沈 繼,俞金壽

(1.美施威爾工業(yè)自動化(上海)有限公司,上海 200023;2.華東理工大學(xué),上海 200237)

MFA控制技術(shù)在聚合反應(yīng)釜溫度控制中的應(yīng)用

沈 繼1,俞金壽2

(1.美施威爾工業(yè)自動化(上海)有限公司,上海 200023;2.華東理工大學(xué),上海 200237)

聚合反應(yīng)釜是氟橡膠生產(chǎn)過程中的主體設(shè)備,反應(yīng)釜溫度是整個系統(tǒng)中最重要的被控變量之一,由于含氟單體聚合反應(yīng)過程反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜,用常規(guī)的控制方法很難取得滿意的控制效果。采用無模型自適應(yīng)(MFA)控制技術(shù),結(jié)合氟橡膠生產(chǎn)工藝的特點,分析含氟單體聚合反應(yīng)的過程特性,設(shè)計開發(fā)出聚合反應(yīng)釜溫度MFA控制系統(tǒng),并進(jìn)行了MFA控制系統(tǒng)工程實施,獲得了滿意的控制效果。

無模型自適應(yīng)控制;氟橡膠;聚合反應(yīng)釜;溫度控制

0 引 言

氟橡膠是一種具有優(yōu)良特性的氟聚合物,耐熱、耐油、耐溶劑、耐強(qiáng)氧化劑并具有良好的物理機(jī)械性能,廣泛地應(yīng)用于汽車、航空、航天、機(jī)械、冶金和化工等領(lǐng)域。隨著國內(nèi)汽車、采油、造船、環(huán)保、輕工、儀表、軍工、機(jī)器制造和塑料加工等行業(yè)快速發(fā)展,對氟橡膠的需求日益增長。

國內(nèi)某著名有機(jī)氟化工企業(yè),其氟橡膠產(chǎn)品的產(chǎn)量大,品種全,國內(nèi)市場占有率均在50%以上。該企業(yè)的氟橡膠工段有4套用于含氟單體聚合反應(yīng)的反應(yīng)釜裝置。反應(yīng)釜溫度是整套裝置中最重要的被控變量之一,反應(yīng)溫度控制得好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和等級。但是,由于含氟單體聚合過程反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜,非線性程度高,設(shè)備傳熱滯后大,干擾和不確定因素眾多,因此,聚合反應(yīng)溫度的自動控制一直是一個難題。實際生產(chǎn)過程中,這4套反應(yīng)釜的溫度往往只能由人工進(jìn)行控制,溫度控制得好壞受人為因素的影響很大,反應(yīng)溫度波動大,嚴(yán)重影響氟橡膠產(chǎn)品質(zhì)量。該文通過對氟橡膠生產(chǎn)工藝及過程特性的研究,采用無模型自適應(yīng)MFA(Model-Free Adaptive)控制技術(shù),設(shè)計、開發(fā)并實施了聚合反應(yīng)釜溫度無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng),成功實現(xiàn)了含氟單體聚合反應(yīng)溫度的自動控制。MFA控制技術(shù)在氟橡膠生產(chǎn)過程中的應(yīng)用,有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量,提升國內(nèi)氟化工企業(yè)的競爭力。

1 MFA控制技術(shù)

它是由美籍華人程樹行博士發(fā)明的一種先進(jìn)控制專利技術(shù)。其核心算法如圖1所示。單輸入單輸出MFA控制器的核心是一個多層感知器(MLP)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。MFA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含一個輸入層,一個有N個神經(jīng)元的隱含層和一個單個神經(jīng)元的輸出層。

圖1 SISO MFA控制器結(jié)構(gòu)

