聚合反應溫度控制策略的探索

李嘉佳 梁志國

（奧星集團，北京 100020）

在丁腈生產的聚合反應過程中，溫度控制的精確度、引發劑的活性如何、生產原料的配比精度、生產攪拌是否均勻等因素對聚合反應效果均有影響，但是影響聚合效果的最主要因素是反應過程中的聚合溫度。聚合溫度過高，反應物會因局部過熱造成分解、暴聚等，并在聚合過程中產生其他的非需要產物降低產品質量。另外，反應溫度過高會導致反應釜內部壓力急劇增加，設備安全性也沒有保障；溫度過低則反應緩慢甚至出現阻聚現象，也就是工程中俗稱的“感冒”，使得整個聚合過程時間延長，降低了企業單位時間的產量。因此聚合反應過程需要精確控制反應溫度，通常希望溫度波動范圍在指定溫度±0.3℃，而且要求反應上升溫度緩慢平穩，因此對于這樣一個反應溫度變化激烈，而溫度檢測卻異常滯后的聚合反應過程來說，采用什么樣的控制策略才能滿足這樣高的控制要求確非一件易事。

1 聚合反應溫度控制工藝流程

聚合反應基本上是一個放熱反應過程，在正常反應階段需要用夾套中的冷水帶走聚合反應釋放的部分熱量，以達到控制反應溫度的目的。本項目的聚合反應溫度控制工藝流程參見圖1。

其中：聚合反應過程中各控制設備的作用參見表1。

本聚合反應的溫度控制基本分為四個階段（參見圖2）。

第一階段為升溫階段。

聚合釜投料完畢，打開熱水進和熱水回兩個閥門向夾套通熱水提高反應釜釜內溫度，使反應物迅速升溫至37℃拐點溫度以達到誘發聚合反應的溫度。

第二階段為保溫過渡階段。

反應物升溫至37℃后保持15 min，關閉熱水供水和回水兩個開關閥門。

第三階段為程序控溫反應階段。

人工加入引發劑誘發聚合反應，聚合進入正常放熱階段，隨后切入冷水控制用來帶走聚合反應中產生的熱量，控制溫度逐步升溫和保溫。溫度分別從37℃升到38℃，保持5 h；然后升到39℃，保持2 h；然后升到40℃，保持1 h。

第四階段為反應結束以后的出料階段。

在整個溫度控制過程中，聚合反應前的升溫階段是以熱水、熱水自動閥門（包括：熱水供水閥、調節閥和熱水回水閥）和循環泵作為調節手段；聚合反應階段是以冷水、冷水自動閥門（包括：冷水供水閥、調節閥和冷水回水閥）和循環泵作為調節手段。調節閥與供水開關閥門、回水開關閥門和循環泵是同步進行控制的。當調節閥開始調節動作時自動開啟供水開關閥和回水開關閥；調節閥完全關閉時供水開關閥和回水開關控制閥也自動關閉。

2 聚合反應溫度控制策略

目前大部分聚合反應釜都是容積較大的密閉容器[1]。聚合反應過程中，聚合物分布不均勻，溫度梯度較大，易造成溫度的虛假測量，而且該控制對象具有高度非線性，時滯性大，不易獲得數學模型，通常單回路溫度PID 控制效果并不理想[2,3]。

圖1 聚合反應工藝控制流程圖

表1 控制設備的作用與狀態

在普通的溫度控制方案可以在夾套內水流動的情況下進行滿足要求的溫度控制，但是當閥門開度小或處于關閉狀態時，由于夾套內的水流動小，溫度控制精度無法滿足要求；而當溫度設定值階梯變化時，釜內熱量急劇增加，處于關閉狀態的閥門開度又會急速增加，進入夾套的低溫水帶走的熱量太多，導致釜內溫度出現剛到階梯設定值卻又馬上出現急劇回落的現象。尤其在聚合升溫階段，單純的PID 控制策略很難實現對聚合升溫的平緩過渡，很容易產生溫度超調的問題，如圖3 所示。（其中：① 為實際溫度；② 為溫度設定值；③ 為實際壓力；④ 為閥門開度）。

從圖3 中的曲線也可以看到聚合反應在每次升溫階段都會出現大的超調，而超調又引起溫度以及釜內壓力的振蕩。丁腈生產的工藝要求很高，溫度波動要求控制在±0.3℃，而在溫度出現大的超調時，溫度波動可達0.5℃，不能滿足生產工藝的要求，很多時候往往需要人工干預以滿足溫度的高精度控制要求。

另外，在聚合反應升溫的階段，當溫控設定值隨反應時間階梯跳躍時，設定值比實際測量值高，PID輸出減小，調節閥開度不足，聚合釜內部聚集的熱量無法被及時帶走，加上溫控對象和測量本身的大滯后，容易產生升溫時聚合反應溫度的“飛升”，或者由于冷水過量而引起溫度的急劇下降，使得溫控曲線出現大幅的振蕩，升溫時無法達到平緩的要求。

