MFA控制技術在聚合反應釜溫度控制中的應用

沈 繼,俞金壽

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

MFA控制技術在聚合反應釜溫度控制中的應用

沈 繼1,俞金壽2

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

聚合反應釜是氟橡膠生產過程中的主體設備,反應釜溫度是整個系統中最重要的被控變量之一,由于含氟單體聚合反應過程反應機理十分復雜,用常規的控制方法很難取得滿意的控制效果。采用無模型自適應(MFA)控制技術,結合氟橡膠生產工藝的特點,分析含氟單體聚合反應的過程特性,設計開發出聚合反應釜溫度MFA控制系統,并進行了MFA控制系統工程實施,獲得了滿意的控制效果。

無模型自適應控制;氟橡膠;聚合反應釜;溫度控制

0 引 言

氟橡膠是一種具有優良特性的氟聚合物,耐熱、耐油、耐溶劑、耐強氧化劑并具有良好的物理機械性能,廣泛地應用于汽車、航空、航天、機械、冶金和化工等領域。隨著國內汽車、采油、造船、環保、輕工、儀表、軍工、機器制造和塑料加工等行業快速發展,對氟橡膠的需求日益增長。

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

1 MFA控制技術

它是由美籍華人程樹行博士發明的一種先進控制專利技術。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)人工神經網絡(ANN)。MFA神經網絡包含一個輸入層,一個有N個神經元的隱含層和一個單個神經元的輸出層。

圖1 SISO MFA控制器結構

MFA神經網絡通過改變權值(wij和hi)來調整控制器的輸出,網絡學習的算法是以偏差e(t)最小為目標,這與反饋控制的目標相一致。當過程動態特性發生變化的時候,MFA控制器通過自適應神經元的調整使偏差最小。基于神經網絡的MFA控制器能記憶一部分歷史數據,為了解過程動態特性提供有價值的信息。相比之下,數字式PID控制器只保留當前和之前的兩個采樣數據。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學公式來精確描述的一類過程,反之為“黑箱”。“灰箱”是介于黑白兩者之間的過程,這類過程對象可能存在各種不確定因素,如進料量、配方、批次、負荷等的頻繁變化,難以用數學方法來精確描述。MFA可應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控制系統中不含過程辨識機制。傳統的自適應控制方法需要進行在線或離線辨識,然而過程辨識往往會給系統帶來額外的激勵信號,造成控制系統不必要的波動,因此,實際生產過程很難允許這樣做。MFA控制系統中沒有使用任何辨識機制,投運MFA控制器后,其神經網絡算法實時更新權值,即刻接管控制。

MFA控制器是通用型控制器,無需再對其本身進行設計。基于模型的控制方法要求使用者對被控過程有深入的認識,其開發和實施需要有豐富的經驗和專業知識,因此,很難得到廣泛的應用。MFA在其核心算法的基礎上,開發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,免去了復雜的控制器參數整定;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定的范圍;MFA XRT控制器控制具有大滯后的放熱化學反應過程等。對于MFA控制器使用者來說,不需要對控制器進行設計,只要選擇合適的MFA控制器,簡單地設定控制器參數就可以將MFA控制器投入使用。

MFA沒有復雜的控制器參數整定過程。作為一種自適應控制器,當過程動態特性、負荷發生變化,或存在擾動時,無需參數整定,MFA就能自適應達到新的工作狀態。同時MFA控制器還保留了一些手動調節功能。

2 氟橡膠生產工藝流程及過程特性分析

2.1 氟橡膠生產工藝

該氟橡膠工段主要生產兩類氟橡膠(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裝置采用的是釜式反應器,包括間歇式反應釜和連續式反應釜兩類。間歇式反應釜生產工藝如圖2所示。

圖2 間歇式反應釜生產工藝流程

工藝流程:開始聚合反應前,先在反應釜中加一定量的純水作為介質,并加入分散劑等助劑,然后抽空反應釜內的空氣,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定溫度;當釜溫預熱至規定的反應溫度后,通過壓縮機加入一定量的含氟單體使反應釜達到規定的反應壓力,然后通過計量泵加入適量的引發劑;引發反應后,啟動壓力自控儀表進行恒壓進料,并連續加入引發劑,通過調節夾套中冷卻水的流量,除去聚合反應放出熱量,恒定釜溫,維持正常的反應速度;達到規定的產量后,停止加入單體和引發劑,結束反應;最后一次性排出釜液,將反應釜洗凈,完成一個操作周期。

間歇式反應釜生產工藝的特征:反應釜內單體的濃度恒定不變,產物的濃度隨時間進程而逐步變大;不存在流動形式問題,在某一時刻釜內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所用時間外,還需要較多的輔助時間,如預先向釜內投入純水、助劑的時間,抽除釜內空氣、加入第一批單體和引發劑的時間,反應結束后回收殘余單體、排釜液的時間,洗凈反應釜的時間等;對于單體來說反應釜是連續的,而對于聚合產物來說反應釜是分批的,所以稱為半連續式反應釜。工業上因其間歇出料,習慣上稱為間歇式聚合反應釜。

