李 程，王新威，茆汉军

（聚烯烃催化技术与高新能材料国家重点实验室 上海市聚烯烃催化技术重点实验室上海化工研究院有限公司，上海 200062）

0 引言

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，因其综合性能优异，特别在高温下熔体呈凝胶状，熔而不塌，对过度充电或者温度升高时短路、爆炸具有优良的安全保护，被广泛应用于高效、大功率动力用锂电池隔膜的制备。

隔膜作为锂电池的关键部件之一，用于分隔正负极，防止两极短路而发生爆炸。目前，中国湿法锂电隔膜先进制膜技术尤其是其核心原材料UHMWPE 树脂主要受日韩和欧美等国外大公司垄断，完全依赖进口。2022 年中国锂离子电池隔膜出货量同比增长65.3%，达到133.2 亿㎡。其中，湿法隔膜出货量突破100 亿m2，达到104.8 亿m2，其对UHMWPE 隔膜树脂的需求超10 万吨。

为了提高生产UHMWPE 隔膜树脂的规模和效率，UHMWPE 隔膜树脂的连续生产法被提出以替代间歇法。本装置的目的就是以工艺连续生产法为指导，提供更加庞大的生产规模和更加高效的生产效率，提高产量。为了使UHMWPE 树脂各指标达到设计预期，特制定了适用于该工艺的DCS 控制系统。

1 C300控制器概述

C300 控制器是霍尼韦尔新一代的基于CEE（Control Execution Environment）执行环境的控制器，该控制器支持非冗余和冗余配置，其所有的RAM 内存具有ECC（Error Correction Checking）功能，而它的FLASH 内存经过校验和（Check-summed），带有启动诊断和运行诊断程序。由于C300 控制器使用集成度更高的集成电路和更少的部件，所以具有更高的平均无故障时间（MTTF），冗余配置的C300控制器可用性大于99.999%。

C300 控制软件功能十分强大，集成于功能强大的组态监控软件Control Builder 中，而且组态方式灵活，控制回路可以根据需求易于组态和修改。而且该控制软件可在无需系统升级的情况下进行扩展，加入其他库函数。其也可以进行包括连续、顺序、逻辑控制在内的混合控制，并支持层次分类管理，提供图形模块化组态生成和实时监控调试环境。

2 PKS控制系统概述

PKS（Process Knowledge System）系统是一个将整个工厂的商业信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统，它继承了传统DCS 的优点，同时又融合新的技术突破，是一套比TPS 及PlantScape 系统更趋完善的控制系统。PKS 系统采用的标准工业以太网络即工厂信息网络，采用的是办公自动化领域中使用最广泛的以太网。PKS 系统中的STATION 全方位操作站提供标准的以太网接口，可使全厂管、控一体化轻而易举地完成。PKS 系统是一个规模庞大的系统，它可以根据用户工厂综合管理的需要与工厂信息网相连，构成范围广泛的综合网络系统，实现先进复杂的优化控制，实现对生产计划、产品开发、销售、生产过程及有关物质流和信息流进行综合管理，构成网络化、自动化工厂企业，即构成用计算机管、控一体化的系统。

3 DCS控制方案设计

3.1 系统硬件结构

本套DCS 控制系统包含4 个霍尼韦尔C300 型号的CPU、2 台互为冗余的服务器、11 台操作站、1 台直连操作站、2 台互为冗余的交换机、1 台串口服务器、1 台打印机交换机、1 台黑白打印机和1 台彩色打印机。

DCS 系统网络拓扑图如图1 所示。

图1 DCS系统网络拓扑图Fig.1 DCS System network topology diagram

本套DCS 控制系统采用了2 组控制器，每组控制器包含2 个互为冗余的C300 控制器，合计4 个控制器，两组控制器分别命名为C1 和C2。C1 控制器下辖两条LINK 线和45 组I/O 模块，LINK1 控制8 组冗余AI 模块和15 组非冗余的AI 模块，6 组冗余AO 模块和1 组非冗余的AO 模块，2 组非冗余的DI 模块；LINK2 控制1 组冗余DI 模块和7 组非冗余的DI 模块，3 组冗余DO 模块和2 组非冗余的DO 模块。C2 控制器下辖两条LINK 线和49 组I/O 模块，LINK1 控制5 组冗余AI 模块和17 组非冗余的AI 模块，3组冗余AO 模块和3 组非冗余的AO 模块；LINK2 控制13组非冗余DI 模块，1 组冗余DO 模块和7 组非冗余DO 模块。控制系统通过继电器、安全栅等器件接收与控制现场信号。

本套DCS 系统监视及控制所有的数字量和模拟量过程参数的功能均由两组C300 CPU 来完成。通过上位机监控画面的组态和下位机编程共同作用，实现对模拟量信号的量程转换、显示、累计、累计清零和PID 控制，以及对数字量信号的联锁触发、启停控制和顺序控制。所有的数字量和模拟量信号分别由DI 模块与AI 模块接收，由DO 模块与AO 模块分别发送数字量输出信号和模拟量输出信号来进行控制。

