關鍵詞：尼龍66； DCS系統；Batch系統；批量控制；OTS系統

1   引言

某上市公司現在采用的尼龍66生產技術為間歇法生產。間歇法的工藝具備顯著優勢即操作靈活簡便，依托反應釜的強力攪拌功能，可有效實現混合助劑的均勻分散，從而支撐全消光民用絲等多樣化產品的生產。然而，其局限性亦較為突出：  一方面，間歇式生產模式下單釜產量規模有限；另一方面，受批次間反應時間、工藝參數波動等因素影響，不同批次間聚合物的物理性能易出現偏差。此類差異若未有效控制，將在后續熔融重鑄或拉絲加工環節中進一步放大，導致最終產品性能穩定性下降。因此需推進生產工藝自動化升級，引入和利時DCS控制系統，集成Batch批量控制系統，并配套OTS仿真系統。通過該方案可實現生產過程的精準程序化控制與批次標準化管理，同步優化工藝參數的一致性與執行精度，從而有效縮小批次間聚合物的物理性能，保障后續加工環節的產品質量穩定性，最終提升整體生產的效率與成品一致性。

2   系統概述

2.1   尼龍66簡介

尼龍66（聚己二酰己二胺） 是國內高性能工程塑料及化纖原料的核心品類，以其優異的綜合性能在工業領域占據重要地位。其分子結構由己二酸與己二胺縮聚而成，且不溶于一般溶劑，僅溶于間苯甲酚等，兼具剛性與韌性，機械強度高（拉伸強度可達80~100MPa）、耐磨性突出（磨耗量僅為普通鋼材的1/10）、耐熱性良好（連續使用溫度約100~120℃),且耐油、耐溶劑腐蝕，這些特性使其遠超通用塑料（如聚乙烯、聚丙烯）。可用作工程塑料，機械附件如齒輪、潤滑軸承，代替有色金屬材料做機器外殼、汽車發動機葉片等，也可用于制合成纖維。

2.2   工序需求分析

尼龍66生產模式，其工藝復雜度高、參數關聯性強，對數據鏈的完整性與實時性要求尤為突出。完整生產流程可分為3個核心環節，各環節的工藝特性及數據交互需求如圖1所示：

圖1 工藝流程圖

圖2 控制邏輯圖

2.3   控制需求分析

尼龍66在自動生產中，自控邏輯要求較高。

（1） 精準性需求： 在DCS控制系統中， 搭載專業分程控制方案， 針對升壓場景實現精準壓力管控， 助力提升壓力調節精細化水平； 溫度控制環節融合流量與溫度的串級控制技術， 通過科學的參數調節， 優化溫度控制， 讓整體運行狀態更趨平穩，全面實現產品核心性能。

（2）冗余性需求：DCS控制器、電源、網絡均實現冗余需求， 所有控制設備啟停實現冗余檢查后開始執行對應程序，防止在運行過程中出現意外。

（3）安全性需求： Batch配方數據、工藝參數等核心信息需通過權限管理機制審批修改， 防止配方泄露與篡改。

（4）經濟性需求：傳統法依賴物理調試，試錯成本高、投產周期長， 難以快速響應市場需求， 需通過虛擬仿真降低試錯成本、縮短投產周期。

2.4   核心需求分析

針對Batch批次生產項目的特性，引入OTS（模擬仿真） 測試是貼合批次生產全流程管控需求的關鍵舉措，其核心需求與核心價值可結合Batch項目的工藝連續性、操作協同性、合規性要求精準落地，具體如下：

（1）多步驟協同驗證需求： Batch項目依托投料—反應—轉料—出料等工序生產， 各個環節參數聯動性強， 需通過仿真模擬全批次流程， 驗證工序銜接的流暢性， 避免實際生產中因步驟脫節導致批次不合格。

（2）工藝變更與優化需求： Batch項目廠根據訂單調整配方，修改工藝參數， 直接在生產線驗證易導致原料損失， 需通過OTS仿真離線測試方案的可行性，減少對現有產能的影響。

（3）合規性與應急處置需求：醫藥、化工等行業的Batch項目需滿足GMP、FDA等合規要求，需OTS模擬異常場景（如溫度超限、設備故障），驗證應急流程的合規性與操作人員處置能力。

（4）設備聯動驗證需求： Batch生產設計反應釜、閥門、計量泵等多種設備協同， 需通過OTS仿真測試設備信號交互，聯鎖邏輯的可靠性，避免實際運行中因設備聯動故障導致批次中斷。

