序组态方法与上述方法一致。（2）PKS 300 组态时可以直接调用的通信程序中的数据，但是阀门状态在调用时为枚举量数据，所以必须要进行数据类型的转换。

4.3 填充率的计算程序组态

填充率计算程序组态使用功能块库中的AUXCALAC（辅助计算）块，该功能块编写最多8个表达式来计算PV值，为了程序的可读性高，本例使用3个表达式完成填充率的计算。

组态注意事项：（1）需要注意将全部的PC罐排料次数均连接到辅助计算功能块上，进行求和计算后，再代入填充率计算式中。（2）应确保各参数单位的正确性，通常密度单位kg/m³，所以乙烯及共聚单体流量单位应为kg/h，如果单位不同需要进行单位换算。

5.结语

为了降低实施的难度，本文在聚乙烯装置PC罐填充率软测量的研究过程中使用了多处近似处理，因而测量结果近似于实际填充率。PC罐填充率软测量在DCS系统实现后，工艺操作人员不需要人工计算填充率，不仅能够降低操作人员劳动强度，还能够提高PDS的工作效率，降低能耗。

基于DCS完成工艺参数的软测量是充分利用DCS的数据处理功能解决工艺生产难题、辅助工艺生产的有益尝试，采用PC罐填充率软测量的实现方法，该厂工艺及自控技术人员此后陆续完成了聚丙烯/聚乙烯装置废三乙基铝罐三乙基铝浓度测量、甲醇制烯烃装置原料纯度测量等多项辅助生产的关键参数的软测量。综上所述，基于DCS完成工艺参数的软测量应用效果显著，且不需要额外增加设备、购买服务，可节省大量投资，因而笔者认为具有较高的推广应用价值。