連續式反應釜生產工藝與間歇式反應釜生產工藝類似,區別在于進料的同時也在出料,生產是連續進行的,連續生產一周左右。

2.2 聚合反應過程特性

觀察樹葉，做一份12頁的手寫調查報告；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一年級的秋假和國慶長假科學作業。近日，這作業遭家長吐糟“逆天了”。

在含氟單體的聚合反應過程中,反應溫度可以代表聚合度,能反應聚合質量情況,是最重要的質量指標之一,需要嚴格控制在一定范圍內。這類高分子聚合過程是典型的放熱反應過程,隨著溫度的升高,反應速度將會加快,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過程具有正反饋的性質,如果沒有適當的除熱措施,過程在開環的情況是不穩定的。由于過程無自衡能力,這種開環不穩定的聚合反應溫度的控制非常困難。

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

氟橡膠工段含氟單體的聚合反應機理非常復雜,至今還沒有明確的數學公式可供分析和研究,無法建立精確的過程模型。此外,生產過程中存在許多不確定的因素,含氟單體的流量和比例、引發劑(助劑)的濃度和流量、反應釜內壓力、反應釜液位及調節劑都會影響反應溫度。不同牌號的產品反應放熱的程度也不同。

綜上所述,含氟單體聚合反應溫度是一個無自衡、開環不穩定、大滯后、嚴重非線性和不確定因素眾多的復雜系統。

3 聚合反應釜溫度MFA控制方案

氟橡膠工段聚合反應釜溫度設計為釜內溫度為主回路、夾套溫度為副回路的串級控制系統,反應所產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的效果,也能及時反映釜內的干擾,有利于提高反應釜溫度的可控性和控制精度。聚合反應釜溫度MFA控制系統示意如圖3所示。

圖3 聚合反應釜溫度MFA控制系統示意

夾套溫度副回路通過調節冷卻水閥門或蒸汽閥門來進行控制。閥門的類型有快開、快關、直線和等百分比等,因此,選用非線性MFA控制器或標準MFA控制器對夾套溫度進行控制,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。

主回路反應釜溫度是控制系統的最終目標。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,選用放熱化學反應溫度 MFA XRT (eXothermal Reactor Temperature)控制器。在MFA神經網絡核心算法的基礎上,MFA XRT控制器包含了一個特殊的預估器克服純滯后的不利影響,并對無自衡特性進行了補償,使得 MFA XRT控制器有很強的魯棒性。

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

4 MFA先進控制系統的實現

4.1 控制系統結構

MFA先進控制系統由DCS,上位機組態軟件和先進控制軟件組成。該氟橡膠工段采用Moore APACS DCS對生產裝置進行監控,實現基本的數據采集和過程控制功能。上位機組態軟件選用InTouch 7.0組態軟件作為人機界面,實現控制系統的操作、管理和監控。在 DCS的基礎上,以CyboCon先進控制軟件作為開發環境,實現聚合反應釜溫度MFA控制系統。

氟橡膠工段控制系統上位機由4臺操作站和2臺相互冗余的工程師站組成,通過網絡與APACS DCS通信,實現對氟橡膠工段生產過程的監控。

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組態軟件完成了基本的DCS編程和數據采集工作,并利用InTouch的網絡功能,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行操作就能對現場設備進行控制。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進行通信,接管反應釜的溫度控制。

4.2 控制效果分析

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

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

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過程中,對反應溫度都可以有很好地控制。溫度MFA控制系統,實現了反應釜溫度的閉環自動控制,提高了溫度控制的穩定性,保證產品質量,提高生產效率,減輕勞動強度,最終給企業帶來可觀的經濟效益。

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過程中,雖然反應釜溫度的過程特性相似,但聚合反應放熱程度區別比較大,FE2601氟橡膠的聚合反應放熱量大,FE2602氟橡膠的放熱量就比較小。氟橡膠工段反應釜MFA溫度控制系統,采用一套控制器參數。

5 結束語

聚合反應釜的溫度控制一直以來是過程控制領域中的一個難題。與烯烴類聚合反應過程相比,氟聚合物(氟橡膠)生產過程中的聚合反應過程更為復雜,化學反應不確定因素更多。結合氟橡膠生產過程特點,設計開發出串級加前饋的聚合反應釜

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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年畢業于華東理工大學自動化專業,學士學位,2006年獲得華東理工大學控制工程領域工程碩士學位,現在美施威爾工業自動化(上海)有限公司從事自動化工程技術工作,任工程師。