关键词：尼龙66； DCS系统；Batch系统；批量控制；OTS系统

1   引言

某上市公司现在采用的尼龙66生产技术为间歇法生产。间歇法的工艺具备显著优势即操作灵活简便，依托反应釜的强力搅拌功能，可有效实现混合助剂的均匀分散，从而支撑全消光民用丝等多样化产品的生产。然而，其局限性亦较为突出：  一方面，间歇式生产模式下单釜产量规模有限；另一方面，受批次间反应时间、工艺参数波动等因素影响，不同批次间聚合物的物理性能易出现偏差。此类差异若未有效控制，将在后续熔融重铸或拉丝加工环节中进一步放大，导致最终产品性能稳定性下降。因此需推进生产工艺自动化升级，引入和利时DCS控制系统，集成Batch批量控制系统，并配套OTS仿真系统。通过该方案可实现生产过程的精准程序化控制与批次标准化管理，同步优化工艺参数的一致性与执行精度，从而有效缩小批次间聚合物的物理性能，保障后续加工环节的产品质量稳定性，最终提升整体生产的效率与成品一致性。

2   系统概述

2.1   尼龙66简介

尼龙66（聚己二酰己二胺） 是国内高性能工程塑料及化纤原料的核心品类，以其优异的综合性能在工业领域占据重要地位。其分子结构由己二酸与己二胺缩聚而成，且不溶于一般溶剂，仅溶于间苯甲酚等，兼具刚性与韧性，机械强度高（拉伸强度可达80~100MPa）、耐磨性突出（磨耗量仅为普通钢材的1/10）、耐热性良好（连续使用温度约100~120℃),且耐油、耐溶剂腐蚀，这些特性使其远超通用塑料（如聚乙烯、聚丙烯）。可用作工程塑料，机械附件如齿轮、润滑轴承，代替有色金属材料做机器外壳、汽车发动机叶片等，也可用于制合成纤维。

2.2   工序需求分析

尼龙66生产模式，其工艺复杂度高、参数关联性强，对数据链的完整性与实时性要求尤为突出。完整生产流程可分为3个核心环节，各环节的工艺特性及数据交互需求如图1所示：

图1 工艺流程图

图2 控制逻辑图

2.3   控制需求分析

尼龙66在自动生产中，自控逻辑要求较高。

（1） 精准性需求： 在DCS控制系统中， 搭载专业分程控制方案， 针对升压场景实现精准压力管控， 助力提升压力调节精细化水平； 温度控制环节融合流量与温度的串级控制技术， 通过科学的参数调节， 优化温度控制， 让整体运行状态更趋平稳，全面实现产品核心性能。

（2）冗余性需求：DCS控制器、电源、网络均实现冗余需求， 所有控制设备启停实现冗余检查后开始执行对应程序，防止在运行过程中出现意外。

（3）安全性需求： Batch配方数据、工艺参数等核心信息需通过权限管理机制审批修改， 防止配方泄露与篡改。

（4）经济性需求：传统法依赖物理调试，试错成本高、投产周期长， 难以快速响应市场需求， 需通过虚拟仿真降低试错成本、缩短投产周期。

2.4   核心需求分析

针对Batch批次生产项目的特性，引入OTS（模拟仿真） 测试是贴合批次生产全流程管控需求的关键举措，其核心需求与核心价值可结合Batch项目的工艺连续性、操作协同性、合规性要求精准落地，具体如下：

（1）多步骤协同验证需求： Batch项目依托投料—反应—转料—出料等工序生产， 各个环节参数联动性强， 需通过仿真模拟全批次流程， 验证工序衔接的流畅性， 避免实际生产中因步骤脱节导致批次不合格。

（2）工艺变更与优化需求： Batch项目厂根据订单调整配方，修改工艺参数， 直接在生产线验证易导致原料损失， 需通过OTS仿真离线测试方案的可行性，减少对现有产能的影响。

（3）合规性与应急处置需求：医药、化工等行业的Batch项目需满足GMP、FDA等合规要求，需OTS模拟异常场景（如温度超限、设备故障），验证应急流程的合规性与操作人员处置能力。

（4）设备联动验证需求： Batch生产设计反应釜、阀门、计量泵等多种设备协同， 需通过OTS仿真测试设备信号交互，联锁逻辑的可靠性，避免实际运行中因设备联动故障导致批次中断。