圖2 聚合反應的溫度控制過程

為了解決這一聚合反應溫度控制的難點，提高聚合反應過程的溫度控制效果，我們對此聚合反應的溫度控制策略進行了探索，主要采取了三項措施，基本克服了這一難題：

（1）在供水和回水管路之間設立帶止逆閥的旁通管路，并在反應釜夾套循環水管路增設循環水泵。既能根據反應釜溫度偏差調節循環水中的冷水或熱水量，又能始終確保流過夾套循環水量充足而恒定，這樣無論冷水調節閥的開度是大是小或是關閉，反應釜都有足夠恒定流量的冷媒抑制反應過程的升溫。從而加強了冷卻水的循環控溫效果。

（2）在聚合反應階段，采用反應釜溫為主環、夾套出水溫度為副環的串級PID 控制策略。根據夾套回水溫度早期的變化提前調節冷水量，有效地克服反應釜溫度控制的慣性，達到有效的溫度控制效果。

圖3 單純PID 溫度控制效果圖

圖4 雙模態專家控制策略結構框圖

（3）在一般的串級PID 控制基礎上，選擇性地增加了適當的專家控制策略。該專家控制策略為雙模態復合結構（參見圖4），其中專家控制器和一般的PID控制器分布在不同的獨立通道，在兩通道上設置了軟開關K1 和K2[5]。利用釜內溫度、壓力的變化情況結合不同的溫度控制階段，進行專家控制和串級PID 控制的切換，例如：當溫度設定值在37℃時，釜內溫度低于設定值，釜內測量溫度滿足控制要求但是釜內壓力急劇下降，此時將PID 控制切換到專家控制，根據釜內溫度及其變化趨勢，周期性地對冷水調節閥進行不斷調整。當處于某種工作狀態時只有一種控制策略對被控對象施加作用。通過開關組可根據控制策略轉換條件表達式的值導通相應的軟開關，在不同的工作狀態下采用相應的控制策略和算法。

采用雙模態分段專家控制與PID 控制算法合的優點是：當溫度偏差e 大于某個闕值時，切換到專家控制，提高系統響應速度，提高系統的阻尼性能，避免在響應過程中出現大幅的超調。而一般PID 控制在小范圍內調節具有良好的魯棒性，消除超調以及穩態誤差。

3 專家控制策略的設計與實現

專家控制規則建立在總結操作者對控制過程所進行的手動控制策略基礎上，或歸納設計者對被控過程所認知的專業信息的基礎上。專家控制器的原理框圖如圖5 所示。

圖5 專家控制器原理圖

該專家控制器分如下4 部分組成：

（1）信息處理

信息處理模塊是實現對信息的提取和加工，為控制決策和學習適應提供依據。它主要抽取動態過程的特征信息，識別系統的特征狀態，并對必要的特征信息進行加工[6]。

按照規定的控制周期定時采集釜內溫度與釜內壓力，通過對溫度的偏差e 以及偏差e 的變化率ec 的確定,將釜內溫度的變化情況進行具體化，即將溫度的變化e及溫度的變化趨勢ec 映射到具體的區間[0-100]中。

（2）知識庫

知識庫用于存放工業過程控制的領域知識，本專家控制器的知識庫主要由經驗數據庫組成。經驗數據庫主要存放經驗和事實集。經驗數據包括聚合釜反應溫度以及釜內壓力等參數變化范圍，控制參數的調整范圍及其限幅值，控制系統的性能指標和釜內溫度、壓力的結合對控制系統溫度的影響的經驗公式；事實集主要包括控制對象的相關知識，如結構、特征、類型等，還包括控制規則的自適應及參數自動調整的規則。

（3）推理機

規則量不是以數值形式而是采用自然語言的形式表達。這些語言變量反映了操作人員的工作經驗的總結及習慣上的概念表述。將輸入的精確量轉換成規則量，確定偏差和偏差變換率語言變量的取值。考慮到受控對象的大滯后和大慣性，在偏差語言變量的取值中特別設置了正零（PO）和負零（NO）兩個值，這樣E 的取值8 個：{PB,PM,PS,PO,NO,NS,NM,NB}，而EC的取值7 個{PB,PM,PS,O,NS,NM,NB}。根據聚合釜反應溫度與設定值的偏差及溫度的變化率確定本次冷水調節閥的增減幅度。為此將專家控制器輸出信號U 的增量分為8 個檔次，即增量集為{正大，正中，正小，正零，負零，負小，負中，負大}，用符號集表示即為{PB,PM,PS,PO,NO,NS,NM,NB}。其中，字母P 代表“正”，N 代表“負”，B 代表“大”，M 代表“中”，S代表“小”，O 代表“零”。