本套控制系统采用多路供电，共设计两个供电柜，P1柜正面外接220V 市电，主要为系统中的控制柜照明、风扇、临时插座、打印机等设备供电。P2 柜外接两路独立的220V 电压的UPS 电源，正背面各接一路，互为冗余，为系统中控制器、控制柜内24V 电源、现场四线制仪表、PKS服务器和操作站供电，确保在停电或者一组UPS 电源瘫痪的情况下系统仍能正常运行。

3.2 通讯

PKS 系统是Honeywell 公司推出的基于批处理、过程控制、SCADA 应用的开放的混合控制系统。它通过串行口（Serial）和第三方控制器或PLC 通讯[1]，支持Modbus 协议，并开放与提供了其OPC（OLE for Process Control）接口，具有强大的与第三方设备通讯功能。在本套装置中控制系统与第三方设备采取Modbus RTU 协议进行通讯，物理连接方式为通过RS-485 接口以通讯电缆将第三方设备与串口服务器进行连接，PKS 系统通过串口服务器统一管理和读取第三方设备的数据。本套DCS 控制系统采用16 口MOXA NPort 5630-16 型号串口服务器，最多支持16 套第三方设备接入。

OPC 即把OLE（Object Linking and Embedding）应用于工业控制领域。其采用客户端、服务器模式，在客户端和服务器之间建立一种通讯和数据交换的工业标准机制，在硬件供应商和软件开发商之间建立一套完整的通讯规范[2]。在本套装置中控制系统PKS 系统作为服务端Server，第三方设备作为客户端Client，通过网线相互连接。

PKS 控制系统控制层采用容错以太网FTE（Fault Tolerant Ethernet）网络进行各网络节点相互之间的通讯，通讯速率为100MB/s，具有高速通讯容错功能[3]。这是针对霍尼韦尔PKS 系统所设计的一种专用的通讯控制网络，能够使各个网络节点之间具备多条通讯链路，当单点或多点出现故障时，能够保证网路通讯的可靠性。

3.3 通过Configuration Studio进行下位机组态

Configuration Studio是PKS系统自带的一体化组态软件，用户可以通过其内嵌工具Configure process control strategies对C300 下位机程序进行组态，可完成对控制器、IO 卡件、控制回路（CM）、顺序控制（SCM）的组态，可分为动态Monitoring（存放已经下装的内存）和静态Project（存在用户组态的全部内容）两种程序存在方式[3]，开发者或者用户可在Monitoring 中对数据或逻辑进行实时监控，提高调试效率。

本套控制系统中存在众多PID 回路，主要为定量调节控制，大多数为单回路控制，少部分为串级控制和分程控制，在Configure process control strategies 中的控制回路（CM）内可以通过相关功能块实现，如图2 所示。

图2 DCS系统PID控制回路图Fig.2 PID Control circuit diagram of DCS system

串级控制由两个PID 模块构成，一主一副，主回路PID 模块的OP 引脚直接连接副回路PID 模块的SP 引脚，系统自动线性变换量程，使OP 引脚输出和SP 引脚输入对应，副回路PID 模块的OP 引脚连接调节阀。分程控制则由PID 模块连接FANOUTA 模块，并于FANOUTA 模块的Individual Output 标签页输入公式，FANOUTA 模块的不同输出引脚连接不同调节阀。

本套控制系统中有大量泵、阀门与温度、压力、液位之间的联锁关系，在Configure process control strategies 中的控制回路（CM）内，可以使用各种功能块实现，如图3所示。

图3 DCS系统联锁图Fig.3 DCS System interlock diagram

本DCS 控制系统中存在参与联锁的PID 控制回路，联锁逻辑较为复杂，图4 所示为应工艺要求设计的一处联锁逻辑示意图。

图4 DCS系统含PID联锁逻辑示意图Fig.4 Schematic diagram of DCS system with PID interlocking logic

根据工艺要求，操作员可切换温度调节阀，在未切换温度调节阀之前，该控制回路在调节阀（1 号）阀后检测压力大于2MPa 时采用压力PID 控制调节阀（1 号），在检测压力小于2MPa 时需采用1 号温度PID 控制调节阀（1 号）阀后温度，2 号温度PID 置于手动状态；在切换温度调节阀后，只有检测压力大于2MPa 时调节阀（1 号）根据压力PID 动作，而由2 号温度PID 控制调节阀（2 号），1 号温度PID 处于手动状态。故需如图4 所示设计，保证压力PID 控制器和1 号温度PID 控制器中至少有一个控制器处于手动状态，使两个PID 控制器的输出保持一致，构成可无扰动切换的PID 回路。触发保护性联锁后将PID 置于手动且阀门开度置于30%，并在上位机画面中给与提示。部分功能块如图5 所示。

