聚酯生產工藝分析與智能控制實現

王華強 周筱雅

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

聚酯(PET)即對苯二甲酸乙二酯，是生產滌綸及包裝瓶等的重要材料。對某企業的聚酯生產系統進行分析可知，保證相關原料加入時定量有序，反應釜中溫度符合規范，是確保產品質量的關鍵。原生產工藝中，工人勞動強度大、相關精度達不到標準，致使生產效率低、產品質量合格率較低。為此，在對比了閉環PID控制和串級PID控制各自的優缺點之后，提出模糊PID串級控制系統，由PLC采集聚酯生產現場數據，用工業以太網構造通信網絡，用組態王平臺編程實現人機交互系統，實現聚酯生產的智能化自動控制。

1.1 反應機理

目前，生產聚酯的方法主要有3種：EO法，采用高純對苯二甲酸(PTA)與環氧乙烷(EO)直接熵化，連續縮聚成聚酯，這種方法易燃易爆，目前已不再使用；DMT法，將對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)進行酯交換反應，然后縮聚成PET；PTA法，采用PTA或中純對苯二甲酸(MTA)與EG直接酯化，連續縮聚成PET。由于PTA法較DMT法有更多優點，20世紀中后期新建的聚酯生產裝置紛紛轉向PTA法，本項目亦采用此法進行研究。

1.2 生產流程

PTA法生產聚酯過程包括酯化階段和縮聚階段，由于反應程度不同，可以采用1～3個反應器，本項目采用五釜流程，即第一酯化釜、第二酯化釜、第三酯化釜、預縮聚釜和后縮聚釜。

酯化反應(圖1)由3個酯化釜串接而成，原料PTA和EG的混合漿料從第一酯化釜底部進入，酯化溫度260～270℃，反應壓力從250kPa遞減至20kPa，總酯化率達96%～97%。縮聚反應分為預縮聚和后縮聚反應，溫度逐漸升高，反應壓力逐步下降。縮聚反應中游離的EG從釜頂以氣相逸出，經過噴淋冷凝器至丁二醇回收裝置。EG的回收包括廢EG蒸發、蒸餾塔及精餾塔等過程。

圖1 PTA法酯化反應工藝流程

1.3 釜內反應

酯化過程包括酯化反應、酯化縮聚反應和縮聚反應(低聚合度)，具體方程式如下：

在反應初期，反應釜溫度可以改變反應常數和PTA在反應物料液相中的溶解度，調節反應。另外，多數過程會伴隨水解反應，這也會對溫度產生影響。縮聚過程的化學反應方程如下：

在終縮聚階段，反應溫度需進一步提高以保證反應物料的粘度達標，而此過程通常伴有降解反應，使聚合物粘度降低，干擾化學反應的進行。

由此可見，溫度是最能表征酯化反應過程質量的間接質量指標，PET的化學反應過程需要嚴格調控溫度。而添加物料的量、速度和反應本身的熱效應都會對溫度的控制造成影響。

2 傳統控制方案

2.1 閉環PID控制

后縮聚釜反應器的設計要滿足物體流動近似活塞流的要求，有研究結果表明，采用臥式密圈螺帶式攪拌器的反應器最為理想[1]。后縮聚釜是圓盤反應釜，內有12個小室，被電機帶動緩慢旋轉，用于攪拌和增大殘留乙二醇蒸發表面積，使產品達到合格的粘度。簡單PID后縮聚控制系統如圖2所示，其中T2T為釜溫，T2C為釜溫控制器，M為電動機。

圖2 簡單PID后縮聚控制系統

但是，在閉環PID控制方案中，當進料流量或進料組分變化時，反應釜溫度會很快受到影響，反饋時間長、反應慢且難以抑制擾動，無法滿足生產要求。

2.2 串級PID控制

串級PID克服了回路擾動迅速的問題，具有一定的自適應能力，操控變量精準。解決了閉環PID中出現的問題[2]。但是傳統PID控制系統的參數是固定的，一旦環境變化，很難繼續有效控制。

3 自適應模糊PID串級控制器

3.1 控制回路設計

為了解決PID串級控制中參數固定而導致的精度不高、自適應能力有限及穩定性不強等問題，設計帶有模糊邏輯的PID控制器，將其與自適應能力相結合，使系統既具有模糊控制靈活適應性強的優點，又兼具PID控制精度高的特性，同時自適應能力又使控制器能夠適應控制對象的變化[3]。自適應模糊邏輯PID串級控制如圖3所示，它實現了自調整功能，減少了擾動對溫度的影響。