（5）員工操作適配需求： OTS在投運前建立仿真模型，模型與現場實際工況相似度達99%以上， OTS與DCS實時同步，需OTS提供1:1還原的操作環境，降低實戰培訓風險。

2.5   核心價值

（1）降低生產試錯成本：通過離線仿真模擬全批次生產流程，提前發現工藝邏輯漏洞，參數設置偏差，避免實際中因批次報廢， 設備損壞造成物料損耗與停車損失，尤其適配小批量高價值的Batch生產場景。

（2）提高人員操作熟練度：  OTS提供“零風險、無損耗”的實操環境，新員工可以反復演練批次啟停，參數調整， 異常處理等核心操作，老員工可以通過復雜場景模擬提升技能精進效率， 縮短人員上崗周期30%以上。

（3）保障工藝穩定性與合規性：仿真測試可全面驗證批次工藝的重復性與可靠性。確保不同批次生產參數一致， 同時記錄操作全過程數據， 滿足用戶對操作追溯的要求，降低風險。

（4）優化工藝與設備聯動效率：通過仿真模擬不同配方，不同產能下的批次運行狀態， 可離線優化工藝參數組合， 設備啟停時序，提升批次生產單位產能，減少無效等待時間。

（5）強化應急處置能力：可自定義模擬Batch生產中高頻異常場景（停電恢復、物料中斷、反應超時）， 可以讓操作人員在安全的環境中熟練掌握應急流程， 降低實際生產中因異常處置不當導致的安全隱患與批次損失。

（6）縮短項目投產周期：  在項目上線前通過OTS完成工藝驗證、人員培訓、邏輯調試，可實現“仿真達標及投產”，避免上線后因操作問題或工藝問題反復停機調試，加速項目落地見效。

OTS仿真測試完美適配Batch項目“批次化、多步驟、高合規、強協同”的核心特性，既能解決實際生產中的培訓風險、試錯成本、合規壓力等痛點，又能從人員、工藝、設備、安全等多維度提升項目整體運營效率， 是Batch項目從設計到落地的“全流程保障工具”。

3   項目總體設計應用

3.1   生產過程自動化控制架構設計

本方案以和利時DCS系統為核心，集成Batch批量控制系統與OTS仿真系統，形成“感知—決策—執行—驗證”閉環控制體系， DCS系統集成復雜控制模塊，支持分程與串級等復雜控制算法。

DCS工程師站與Batch服務器通過工業光纖直連至DCS機柜內的主控制器，構建核心控制指令與數據的傳輸通道；控制柜與遠程I/O柜則依托PROFIBUS-DP現場總線，以光纖介質實現分布式I/O信號的遠距離通信， 確保現場設備狀態的高可靠回傳與控制指令的精準下發。  OTS（操作培訓系統）為獨立閉環仿真子系統，核心搭載自主構建的高保真工藝仿真模型，無需接入實際生產數據或外部實時信號，即可自主驅動物理模型運算，模擬裝置全流程動態運行（含正常生產、異常擾動、工況切換等場景）。架構上， OTS獨立部署于專用服務器，與DCS系統物理及邏輯隔離： DCS負責實際控制與現場數據采集， OTS則僅依賴模型初始參數（如進料流量、初始溫度分布）即可復現裝置行為，為操作培訓提供無干擾的沉浸式環境，同時支撐工藝參數優化、控制策略驗證等研發場景。系統網絡圖如圖3所示。

圖3 系統網絡圖

3.2   Batch批量控制系統核心功能模塊

和利時Batch系統作為生產過程的“大腦”，通過模塊化設計實現生產全生命周期的精準管控，具體功能如下：

（1）生產批次管理

系統建立統一數據庫存儲所有生產批次， 支持訂單狀態動態跟蹤。在批量調度器頁面，清晰展示配方已就緒/運行中/排隊中/已完成等狀態， 配方執行時， Batch系統實時采集產線運行數據并反饋至數據庫，同步更新批次信息（如開始時間、結束時間、運行參數等） ；異常工況觸發時， Batch系統推送預警信息至操作終端，確保操作人員及時知曉并處理。

（2）生產配方管理

基于工藝規程預先搭建標準化配方庫， 涵蓋SOP生產工藝流程、原料組分及配比、反應溫度/壓力設定等關鍵參數。配方生成后自動關聯控制邏輯，操作人員僅需調用配方即可啟動批次生產，避免人工輸入誤差導致的工藝偏離。同時支持配方版本管理與權限審批，確保工藝變更的可追溯性。