MFA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過改變權(quán)值(wij和hi)來調(diào)整控制器的輸出,網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的算法是以偏差e(t)最小為目標(biāo),這與反饋控制的目標(biāo)相一致。當(dāng)過程動態(tài)特性發(fā)生變化的時候,MFA控制器通過自適應(yīng)神經(jīng)元的調(diào)整使偏差最小?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的MFA控制器能記憶一部分歷史數(shù)據(jù),為了解過程動態(tài)特性提供有價值的信息。相比之下,數(shù)字式PID控制器只保留當(dāng)前和之前的兩個采樣數(shù)據(jù)。在這一點上,PID控制器幾乎沒有任何記憶能力,而MFA擁有一個“聰明”的控制器所必需的記憶能力。

MFA不依賴于精確的過程知識。對一個過程而言,可以視其為“白箱”、“黑箱”或“灰箱”。所謂“白箱”就是可以用具體的數(shù)學(xué)公式來精確描述的一類過程,反之為“黑箱”?！盎蚁洹笔墙橛诤诎變烧咧g的過程,這類過程對象可能存在各種不確定因素,如進(jìn)料量、配方、批次、負(fù)荷等的頻繁變化,難以用數(shù)學(xué)方法來精確描述。MFA可應(yīng)用于上述三類過程對象,但由于不依賴于精確的過程知識,它更適合于“灰箱”過程。

MFA控制系統(tǒng)中不含過程辨識機(jī)制。傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法需要進(jìn)行在線或離線辨識,然而過程辨識往往會給系統(tǒng)帶來額外的激勵信號,造成控制系統(tǒng)不必要的波動,因此,實際生產(chǎn)過程很難允許這樣做。MFA控制系統(tǒng)中沒有使用任何辨識機(jī)制,投運MFA控制器后,其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實時更新權(quán)值,即刻接管控制。

MFA控制器是通用型控制器,無需再對其本身進(jìn)行設(shè)計。基于模型的控制方法要求使用者對被控過程有深入的認(rèn)識,其開發(fā)和實施需要有豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識,因此,很難得到廣泛的應(yīng)用。MFA在其核心算法的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一系列能解決各類控制問題MFA控制器,包括SISO MFA控制器可直接取代PID,免去了復(fù)雜的控制器參數(shù)整定;Nonlinear MFA控制器控制高度非線性過程; MFA p H控制器控制p H過程;Anti-delay MFA控制器控制大滯后過程;MIMO MFA控制器控制多變量過程;Feedforward MFA控制器抑制可測的擾動;Robust MFA控制器迫使過程變量維持在預(yù)定的范圍;MFA XRT控制器控制具有大滯后的放熱化學(xué)反應(yīng)過程等。對于MFA控制器使用者來說,不需要對控制器進(jìn)行設(shè)計,只要選擇合適的MFA控制器,簡單地設(shè)定控制器參數(shù)就可以將MFA控制器投入使用。

MFA沒有復(fù)雜的控制器參數(shù)整定過程。作為一種自適應(yīng)控制器,當(dāng)過程動態(tài)特性、負(fù)荷發(fā)生變化,或存在擾動時,無需參數(shù)整定,MFA就能自適應(yīng)達(dá)到新的工作狀態(tài)。同時MFA控制器還保留了一些手動調(diào)節(jié)功能。

2 氟橡膠生產(chǎn)工藝流程及過程特性分析

2.1 氟橡膠生產(chǎn)工藝

該氟橡膠工段主要生產(chǎn)兩類氟橡膠(FE2600和FE2460)。氟橡膠(FE2600)為偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚含氟彈性體;氟橡膠(FE2460)為偏氟乙烯、四氟乙烯及六氟丙烯的三元共聚含氟彈性體。氟橡膠工段聚合反應(yīng)裝置采用的是釜式反應(yīng)器,包括間歇式反應(yīng)釜和連續(xù)式反應(yīng)釜兩類。間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝流程