系統采用兩套測量變送和控制器。主控制環為釜溫控制系統，采用模糊自適應PID控制器調節。其參數控制見仿真部分。副環為夾套溫度控制系統，采用常規數字PID調節。若采用增量式PID控制算法[4]，在開停車或大幅改變設定值時，由于短時間內會產生很大的偏差而引起嚴重的超調或長時間振蕩。

圖3 模糊PID串級控制框圖

所以，本項目采用改進的積分分離PID算法[5]，即有：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KlKie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

當e(k)≤A(A為預定閾值)時，Kl=1，即引入積分作用；當e(k)>A時，Kl=0，即取消積分作用。

3.2 控制規律

調節閥根據溫度控制。主控制器為反應釜溫度控制系統，采用模糊自適應PID控制規律，當副環中有擾動發生，由于副控制回路，調節閥能及時調節，快速消除擾動。例如：當進料物料組分變化導致夾套溫度浮動時，反應釜溫度還未變化，釜溫控制器的輸出不變，夾套溫度控制器因受到擾動影響，測量值變化，根據偏差，夾套溫度控制器改變調節閥開度，使夾套溫度穩定；同時，夾套溫度的變化也影響反應釜溫度，使釜溫控制器輸出即夾套溫度控制器的設定變化，副控制器的設定值和測量值同時變化，加快控制系統克服擾動的調節過程，使主被控變量回到設定值。

4 仿真與應用

4.1 主環自適應模糊PID控制器

4.1.1輸入變量

變量隸屬度函數如圖4所示[6]。

4.1.2輸出變量

以參數ΔKp、ΔKi和ΔKd作為輸出變量，其對應的模糊語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp的基本論域為[-20，20]，ΔKi的基本論域為[-0.05，0.05]，ΔKd的基本論域為[-15，15]。參數Kp=5/20=0.25，Ki=5/0.05=100，Kd=5/15=0.33。

參數整定初值Kp=35，Ki=0.1，Kd=20。

4.1.3模糊控制規則

模糊推理要根據現場操作人員的經驗進行分析。通過深入研究Kp、Ki和Kd參數的不同作用，又由模糊語言集得到49條模糊規則[7]，部分規則如下：

if(e is NB)and(ec is NB)then(Kp is PB)(Ki is PS)(Kd is PD)

if(e is NB)and(ec is NM)then(Kp is PB)(Ki is PS)(Kd is PM)

if(e is NB)and(ec is NS)then(Kp is PM)(Ki is ZO)(Kd is PM)

if(e is NB)and(ec is ZO)then(Kp is PM)(Ki is ZO)(Kd is PS)

if(e is NB)and(ec is PS)then(Kp is PS)(Ki is ZO)(Kd is PS)

if(e is NB)and(ec is PM)then(Kp is PS)(Ki is ZO)(Kd is PS)

?

4.2 副環PID控制器

副環采用常規數字PID控制器，由于增量式PID在短時間內存在偏差時會引起長時間振蕩，故采用改進的積分分離式PID控制器，能夠有效抑制超調。副環積分分離式PID仿真結構如圖5所示。

圖5 副環積分分離式PID仿真結構

4.3 系統仿真

系統自適應模糊PID串級控制的仿真結構如圖6所示。

圖6 模糊自適應PID串級控制仿真結構

在系統趨于穩定后對系統組分加入干擾，3種系統相應的控制效果對比如圖7所示。

圖7 3種控制方式的仿真曲線對比

對比3條控制曲線可以發現，采用自適應模糊PID串級控制器，系統的穩定性得到一定的改進，超調量也有較大的改善[8]。

4.4 組態王實現

模糊PID算法采用組態王腳本實現。組態王界面友好、操作簡易，在保證可靠性的基礎上，實現了聚酯生產過程的穩定和安全運行。而且，基于組態王軟件的特性，該系統同時具有便于更改、擴充及升級等優勢。

本系統在某聚酯生產企業投入運行后，產品的樹脂粘度穩定性提高了20%，樹脂顆粒不溶物減少，樹脂流動性與色澤均有明顯提升。其組態王工藝控制界面如圖8所示。

圖8 組態王現場監控界面

5 結束語

在對比了普通PID控制、串級PID控制和自適應模糊PID控制器的實時控制曲線后，明顯觀察到自適應模糊PID控制器提高了系統的控制精度，增強了系統的在線自適應能力。在對某企業聚酯生產工藝和溫度控制算法研究的基礎上，將模糊PID串級控制系統運用到某企業聚酯生產過程的自動控制中，系統實際投產后運行穩定，產品精度和質量都有所提高，具有推廣應用價值。

[1] 王偉,葉真,李瑞杰.在線參數自整定模糊PID控制器的設計與仿真[J].安徽師范大學學報(自然科學版),2013,36(2):133～136.

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