（3） 用戶權限與角色管理

在工程師站完成用戶權限分級配置，系統設“工程師—值班長—操作員—監視員”四類角色：工程師擁有組態修改、邏輯調試權限；值班長負責訂單下發審批與異常處理；操作員執行配方啟動/暫停等常規操作；監視員僅可查看實時數據與報警信息。權限隔離機制有效保障生產安全與系統穩定性。

（4）歷史數據追溯與報表管理

和利時Batch軟件內置高速歷史數據庫，完整記錄生產過程數據（如溫度/壓力趨勢）、操作日志及報警信息，支持按時間、批次等多維度查詢。每批次結束后自動生成標準化報表，包含批次ID、控制配方版本、關鍵參數設定值、產量，為工藝優化與質量分析提供數據支撐，如圖4示例報表。

圖4 批次報表

3.3   工藝仿真系統設計與集成

為驗證Batch控制方案及DCS控制邏輯的可行性及工藝參數的合理性，減少現場調試時間配套開發動態仿真系統，其核心功能如下：

（1）工藝建模平臺

基于嚴格熱力學（如狀態方程） 與動力學機理構建仿真模型，適用于尼龍66間歇聚合的多組分（己二酸、己二胺等）、多相變（固-液-氣）及復雜反應體系。模型集成多組分物性數據庫，支持狀態方程靈活切換，確保模擬結果與實際裝置工藝參數變化趨勢高度一致，為控制邏輯驗證提供可靠輸入。

（2）控制仿真技術實現

采用虛擬DPU（分布式處理單元）技術， 將實際控制單元功能移植至虛擬環境，無需硬件DPU即可運行完整DCS控制邏輯。該技術具備三大優勢：

① 激勵仿真：完全模擬真實控制器運行， 輸出與現場一致的信號反饋；② 組態兼容：可直接調用和利時DCS組態文件， 維護與培訓環節與實際系統無縫銜接；③ 成本優化：脫離硬件設備運行， 大幅降低仿真測試硬件投入。系統通過GPRES_OPC協議實現與動態仿真模型的雙向通訊，構建雙向通訊鏈路，模型通過OPC向虛擬DPU注入現場信號，虛擬DPU同步映射至DCS；DCS接收到Batch下發的啟動命令， DCS將DCS控制指令經OPC回傳虛擬DPU，控制現場設備啟停，最終反饋至模型，實現虛實交互的無縫銜接DCS與OTS通訊，架構如圖5所示。

圖5 通訊架構

（3）控制仿真實現效果

多批次并行生產能力： 支持多個配方同步運行，通過DCS網絡架構實現濃縮釜、高壓釜、切粒機等關鍵裝置的集中監控與協同調度，突破傳統間歇法手動生產效率低下的瓶頸。

全流程一體化管控：從生產訂單下達到批次完成，覆蓋配方執行、設備狀態監測、參數調整及異常報警全環節，消除人工干預導致的質量波動；

數據驅動的質量穩定性保障：通過Batch系統標準化控制邏輯與仿真系統預驗證機制，縮小批次間聚合物物理性能（拉伸強度、斷裂伸長率等）偏差，滿足后續熔融重鑄及拉絲工藝對原料一致性的嚴苛要求。

盡管通過高保真建模與虛擬DPU技術已實現OTS對DCS控制邏輯的初步映射，但兩類關鍵問題仍需針對性解決：其一， Batch控制邏輯與DCS實際執行的匹配性需通過虛擬環境驗證，避免因程序偏差導致現場批次波動；其二，傳統OTS仿真依賴人工調試初始工況，耗時較長且狀態失真，直接影響培訓效率與測試有效性。為此，本章后續將重點闡述Batch與OTS的交互驗證機制，以及基于穩定工況保存的OTS優化方案。