工藝流程:開始聚合反應(yīng)前,先在反應(yīng)釜中加一定量的純水作為介質(zhì),并加入分散劑等助劑,然后抽空反應(yīng)釜內(nèi)的空氣,待氧含量合格后打開蒸汽閥閥門,蒸汽充滿夾套將釜溫加熱至規(guī)定溫度;當(dāng)釜溫預(yù)熱至規(guī)定的反應(yīng)溫度后,通過壓縮機(jī)加入一定量的含氟單體使反應(yīng)釜達(dá)到規(guī)定的反應(yīng)壓力,然后通過計量泵加入適量的引發(fā)劑;引發(fā)反應(yīng)后,啟動壓力自控儀表進(jìn)行恒壓進(jìn)料,并連續(xù)加入引發(fā)劑,通過調(diào)節(jié)夾套中冷卻水的流量,除去聚合反應(yīng)放出熱量,恒定釜溫,維持正常的反應(yīng)速度;達(dá)到規(guī)定的產(chǎn)量后,停止加入單體和引發(fā)劑,結(jié)束反應(yīng);最后一次性排出釜液,將反應(yīng)釜洗凈,完成一個操作周期。

間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝的特征:反應(yīng)釜內(nèi)單體的濃度恒定不變,產(chǎn)物的濃度隨時間進(jìn)程而逐步變大;不存在流動形式問題,在某一時刻釜內(nèi)液相各部分的組成和溫度是一致的;全部操作時間中除了反應(yīng)所用時間外,還需要較多的輔助時間,如預(yù)先向釜內(nèi)投入純水、助劑的時間,抽除釜內(nèi)空氣、加入第一批單體和引發(fā)劑的時間,反應(yīng)結(jié)束后回收殘余單體、排釜液的時間,洗凈反應(yīng)釜的時間等;對于單體來說反應(yīng)釜是連續(xù)的,而對于聚合產(chǎn)物來說反應(yīng)釜是分批的,所以稱為半連續(xù)式反應(yīng)釜。工業(yè)上因其間歇出料,習(xí)慣上稱為間歇式聚合反應(yīng)釜。

連續(xù)式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝與間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝類似,區(qū)別在于進(jìn)料的同時也在出料,生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行的,連續(xù)生產(chǎn)一周左右。

2.2 聚合反應(yīng)過程特性

觀察樹葉，做一份12頁的手寫調(diào)查報告；收集一棵樹不同時期的樹葉，測算一枚樹葉的周長……你絕對想不到，這些竟是杭州某民辦小學(xué)一年級的秋假和國慶長假科學(xué)作業(yè)。近日，這作業(yè)遭家長吐糟“逆天了”。

在含氟單體的聚合反應(yīng)過程中,反應(yīng)溫度可以代表聚合度,能反應(yīng)聚合質(zhì)量情況,是最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一,需要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。這類高分子聚合過程是典型的放熱反應(yīng)過程,隨著溫度的升高,反應(yīng)速度將會加快,放出的熱量也將增加,其后果造成溫度不斷上升。所以對于溫度變化,像這種放熱劇烈的聚合反應(yīng)過程具有正反饋的性質(zhì),如果沒有適當(dāng)?shù)某裏岽胧?過程在開環(huán)的情況是不穩(wěn)定的。由于過程無自衡能力,這種開環(huán)不穩(wěn)定的聚合反應(yīng)溫度的控制非常困難。

反應(yīng)生成的氟聚合物會黏附在釜壁和熱電偶套管,由于氟聚合物有優(yōu)良的絕熱特性,因此會嚴(yán)重影響夾套的傳熱效果,造成釜溫測量的滯后,這對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性十分不利,甚至造成過程不可控。

氟橡膠工段含氟單體的聚合反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜,至今還沒有明確的數(shù)學(xué)公式可供分析和研究,無法建立精確的過程模型。此外,生產(chǎn)過程中存在許多不確定的因素,含氟單體的流量和比例、引發(fā)劑(助劑)的濃度和流量、反應(yīng)釜內(nèi)壓力、反應(yīng)釜液位及調(diào)節(jié)劑都會影響反應(yīng)溫度。不同牌號的產(chǎn)品反應(yīng)放熱的程度也不同。