（5）员工操作适配需求： OTS在投运前建立仿真模型，模型与现场实际工况相似度达99%以上， OTS与DCS实时同步，需OTS提供1:1还原的操作环境，降低实战培训风险。

2.5   核心价值

（1）降低生产试错成本：通过离线仿真模拟全批次生产流程，提前发现工艺逻辑漏洞，参数设置偏差，避免实际中因批次报废， 设备损坏造成物料损耗与停车损失，尤其适配小批量高价值的Batch生产场景。

（2）提高人员操作熟练度：  OTS提供“零风险、无损耗”的实操环境，新员工可以反复演练批次启停，参数调整， 异常处理等核心操作，老员工可以通过复杂场景模拟提升技能精进效率， 缩短人员上岗周期30%以上。

（3）保障工艺稳定性与合规性：仿真测试可全面验证批次工艺的重复性与可靠性。确保不同批次生产参数一致， 同时记录操作全过程数据， 满足用户对操作追溯的要求，降低风险。

（4）优化工艺与设备联动效率：通过仿真模拟不同配方，不同产能下的批次运行状态， 可离线优化工艺参数组合， 设备启停时序，提升批次生产单位产能，减少无效等待时间。

（5）强化应急处置能力：可自定义模拟Batch生产中高频异常场景（停电恢复、物料中断、反应超时）， 可以让操作人员在安全的环境中熟练掌握应急流程， 降低实际生产中因异常处置不当导致的安全隐患与批次损失。

（6）缩短项目投产周期：  在项目上线前通过OTS完成工艺验证、人员培训、逻辑调试，可实现“仿真达标及投产”，避免上线后因操作问题或工艺问题反复停机调试，加速项目落地见效。

OTS仿真测试完美适配Batch项目“批次化、多步骤、高合规、强协同”的核心特性，既能解决实际生产中的培训风险、试错成本、合规压力等痛点，又能从人员、工艺、设备、安全等多维度提升项目整体运营效率， 是Batch项目从设计到落地的“全流程保障工具”。

3   项目总体设计应用

3.1   生产过程自动化控制架构设计

本方案以和利时DCS系统为核心，集成Batch批量控制系统与OTS仿真系统，形成“感知—决策—执行—验证”闭环控制体系， DCS系统集成复杂控制模块，支持分程与串级等复杂控制算法。

DCS工程师站与Batch服务器通过工业光纤直连至DCS机柜内的主控制器，构建核心控制指令与数据的传输通道；控制柜与远程I/O柜则依托PROFIBUS-DP现场总线，以光纤介质实现分布式I/O信号的远距离通信， 确保现场设备状态的高可靠回传与控制指令的精准下发。  OTS（操作培训系统）为独立闭环仿真子系统，核心搭载自主构建的高保真工艺仿真模型，无需接入实际生产数据或外部实时信号，即可自主驱动物理模型运算，模拟装置全流程动态运行（含正常生产、异常扰动、工况切换等场景）。架构上， OTS独立部署于专用服务器，与DCS系统物理及逻辑隔离： DCS负责实际控制与现场数据采集， OTS则仅依赖模型初始参数（如进料流量、初始温度分布）即可复现装置行为，为操作培训提供无干扰的沉浸式环境，同时支撑工艺参数优化、控制策略验证等研发场景。系统网络图如图3所示。

图3 系统网络图

3.2   Batch批量控制系统核心功能模块

和利时Batch系统作为生产过程的“大脑”，通过模块化设计实现生产全生命周期的精准管控，具体功能如下：

（1）生产批次管理

系统建立统一数据库存储所有生产批次， 支持订单状态动态跟踪。在批量调度器页面，清晰展示配方已就绪/运行中/排队中/已完成等状态， 配方执行时， Batch系统实时采集产线运行数据并反馈至数据库，同步更新批次信息（如开始时间、结束时间、运行参数等） ；异常工况触发时， Batch系统推送预警信息至操作终端，确保操作人员及时知晓并处理。

（2）生产配方管理

基于工艺规程预先搭建标准化配方库， 涵盖SOP生产工艺流程、原料组分及配比、反应温度/压力设定等关键参数。配方生成后自动关联控制逻辑，操作人员仅需调用配方即可启动批次生产，避免人工输入误差导致的工艺偏离。同时支持配方版本管理与权限审批，确保工艺变更的可追溯性。

