王偉

（浙江榮通化纖新材料有限公司，浙江 杭州 311200）

聚合物在當前石化工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，聚酯（PET）具有優(yōu)良的特征，可廣泛應用于塑料、紡織等領域。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對聚酯的生產(chǎn)工藝提出了更高的要求，生產(chǎn)工藝控制方式是影響生產(chǎn)質量的關鍵。但是，從當前的聚酯生產(chǎn)工藝控制來看，連聚酯生產(chǎn)工藝控制不佳，而且控制軟件落后，工藝耗能較大，影響了生產(chǎn)自動化水平。本文在對聚酯連續(xù)生產(chǎn)工藝研究的基礎上，分析影響聚酯生產(chǎn)工藝的因素，從而建立起一種能夠有效控制生產(chǎn)過程的控制方式，以便更好地開展工藝控制，保證生產(chǎn)質量。

1 聚酯生產(chǎn)工藝分析

1.1 聚酯反應機理

聚酯主要是由多元醇和多元羧酸發(fā)生縮聚反應而產(chǎn)生的聚合物，屬于高分子化合物。工業(yè)生產(chǎn)中常見的聚酯生產(chǎn)包括環(huán)氧乙烷發(fā)、直接酯化縮聚法和酯交換縮聚法。環(huán)氧乙烷發(fā)是利用環(huán)氧乙烷和對苯二甲酸反應后在進行縮聚反應，從而生成PET，該方法生產(chǎn)利用率高，但是，對生產(chǎn)條件要求較高，需要在高溫高壓下進行反應。直接酯化縮聚法是利用高純度多苯二甲酸和乙二醇反應后進行縮聚反應，從而生成聚酯，該方法有利于原料回收，但是，對原料對苯二甲酸的純度要求較高，原料成本較大。酯交換縮聚法是利用乙二醇和對苯二甲酸二甲酯發(fā)生酯化反應，該方法廣泛應用于聚酯的生產(chǎn)，但是，生產(chǎn)需要在高溫高壓下進行，對設備的要求較高。

1.2 生產(chǎn)公益

某工廠的聚酯生產(chǎn)工藝是連續(xù)聚酯裝置，所用的方法是酯交換縮聚法，通過對苯二甲酸二甲酯和乙二醇在催化劑作用下經(jīng)過酯化以及與縮聚生成聚酯。聚酯連續(xù)生產(chǎn)工藝采用的是五釜流程，由2臺酯交換反應釜和3臺縮聚反應釜串聯(lián)組成。酯化反應是由2臺酯化反應釜串聯(lián)而成在第一酯化釜中，原料乙二醇和對苯二甲酸二甲酯的混合漿料從底部入釜，在260℃和250kPa的條件選發(fā)生酯化反應。然后，將酯化后產(chǎn)物轉入縮聚反應釜，在這里除去乙二醇后，進行縮聚反應和后縮聚反應，生成聚合物。將具有黏度的聚合物移送到紡絲機。從整個工藝來看，連續(xù)生產(chǎn)工藝的過程包括酯化反應、酯化縮聚反應和縮聚反應。

1.3 生產(chǎn)工藝影響因素

從連續(xù)聚PET生產(chǎn)來看，連續(xù)聚酯反應必須具有高真空度，溫度以及酯化率對生產(chǎn)工藝具有影響，具體的影響如下：（1）真空度的影響，高真空度是連續(xù)聚酯反應的關鍵，對于生產(chǎn)而言，真空度具有決定性的影響，生產(chǎn)過程必須具備高真空度，才能確保動力黏度處于穩(wěn)定的狀態(tài)，提升產(chǎn)品質量。（2）溫度因素，溫度是表征酯化反應的間接質量指標，在生產(chǎn)過程中，需要嚴格控制生產(chǎn)過程的溫度，從而保證生產(chǎn)效率；不同反應釜對溫度的要求不同，需要根據(jù)生產(chǎn)需求，嚴格控制反應釜的生產(chǎn)溫度。（3）酯化率，原料摩爾比、催化劑含量和聚合物滯留時間是影響酯化率的關鍵，連續(xù)酯化反應中，需要對原料、催化劑等用量進行嚴格控制，同時，要求在不同反應釜中控制不同物質的含量。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，對溫度、高真空度、物料摩爾比、滯留時間等進行嚴格控制，從而將動力黏度控制在一定范圍內，以便控制最終的產(chǎn)品質量。