3.4   Batch與仿真系統的交互驗證機制

Batch系統與動態仿真系統通過OPC協議深度交互，構建“虛擬生產環境”，全面驗證控制邏輯與工藝適配性，具體交互流程如下：

（1）過程模擬：仿真模型實時模擬反應釜溫度/壓力變化、物料流動及設備啟停狀態，復現實際生產工況；

（2）指令交互： Batch系統下發配方執行命令至DCS， DCS通過OPC將指令傳遞給仿真模型，驅動模型中閥門、泵等執行機構動作；

（3）參數響應：仿真模型根據工藝機理計算設備溫度、壓力、流量等參數變化，并實時回傳至DCS與Batch系統；

（4）狀態反饋：關鍵參數（如反應終點壓力）經Batch系統判定后，觸發下一步控制指令，驗證批次階段切換邏輯的正確性；

（5） 閉環驗證：DCS根據模型反饋數據執行控制程序，直至批次執行完畢，最終由Batch系統匯總數據報表，分析配方執行效果與仿真模型的匹配度。

3.5   OTS保存工況機制

OTS仿真測試中，初始工況的設定往往依賴人工經驗或隨機選取，存在兩大痛點：其一，初始狀態與實際生產穩態偏差較大，導致仿真測試結果偏離真實運行場景，影響操作培訓的有效性；其二，每次仿真需重新調試至穩定狀態，耗時較長（據統計，常規復雜工藝系統初始穩定耗時約30-60分鐘），降低了測試效率。針對上述問題，和利時OTS系統采用“穩定工況保存-恢復”機制， 通過自動化捕捉與存儲生產系統的最優穩態，實現仿真測試的快速初始化與高保真度。當新一輪OTS仿真啟動時，系統默認調用最新保存的穩定工況（支持手動選擇歷史工況）， 通過OPC協議將工況數據注入仿真模型，直接初始化濃縮釜、高壓釜、閥門、泵等設備的狀態參數及控制回路輸出。經測試，該機制將仿真初始化時間從平均45分鐘縮短至2分鐘內，且初始狀態與實際生產穩態的匹配度提升至98%以上。該功能的引入不僅解決了仿真測試“初始狀態失真”的關鍵問題，更通過穩態工況的標準化復用，顯著提升了操作人員的培訓效率，學員無需等待系統緩慢趨穩，可直接在全工況模擬環境中開展異常處置、參數優化等核心技能訓練。

4   結論與展望

4.1   應用結果分析

項目規模雖然不大，測點點數不多，但自動化程度較高，用戶要求較為嚴格，其批次銜接緊密的特性與Batch系統深度融合后，在OTS仿真測試中展現出卓越效率，且系統程序運行，判斷條件更為精準，減少人為操作的錯誤率，大幅降低了人工干預，極大地解放了人工。

4.2   行業價值與展望

該項目的成功落地，不僅為和利時DCS系統、Batch系統、OTS系統的性能與可靠性提供了有力印證，更推動了和利時工程團隊專業能力的進階升級。系統始終保持著穩定可靠的運行狀態，用實踐成果充分彰顯和利時系統不僅能為中國本土企業提供完善的自動化整體解決方案，更有實力為國際客戶提供達到全球先進水平的自動化產品與工程服務。

從更長遠的戰略視角看， 這一項目為國產DCS系統的國際化征程注入了關鍵動能，它既通過深化與國內龍頭企業的戰略合作、展現國產DCS的性能優勢、嚴格遵循行業國際標準，扛起了推動DCS系統、Batch系統、OTS系統走向世界舞臺的重任；也以實際案例證明了國產DCS完全有能力躋身國際賽道，成為國產自動化技術參與全球競爭、樹立行業話語權的希望所在。

該項目的成功不僅是一次技術與團隊的“雙向檢驗”，更成為國產DCS系統突破地域邊界、參與國際自動化產業格局重塑的重要起點。

作者簡介：

陳俊杰 （1984-），男，山西太原人，工程師，本科，就職于北京和利時工業軟件有限公司，從事智能工廠業務相關的技術應用及產品規劃工作。

賴建新（1984-） ，男，浙江臺州人，工程師，本科，就職于北京和利時工業軟件有限公司，從事流程行業智能控制系統的工程管理、技術開發、產品管理、技術支持工作。

張在宇（1996-），男，山西太原人，工程師，本科，就職于北京和利時工業軟件有限公司，從事流程行業智能控制系統的工程實施、技術支持工作。

劉雪斌（1986-），男，山西太原人，工程師，本科，就職于北京和利時工業軟件有限公司，從事流程行業智能控制系統的工程實施、技術支持工作。

參考文獻：

[1] 王常力, 廖道文. 集散控制系統設計與應用[M]. 清華大學出版社, 1993.

[2] ISAS88.01-2010. 批量控制標準 [S]. 國際自動化學會.

[3] 和利時公司. 2023年OTS系統V3.1技術白皮書[R].2023.

摘自《自動化博覽》2026年3月刊