綜上所述,含氟單體聚合反應(yīng)溫度是一個無自衡、開環(huán)不穩(wěn)定、大滯后、嚴(yán)重非線性和不確定因素眾多的復(fù)雜系統(tǒng)。

3 聚合反應(yīng)釜溫度MFA控制方案

氟橡膠工段聚合反應(yīng)釜溫度設(shè)計為釜內(nèi)溫度為主回路、夾套溫度為副回路的串級控制系統(tǒng),反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量由冷水帶走。其中,夾套溫度對冷卻水(或蒸汽)帶來的干擾具有綜合反應(yīng)的效果,也能及時反映釜內(nèi)的干擾,有利于提高反應(yīng)釜溫度的可控性和控制精度。聚合反應(yīng)釜溫度MFA控制系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 聚合反應(yīng)釜溫度MFA控制系統(tǒng)示意

夾套溫度副回路通過調(diào)節(jié)冷卻水閥門或蒸汽閥門來進(jìn)行控制。閥門的類型有快開、快關(guān)、直線和等百分比等,因此,選用非線性MFA控制器或標(biāo)準(zhǔn)MFA控制器對夾套溫度進(jìn)行控制,克服夾套溫度回路可能存在的非線性,以及冷卻水流量,冷卻水溫度或蒸汽壓力等帶來的擾動。

主回路反應(yīng)釜溫度是控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)。該回路具有無自衡特性,純滯后大,擾動因素多等特性,因此控制難度很高。針對這種被控對象的特點,選用放熱化學(xué)反應(yīng)溫度 MFA XRT (eXothermal Reactor Temperature)控制器。在MFA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核心算法的基礎(chǔ)上,MFA XRT控制器包含了一個特殊的預(yù)估器克服純滯后的不利影響,并對無自衡特性進(jìn)行了補(bǔ)償,使得 MFA XRT控制器有很強(qiáng)的魯棒性。

如上所述,影響反應(yīng)釜溫度的因素有許多,但由于反應(yīng)釜以恒壓進(jìn)料的方式操作,這些擾動變量對反應(yīng)釜溫度的影響基本都集中在單體進(jìn)料量上。單體進(jìn)料流量越大說明聚合反應(yīng)的速度越快,反應(yīng)放出的熱量越大,溫度上升就越快;反之,單體進(jìn)料流量越小聚合反應(yīng)的速度越慢,反應(yīng)放出的熱量減小,溫度下降。因此,在反應(yīng)釜溫度串級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加一個前饋MFA控制器補(bǔ)償單體進(jìn)料量對反應(yīng)釜溫度的影響。

4 MFA先進(jìn)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MFA先進(jìn)控制系統(tǒng)由DCS,上位機(jī)組態(tài)軟件和先進(jìn)控制軟件組成。該氟橡膠工段采用Moore APACS DCS對生產(chǎn)裝置進(jìn)行監(jiān)控,實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集和過程控制功能。上位機(jī)組態(tài)軟件選用InTouch 7.0組態(tài)軟件作為人機(jī)界面,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作、管理和監(jiān)控。在 DCS的基礎(chǔ)上,以CyboCon先進(jìn)控制軟件作為開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)聚合反應(yīng)釜溫度MFA控制系統(tǒng)。

氟橡膠工段控制系統(tǒng)上位機(jī)由4臺操作站和2臺相互冗余的工程師站組成,通過網(wǎng)絡(luò)與APACS DCS通信,實現(xiàn)對氟橡膠工段生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

圖4 FE 2603氟橡膠在自動模式下的控制趨勢

工程師站上的4-mation軟件和InTouch組態(tài)軟件完成了基本的DCS編程和數(shù)據(jù)采集工作,并利用InTouch的網(wǎng)絡(luò)功能,通過DDE和SuiteLink與操作站上的InTouch通信。操作人員只需在操作站上進(jìn)行操作就能對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。4套CyboCon分別裝在4臺操作站上,通過CyboLink軟件自帶的API接口程序與 InTouch進(jìn)行通信,接管反應(yīng)釜的溫度控制。