2 傳統(tǒng)控制方案

連續(xù)聚酯生產(chǎn)工藝的主要流程包括酯化縮聚反應和縮聚反應。從該工廠的運行情況來看，主要是由TDC3000集散控制系統(tǒng)進行連續(xù)控制、梯形邏輯控制和順序控制，并且選擇單回路PID控制和PID串級控制實現(xiàn)連續(xù)控制。

2.1 單回路PID控制和PID串級控制

選擇PID對反應釜和縮聚釜的過程進行控制，在帶有攪拌器內的反應釜內設置單回路PID，對后縮聚釜進行控制。對于后縮聚釜反應而言，控制聚酯黏度、保證中間產(chǎn)物的流動性，對于工藝具有重要的影響。但是，連續(xù)聚酯生產(chǎn)供給相對福大，而且非線性嚴重。選擇單回路PID控制，能夠對后縮聚釜反應器內黏度進行控制，通過緩慢旋轉以攪拌和增大聚乙二醇蒸發(fā)表面積，使反應釜內黏度滿足要求。選擇PID串級控制，能夠克服回路擾動迅速等問題，而且能夠精準控制相關變量，從而解決單回路PID控制中存在的問題。

2.2 傳統(tǒng)控制方案分析

傳統(tǒng)控制方案能夠對連續(xù)聚酯生產(chǎn)工藝進行控制，但是依然存在著一些問題。

（1）傳統(tǒng)PID系統(tǒng)的參數(shù)固定，無法實現(xiàn)智能控制，從控制規(guī)則來看，無法滿足實時性要求，控制手段單一，精準度不高，無法實現(xiàn)優(yōu)化控制。

（2）PID控制具有滯后性，在實際生產(chǎn)過程中，反應釜內會由于各種因素影響，出現(xiàn)虛假突跳等情況，導致黏度確信啊發(fā)生變化，而PID的參數(shù)固定，無法實現(xiàn)精確控制，導致控制偏差變化率大，容易造成誤操作，影響產(chǎn)物質量。

（3）沒有引入學習機制，傳統(tǒng)PID控制缺乏自主學習機制，無法對反應裝置的故障進行診斷，串級控制的實施難度較大，因此，控制系統(tǒng)無法對生產(chǎn)工藝進行實時維護和動態(tài)修改，從而影響控制效果。工廠內將終釜的真空度作為調節(jié)手段，根據(jù)黏度變化以及真空回路的調整，從而對生產(chǎn)工藝過程進行控制。該方法可以起到一定控制的作用，但是方法具有滯后性，而且不能實現(xiàn)實時控制。

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3 聚酯生產(chǎn)工藝智能控制

針對傳統(tǒng)聚酯生產(chǎn)工藝控制的不足，將智能控制引入控制系統(tǒng)中，創(chuàng)建基于實時推理的智能控制系統(tǒng)，有助于實時監(jiān)測聚酯黏度，從而對黏度進行有效控制?，F(xiàn)將智能控制系統(tǒng)介紹如下。利用工控軟件編寫PLC控制程序，開發(fā)監(jiān)控設計，從而實現(xiàn)對溫度、真空度、黏度等因素的控制。連續(xù)聚酯生產(chǎn)過程復雜多變，工藝參數(shù)較多，要求控制界面能夠直觀反映每個反應釜的溫度、真空度、黏度等因素，而且具有數(shù)據(jù)歸檔和故障報警的功能。選擇模糊PID控制功能掌握聚酯生產(chǎn)情況，及時了解故障情況，從而確保聚酯生產(chǎn)高效安全。

3.1 控制系統(tǒng)構成

針對連續(xù)聚酯生產(chǎn)的動力黏度控制問題，引入小波變換分析以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術進行控制?？刂葡到y(tǒng)主要由檢測機構、性能評價機構、小波變換處理模塊、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器等模塊組成。

3.2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)主要是由檢測機構采集聚酯生產(chǎn)工藝過程，收集其中的溫度、真空度、黏度等工藝參數(shù)，利用小波變換模塊識別工藝參數(shù)的變化，尤其是注意黏度信息的變化，為了保證工藝參數(shù)測量準確，利用小波變換模塊排除現(xiàn)場噪聲干擾，從而了解其異常情況。收集年度數(shù)據(jù)后，對比實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和給定參數(shù)進行對比，輸入時序數(shù)據(jù)窗，為后續(xù)的黏度變化研究提供參數(shù)依據(jù)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器是系統(tǒng)的核心模塊，該模塊具有自主學習能力，能夠對收集的黏度數(shù)據(jù)進行分析，從而對工藝過程進行推理，分析聚酯生產(chǎn)工藝狀況，并且給出控制值，以便對生產(chǎn)工藝進行控制。