控制規則及推理機的確定是設計專家控制器最關鍵的一環，基本專家控制規則是以手動控制策略為基礎上利用集合理論把手動控制策略上升到具體的數值運算，根據運算結果傳給執行機構輸出控制數據。所要建立的控制規則就是要利用語言歸納手動控制中所使用的控制策略，采用“if-then”條件語句的形式來給予描述。

if E=PB and EC=PB then U=PB

if E=PB and EC=PM then U=PB

if E=PB and EC=PS then U=PB

if E=PB and EC=PO then U=PB

if E=PB and EC=NO then U=PB

if E=PB and EC=NS then U=PM

if E=PB and EC=NM then U=PM

if E=PB and EC=NB then U=PS

…………..

if E=PM and EC=NB then U=NS

將上述控制規則存儲在知識庫中。經過計算得到的E 與EC 驅動推理機進行控制決策得到控制量的增量U，則上次的控制量加上本次的增量便是本周期的控制量，用以調節調節閥的控制，以便穩定聚合釜的反應溫度。

例如：if E=PM and EC=NB then U= NO 其工程意義是若聚合釜釜內溫度偏高但溫度下降趨勢大，則調節閥TV-001 調節量在現有輸出量的基礎上減小一定的數值。當調節閥輸出量為0 時需要關閉冷水回控制閥DV-002 和冷水供控制閥DV-004。

（4）控制規則集

推理機得出的控制量不能用于控制執行機構，還要將控制量轉化成執行機構能夠識別的精確量。常用判決方法有加權平均法、中位數法和最大隸屬度法等。本案例選用最為普遍的加權平均法。

本項目的專家控制通過控制器采用西門子公司的S7-300PLC 和采用查詢表的方法實現，將總結操作者對控制過程所進行的手動控制策略得出的控制規則存儲到PLC 的存儲器中，在每一個采樣周期將計算得到的誤差e 和誤差變化ec 分別乘以各自的量化因子，取得以相應論域元素表征的查詢表，編制查詢表的程序，輸出所需的控制量的變化量U，加上現在的輸出值得到此刻的輸出量。

所編制的PLC 實現專家-PID 的功能塊有：OB35，循環中斷程序；FC100，誤差與誤差變化率的量化；FC101， 控 制 表 的 查 詢；FB41 為PID 塊；DB100，DB101 為FB41 的背景數據塊，其中關鍵部分是量化和查詢表的設計。

例如量化程序的設計，對誤差e 和誤差變化率ec進行量化，為了計算方便，把論域值轉化為正數存放在內存區中，如圖6 所示的程序是e > 37.5 時以18 存放在DBW18 中。ec 的量化程序與e 類似。

4 結束語

圖6 誤差e 的量化程序

經過對聚合釜溫度控制策略的探索，尤其是采用了上述的三種控制策略措施以后，改善了聚合控制過程的動態性。控制方案經調試后投入現場運行，運行狀態良好。聚合反應過程升溫不再出現大的超調[7]，溫升階段控制曲線平緩，使得聚合溫度偏差由原來的±0.7℃變為±0.3℃，提高了溫度控制精度。

理論和實踐證明：專家控制策略設計合理，控制效果很好。投入運行可降低操作工人的勞動強度，提高產品的質量和產量，取得較好的經濟效益。

雖然本控制系統已經取得較好的控制效果，控制精度也已經滿足反應釜的溫度控制要求，但是根據將來進一步的實際需求，我們還計劃對該系統作進一步的改進，通過今后不斷積累溫控經驗，逐步完善專家規則表，以便將溫度控制的精度進一步提高。同時，反應釜廣泛應用于發酵、精細化工、制藥等工業生產中，本溫度控制方案可以有效調節反應釜的反應溫度，有助于提高合成產品的質量和產量。

[1] 夏晨，李樸.反應釜設計及溫度控制系統[J].化工自動化及儀表,2004,31(1)：66-69.

[2] 李新衛.連續反應釜溫度控制系統的設計與仿真[J].化工自動化及儀表,2010，37(11)：19-22.

[3] 王春曉，劉海，杜清府.反應釜控制系統的研究與實現[J].化工自動化及儀表,2010,31(10)：29-32.

[4] 王永華.現代電氣控制及PLC 應用技術 [M]. 第2 版. 北京：北京航空航天出版社，2008.

[5] 曾光奇，胡均安，王東，等.模糊控制理論與工程應用[M]. 華中科技大學出版社，2006.

[6] 張可仁.張斌.周家慶,專家控制器的設計與應用[J]. 河北理工學院學報, 2007,29(1)：63-68.

[7] 鄧星鐘.機電傳動控制[M]. 第3 版. 華中科技大學出版社，2001.