4.2 控制效果分析

氟橡膠工段的間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)多種牌號的氟橡膠,包括 FE2463,FE2602,FE2603和FE2605。各牌號的氟橡膠生產(chǎn)過程中,聚合反應(yīng)放熱程度也不完全相同,但反應(yīng)釜溫度的過程特性基本相似。

以FE2603氟橡膠為例,該氟橡膠的生產(chǎn)過程中,工藝要求反應(yīng)釜溫度控制在90～96℃范圍內(nèi)。從圖4中可以看出在反應(yīng)階段,由于引發(fā)劑是間歇打入,故在一段時間反應(yīng)緩慢,而在另一段時間反應(yīng)會突然劇烈,造成單體進(jìn)料量的變化相當(dāng)大,但反應(yīng)釜溫度依然能非常理想地控制在91～93℃范圍內(nèi)。

手動控制的溫度曲線如圖5所示。從圖5可以看出,在人工手動控制的情況下,反應(yīng)釜溫度波動很大,常常會超出100℃。與之相比較,采用MFA控制可以保證在整個反應(yīng)過程中,對反應(yīng)溫度都可以有很好地控制。溫度MFA控制系統(tǒng),實現(xiàn)了反應(yīng)釜溫度的閉環(huán)自動控制,提高了溫度控制的穩(wěn)定性,保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,減輕勞動強(qiáng)度,最終給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 FE 2603氟橡膠在手動模式下的控制趨勢

在FE2601和FE2602這兩種牌號的氟橡膠生產(chǎn)過程中,雖然反應(yīng)釜溫度的過程特性相似,但聚合反應(yīng)放熱程度區(qū)別比較大,FE2601氟橡膠的聚合反應(yīng)放熱量大,FE2602氟橡膠的放熱量就比較小。氟橡膠工段反應(yīng)釜MFA溫度控制系統(tǒng),采用一套控制器參數(shù)。

5 結(jié)束語

聚合反應(yīng)釜的溫度控制一直以來是過程控制領(lǐng)域中的一個難題。與烯烴類聚合反應(yīng)過程相比,氟聚合物(氟橡膠)生產(chǎn)過程中的聚合反應(yīng)過程更為復(fù)雜,化學(xué)反應(yīng)不確定因素更多。結(jié)合氟橡膠生產(chǎn)過程特點,設(shè)計開發(fā)出串級加前饋的聚合反應(yīng)釜

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The Application of the MFA Control Technology in Temperature Control of Polymeric Reactor

Shen Ji1,Yu Jinshou2
(1.M+W Industrial Automation(Shanghai)Co.Ltd.,Shanghai,200023,China; 2.East China Uni.of Sci.and Tech.,Shanghai,200237,China)

The polymerization reactor is a main unit in the fluoroelastomer product line,where the reactor temperature is the most important control variable.However it is hard to achieve satisfactory reactor temperature control performance by the traditional control method,as the polymeric chemical reaction of the fluorine-containing monomers is very complex.The MFA control system of polymeric reactor temperature has been developed and applied based on the model-free adaptive(MFA)control technology,the characteristics of fluoroelastomer production process and analyzing process of the polymerization reaction characteristics of the fluorine-containing monomers.It has achieved satisfied control effect.

model-free adaptive control;fluoroelastomer;polymeric reactor;temperature control

TP273

B

1007-7324(2010)06-0040-05

2010-08-15(修改稿)。

沈 繼(1980—),男,上海人,2002年畢業(yè)于華東理工大學(xué)自動化專業(yè),學(xué)士學(xué)位,2006年獲得華東理工大學(xué)控制工程領(lǐng)域工程碩士學(xué)位,現(xiàn)在美施威爾工業(yè)自動化(上海)有限公司從事自動化工程技術(shù)工作,任工程師。