3.3 模糊PID的PLC實現(xiàn)

為了解決傳統(tǒng)PID控制精度不高、自適應力較弱等問題，選擇帶有模糊邏輯的PID控制器。模糊邏輯PID具備精準控制能力，也具有較高的靈活實用性，可用于多種反應釜的控制。在連續(xù)聚酯反應過程中，利用模糊PID，能夠適應控制對象的變化，并且利用自調整功能，適應相關參數(shù)。模糊PID控制框圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制框圖

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，選擇測量變送和控制系統(tǒng)，釜溫控制系統(tǒng)為主控制器，利用模糊PID進行控制，夾套溫度控制系統(tǒng)為副環(huán)，選擇常規(guī)PID進行控制。在連續(xù)聚酯生產(chǎn)過程中，利用溫度控制調節(jié)閥。如果副環(huán)中出現(xiàn)溫度擾動，可以利用模糊PID控制回路，及時調整調節(jié)閥，從而快速消除擾動，確保反應穩(wěn)定進行。除了溫度控制外，可以利用模糊PID控制器控制開泵，在反應過程中，模糊PID準確讀到物料信息，控制影響圈，從而控制系統(tǒng)泵的開關，實現(xiàn)泵閥聯(lián)動。

4 聚酯控制系統(tǒng)界面與應用

4.1 控制系統(tǒng)界面

連續(xù)聚酯生產(chǎn)需要通過界面了解工藝參數(shù)，并且利用人機界面開展控制，具體的界面設計如下：

（2）聚酯生產(chǎn)工藝界面，聚酯生產(chǎn)工藝界面能夠準確反映生產(chǎn)情況，其中電機扇葉可以顯示電機的狀態(tài)和轉速等情況，可以判斷下料情況。

（3）聚酯生產(chǎn)歸檔界面，連續(xù)聚酯生產(chǎn)需要不定期加入原料和溶劑，傳統(tǒng)生產(chǎn)過程選擇紙筆記錄，效率低下，可能造成數(shù)據(jù)丟失，利用生產(chǎn)歸檔界面，能夠自動記錄相關數(shù)據(jù)；在下料完成后，收集物料、時間等信息，從而自動更新相關數(shù)據(jù)；為數(shù)據(jù)的存檔和利用提供數(shù)據(jù)支持。

4.2 控制系統(tǒng)應用分析

將控制系統(tǒng)投入運行生產(chǎn)，對生產(chǎn)進行控制?？刂茢?shù)據(jù)顯示，利用模糊PID控制系統(tǒng)，能夠進行有效控制，主環(huán)和副環(huán)控制器都能夠進行有效控制。在干擾的情況下，也能夠進行有效控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和超調量得到明顯改善?？刂葡到y(tǒng)投入生產(chǎn)運行后，產(chǎn)品的樹脂黏度穩(wěn)定性提升20%，其流動性增強，聚酯色澤提升，顆粒不溶物減少，產(chǎn)品質量明顯提升。

4.3 控制系統(tǒng)分析

通過將智能控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)實踐，研究表明該控制系統(tǒng)可以對聚酯生產(chǎn)過程進行有效控制。該控制系統(tǒng)的主要特點在于：

（1）知識庫體系，控制系統(tǒng)在控制專家經(jīng)驗和操作專家經(jīng)驗的基礎上，創(chuàng)建結合專家經(jīng)驗的知識庫體系，為數(shù)據(jù)識別的數(shù)據(jù)對比提供標準。

（2）實時在線控制，利用控制系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控生產(chǎn)情況，對聚酯黏度、溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)控與控制，從而控制溫度、真空度以及聚酯動力黏度在允許范圍內。

（3）異常識別，系統(tǒng)的異常識別模塊能夠識別生產(chǎn)工藝參數(shù)的異常變化，并且對異常情況進行推理，在提供異常預警的同時，為后續(xù)的異常處理提供依據(jù)。

5 結語

綜上所述，聚酯生產(chǎn)工藝需要嚴格的控制，智能控制系統(tǒng)是聚酯生產(chǎn)工藝控制的發(fā)展趨勢。相比普通PID控制，自適應模糊PID控制系統(tǒng)，能夠提升系統(tǒng)控制精確度，并且增強系統(tǒng)的自適應力。本文對某工廠的連續(xù)聚酯生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)進行研究，選擇基于模糊PID的PLC控制系統(tǒng)，能夠對生產(chǎn)工藝進行有效控制，而且投入生產(chǎn)后，生產(chǎn)過程精度和質量都有所提升，具備推廣價值。