（3） 用户权限与角色管理

在工程师站完成用户权限分级配置，系统设“工程师—值班长—操作员—监视员”四类角色：工程师拥有组态修改、逻辑调试权限；值班长负责订单下发审批与异常处理；操作员执行配方启动/暂停等常规操作；监视员仅可查看实时数据与报警信息。权限隔离机制有效保障生产安全与系统稳定性。

（4）历史数据追溯与报表管理

和利时Batch软件内置高速历史数据库，完整记录生产过程数据（如温度/压力趋势）、操作日志及报警信息，支持按时间、批次等多维度查询。每批次结束后自动生成标准化报表，包含批次ID、控制配方版本、关键参数设定值、产量，为工艺优化与质量分析提供数据支撑，如图4示例报表。

图4 批次报表

3.3   工艺仿真系统设计与集成

为验证Batch控制方案及DCS控制逻辑的可行性及工艺参数的合理性，减少现场调试时间配套开发动态仿真系统，其核心功能如下：

（1）工艺建模平台

基于严格热力学（如状态方程） 与动力学机理构建仿真模型，适用于尼龙66间歇聚合的多组分（己二酸、己二胺等）、多相变（固-液-气）及复杂反应体系。模型集成多组分物性数据库，支持状态方程灵活切换，确保模拟结果与实际装置工艺参数变化趋势高度一致，为控制逻辑验证提供可靠输入。

（2）控制仿真技术实现

采用虚拟DPU（分布式处理单元）技术， 将实际控制单元功能移植至虚拟环境，无需硬件DPU即可运行完整DCS控制逻辑。该技术具备三大优势：

① 激励仿真：完全模拟真实控制器运行， 输出与现场一致的信号反馈；② 组态兼容：可直接调用和利时DCS组态文件， 维护与培训环节与实际系统无缝衔接；③ 成本优化：脱离硬件设备运行， 大幅降低仿真测试硬件投入。系统通过GPRES_OPC协议实现与动态仿真模型的双向通讯，构建双向通讯链路，模型通过OPC向虚拟DPU注入现场信号，虚拟DPU同步映射至DCS；DCS接收到Batch下发的启动命令， DCS将DCS控制指令经OPC回传虚拟DPU，控制现场设备启停，最终反馈至模型，实现虚实交互的无缝衔接DCS与OTS通讯，架构如图5所示。

图5 通讯架构

（3）控制仿真实现效果

多批次并行生产能力： 支持多个配方同步运行，通过DCS网络架构实现浓缩釜、高压釜、切粒机等关键装置的集中监控与协同调度，突破传统间歇法手动生产效率低下的瓶颈。

全流程一体化管控：从生产订单下达到批次完成，覆盖配方执行、设备状态监测、参数调整及异常报警全环节，消除人工干预导致的质量波动；

数据驱动的质量稳定性保障：通过Batch系统标准化控制逻辑与仿真系统预验证机制，缩小批次间聚合物物理性能（拉伸强度、断裂伸长率等）偏差，满足后续熔融重铸及拉丝工艺对原料一致性的严苛要求。

尽管通过高保真建模与虚拟DPU技术已实现OTS对DCS控制逻辑的初步映射，但两类关键问题仍需针对性解决：其一， Batch控制逻辑与DCS实际执行的匹配性需通过虚拟环境验证，避免因程序偏差导致现场批次波动；其二，传统OTS仿真依赖人工调试初始工况，耗时较长且状态失真，直接影响培训效率与测试有效性。为此，本章后续将重点阐述Batch与OTS的交互验证机制，以及基于稳定工况保存的OTS优化方案。