图5 DCS系统含PID联锁逻辑图Fig.5 DCS System with PID interlocking logic diagram

图6 DCS系统SCADA组态图Fig.6 DCS System SCADA configuration diagram

图7 DCS系统OPC连接图Fig.7 DCS System OPC connection diagram

3.4 SCADA点组态和OPC组态

对于SCADA 点组态，用户可以通过Configuration Studio 内嵌的SCADA Control 建立SCADA 点对来自第三方设备的通讯信号进行分类和显示，依次建立channel、controller、point 对信号进行层层筛选和分类。第三方设备均采用保持寄存器，Modbus 地址均从40001 开始。由于在controller 中控制器组态里Data Table 中已经选择了Holding Register，在SCADA 点组态中Address（格式为：控制器名地址 格式）内的“地址”从0001 开始，“格式”内容为数据格式（模拟量点）或数据位（数字量点），如无格式转换采用0、32 位浮点数使用IEEEFP（高低位互换，输入的数据位需+1）或REAL 等。

可以在Experion Station 中进入SCADA 通道监控界面，点击Name 列中的控制器名或Channel 列中的通道名可详细查看通讯情况并做更改，如启停控制器或通道。

出于安全考虑，SCADA 点不参与联锁和PID 控制，单纯作为第三方设备数据的采集和显示。

对于OPC 组态，由于用户需求，本套控制系统需要将PKS 系统作为OPC 服务端，第三方系统作为OPC 客户端读取数据。PKS 系统自带完善的OPC 系统设置，作为OPC服务端无需另外对计算机进行DCOM 配置，而OPC 客户端服务器需要进行DCOM 配置。为保证OPC 系统正常运行，OPC 客户端服务器还需将windows 用户名和密码与PKS 管理账号保持一致，OPC 连接设置中IP 地址设为PKS 系统的服务器地址，Prog ID 选择HWHsc.OPCServer，采用V1.0 或V2.0 版本的OPC 协议。连接成功后，在ASSET 下分类的组别中选择对应的数据作为ITEM 进行读取，本套装置由于只需要检测数据，故后缀采用“.DACA.PV”。

3.5 上位机组态

HMIWeb Display Builder 是PKS 系统自带的上位机组态软件，用户可以利用其进行上位机画面的组态，根据用户自己的需求添加或修改画面。PKS 系统拥有画面同步功能，在服务器上修改的画面会实时同步至FTE 网络下用户指定的操作站。PKS 系统调用的用户自定义的画面存储路径为C 盘/ProgramData/Honeywell/Experion PKS/Client/System/Abstract。

用户可以使用Experion Station 软件调用组态好的画面对生产进行监控，或者利用系统自带的界面进行参数设定。

如图8 所示，其为稀释剂回收系统监控画面的一部分。操作人员在稀释剂回收系统监控画面上可以进行对各条管线各种物料的温度、压力、流量、液位等参数的实时监视，并在显示电机是否故障、是否运行等状态时对电机进行启停操作，抑或是对PID 回路进行调节和控制，又或者利用按钮下发指令和动作。

图8 稀释剂回收系统监控画面Fig.8 Diluent recovery system monitoring screen

通过上位机趋势曲线分组，用户可以在监控画面上右键点击组内相应的监控数据，选择Trend 后进入趋势曲线界面。该数据和组内其他数据的趋势曲线会一并显示于界面中，用户可在曲线下方表格中对趋势曲线进行修改。

在监控画面最下方可以看到ALARM 按钮，点击可进入报警窗口，报警记录根据报警时间的远近在窗口中自上而下进行排列，报警原因和描述均在报警记录中显示。

在监控画面右下角可以输入权限密码，不同密码能在PKS 系统中登录不同权限的操作级别账号。操作级别分别为oper（操作员）、supv（值班长）、engr（技术员）、mngr（管理员）。oper：允许确认报警，对分配至当前工作站或操作员的ASSET 下的点进行过程改变；supv：具有oper 等级的所有操作许可，同时可以改变或组态操作组、假期和班组的定义、组态配方和组态报警持续时间报告；engr：具有oper 和supv 等级的所有操作许可，同时具有改变点的组态和其它系统组态的能力；mngr：具有改变或组态的许可，具有最高权限[4]。

4 结束语

超高分子量聚乙烯DCS 生产控制装置经8 个月的调试工作，于2022 年8 月正式开车，现生产控制装置运行稳定且反馈良好。本套控制装置具有完善的监控、报警等功能，减少了现场操作人员的工作量，提高了生产工作效率，其依据工艺设计的PID 控制回路和联锁为生产提供了具备高标准的稳定可靠的条件，为安全高效的超高分子量聚乙烯树脂生产提供了充分的支持和保障。