3.4   Batch与仿真系统的交互验证机制

Batch系统与动态仿真系统通过OPC协议深度交互，构建“虚拟生产环境”，全面验证控制逻辑与工艺适配性，具体交互流程如下：

（1）过程模拟：仿真模型实时模拟反应釜温度/压力变化、物料流动及设备启停状态，复现实际生产工况；

（2）指令交互： Batch系统下发配方执行命令至DCS， DCS通过OPC将指令传递给仿真模型，驱动模型中阀门、泵等执行机构动作；

（3）参数响应：仿真模型根据工艺机理计算设备温度、压力、流量等参数变化，并实时回传至DCS与Batch系统；

（4）状态反馈：关键参数（如反应终点压力）经Batch系统判定后，触发下一步控制指令，验证批次阶段切换逻辑的正确性；

（5） 闭环验证：DCS根据模型反馈数据执行控制程序，直至批次执行完毕，最终由Batch系统汇总数据报表，分析配方执行效果与仿真模型的匹配度。

3.5   OTS保存工况机制

OTS仿真测试中，初始工况的设定往往依赖人工经验或随机选取，存在两大痛点：其一，初始状态与实际生产稳态偏差较大，导致仿真测试结果偏离真实运行场景，影响操作培训的有效性；其二，每次仿真需重新调试至稳定状态，耗时较长（据统计，常规复杂工艺系统初始稳定耗时约30-60分钟），降低了测试效率。针对上述问题，和利时OTS系统采用“稳定工况保存-恢复”机制， 通过自动化捕捉与存储生产系统的最优稳态，实现仿真测试的快速初始化与高保真度。当新一轮OTS仿真启动时，系统默认调用最新保存的稳定工况（支持手动选择历史工况）， 通过OPC协议将工况数据注入仿真模型，直接初始化浓缩釜、高压釜、阀门、泵等设备的状态参数及控制回路输出。经测试，该机制将仿真初始化时间从平均45分钟缩短至2分钟内，且初始状态与实际生产稳态的匹配度提升至98%以上。该功能的引入不仅解决了仿真测试“初始状态失真”的关键问题，更通过稳态工况的标准化复用，显著提升了操作人员的培训效率，学员无需等待系统缓慢趋稳，可直接在全工况模拟环境中开展异常处置、参数优化等核心技能训练。

4   结论与展望

4.1   应用结果分析

项目规模虽然不大，测点点数不多，但自动化程度较高，用户要求较为严格，其批次衔接紧密的特性与Batch系统深度融合后，在OTS仿真测试中展现出卓越效率，且系统程序运行，判断条件更为精准，减少人为操作的错误率，大幅降低了人工干预，极大地解放了人工。

4.2   行业价值与展望

该项目的成功落地，不仅为和利时DCS系统、Batch系统、OTS系统的性能与可靠性提供了有力印证，更推动了和利时工程团队专业能力的进阶升级。系统始终保持着稳定可靠的运行状态，用实践成果充分彰显和利时系统不仅能为中国本土企业提供完善的自动化整体解决方案，更有实力为国际客户提供达到全球先进水平的自动化产品与工程服务。

从更长远的战略视角看， 这一项目为国产DCS系统的国际化征程注入了关键动能，它既通过深化与国内龙头企业的战略合作、展现国产DCS的性能优势、严格遵循行业国际标准，扛起了推动DCS系统、Batch系统、OTS系统走向世界舞台的重任；也以实际案例证明了国产DCS完全有能力跻身国际赛道，成为国产自动化技术参与全球竞争、树立行业话语权的希望所在。

该项目的成功不仅是一次技术与团队的“双向检验”，更成为国产DCS系统突破地域边界、参与国际自动化产业格局重塑的重要起点。

作者简介：

陈俊杰 （1984-），男，山西太原人，工程师，本科，就职于北京和利时工业软件有限公司，从事智能工厂业务相关的技术应用及产品规划工作。

赖建新（1984-） ，男，浙江台州人，工程师，本科，就职于北京和利时工业软件有限公司，从事流程行业智能控制系统的工程管理、技术开发、产品管理、技术支持工作。

张在宇（1996-），男，山西太原人，工程师，本科，就职于北京和利时工业软件有限公司，从事流程行业智能控制系统的工程实施、技术支持工作。

刘雪斌（1986-），男，山西太原人，工程师，本科，就职于北京和利时工业软件有限公司，从事流程行业智能控制系统的工程实施、技术支持工作。

参考文献：

[1] 王常力, 廖道文. 集散控制系统设计与应用[M]. 清华大学出版社, 1993.

[2] ISAS88.01-2010. 批量控制标准 [S]. 国际自动化学会.

[3] 和利时公司. 2023年OTS系统V3.1技术白皮书[R].2023.

摘自《自动化博览》2026年3月刊