聚酯生產(chǎn)工藝分析與智能控制實(shí)現(xiàn)

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(dāng)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(yīng)用于塑料、紡織等領(lǐng)域。隨著市場經(jīng)濟(jì)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(zhì)量的關(guān)鍵。但是，從當(dāng)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(chǔ)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(zhì)量。

1 聚酯生產(chǎn)工藝分析

1.1 聚酯反應(yīng)機(jī)理

聚酯主要是由多元醇和多元羧酸發(fā)生縮聚反應(yīng)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(yīng)后在進(jìn)行縮聚反應(yīng)，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(jìn)行反應(yīng)。直接酯化縮聚法是利用高純度多苯二甲酸和乙二醇反應(yīng)后進(jìn)行縮聚反應(yīng)，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(yīng)，該方法廣泛應(yīng)用于聚酯的生產(chǎn)，但是，生產(chǎn)需要在高溫高壓下進(jìn)行，對設(shè)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(yīng)釜和3臺縮聚反應(yīng)釜串聯(lián)組成。酯化反應(yīng)是由2臺酯化反應(yīng)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(yīng)。然后，將酯化后產(chǎn)物轉(zhuǎn)入縮聚反應(yīng)釜，在這里除去乙二醇后，進(jìn)行縮聚反應(yīng)和后縮聚反應(yīng)，生成聚合物。將具有黏度的聚合物移送到紡絲機(jī)。從整個(gè)工藝來看，連續(xù)生產(chǎn)工藝的過程包括酯化反應(yīng)、酯化縮聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。

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(yīng)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(yīng)的關(guān)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(zhì)量。（2）溫度因素，溫度是表征酯化反應(yīng)的間接質(zhì)量指標(biāo)，在生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程的溫度，從而保證生產(chǎn)效率；不同反應(yīng)釜對溫度的要求不同，需要根據(jù)生產(chǎn)需求，嚴(yán)格控制反應(yīng)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(shí)間是影響酯化率的關(guān)鍵，連續(xù)酯化反應(yīng)中，需要對原料、催化劑等用量進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)，要求在不同反應(yīng)釜中控制不同物質(zhì)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(shí)間等進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而將動力黏度控制在一定范圍內(nèi)，以便控制最終的產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)和縮聚反應(yīng)。從該工廠的運(yùn)行情況來看，主要是由TDC3000集散控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(yīng)釜和縮聚釜的過程進(jìn)行控制，在帶有攪拌器內(nèi)的反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)置單回路PID，對后縮聚釜進(jìn)行控制。對于后縮聚釜反應(yīng)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(yán)重。選擇單回路PID控制，能夠?qū)罂s聚釜反應(yīng)器內(nèi)黏度進(jìn)行控制，通過緩慢旋轉(zhuǎn)以攪拌和增大聚乙二醇蒸發(fā)表面積，使反應(yīng)釜內(nèi)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(zhǔn)控制相關(guān)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?qū)B續(xù)聚酯生產(chǎn)工藝進(jìn)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(shí)現(xiàn)智能控制，從控制規(guī)則來看，無法滿足實(shí)時(shí)性要求，控制手段單一，精準(zhǔn)度不高，無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

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

（3）沒有引入學(xué)習(xí)機(jī)制，傳統(tǒng)PID控制缺乏自主學(xué)習(xí)機(jī)制，無法對反應(yīng)裝置的故障進(jìn)行診斷，串級控制的實(shí)施難度較大，因此，控制系統(tǒng)無法對生產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)和動態(tài)修改，從而影響控制效果。工廠內(nèi)將終釜的真空度作為調(diào)節(jié)手段，根據(jù)黏度變化以及真空回路的調(diào)整，從而對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)推理的智能控制系統(tǒng)，有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測聚酯黏度，從而對黏度進(jìn)行有效控制。現(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(shè)計(jì)，從而實(shí)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(fù)雜多變，工藝參數(shù)較多，要求控制界面能夠直觀反映每個(gè)反應(yīng)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(bào)警的功能。選擇模糊PID控制功能掌握聚酯生產(chǎn)情況，及時(shí)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(gòu)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(luò)控制技術(shù)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)主要由檢測機(jī)構(gòu)、性能評價(jià)機(jī)構(gòu)、小波變換處理模塊、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)構(gòu)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(zhǔn)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(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和給定參數(shù)進(jìn)行對比，輸入時(shí)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(luò)控制器是系統(tǒng)的核心模塊，該模塊具有自主學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)κ占酿ざ葦?shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對工藝過程進(jìn)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(jìn)行控制。

3.3 模糊PID的PLC實(shí)現(xiàn)

為了解決傳統(tǒng)PID控制精度不高、自適應(yīng)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(zhǔn)控制能力，也具有較高的靈活實(shí)用性，可用于多種反應(yīng)釜的控制。在連續(xù)聚酯反應(yīng)過程中，利用模糊PID，能夠適應(yīng)控制對象的變化，并且利用自調(diào)整功能，適應(yīng)相關(guān)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(jìn)行控制，夾套溫度控制系統(tǒng)為副環(huán)，選擇常規(guī)PID進(jìn)行控制。在連續(xù)聚酯生產(chǎn)過程中，利用溫度控制調(diào)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(shí)調(diào)整調(diào)節(jié)閥，從而快速消除擾動，確保反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)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(yīng)過程中，模糊PID準(zhǔn)確讀到物料信息，控制影響圈，從而控制系統(tǒng)泵的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動。

4 聚酯控制系統(tǒng)界面與應(yīng)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(jī)界面開展控制，具體的界面設(shè)計(jì)如下：

（2）聚酯生產(chǎn)工藝界面，聚酯生產(chǎn)工藝界面能夠準(zhǔn)確反映生產(chǎn)情況，其中電機(jī)扇葉可以顯示電機(jī)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)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(guān)數(shù)據(jù)；在下料完成后，收集物料、時(shí)間等信息，從而自動更新相關(guān)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(yīng)用分析

將控制系統(tǒng)投入運(yùn)行生產(chǎn)，對生產(chǎn)進(jìn)行控制。控制數(shù)據(jù)顯示，利用模糊PID控制系統(tǒng)，能夠進(jìn)行有效控制，主環(huán)和副環(huán)控制器都能夠進(jìn)行有效控制。在干擾的情況下，也能夠進(jìn)行有效控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和超調(diào)量得到明顯改善。控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行后，產(chǎn)品的樹脂黏度穩(wěn)定性提升20%，其流動性增強(qiáng)，聚酯色澤提升，顆粒不溶物減少，產(chǎn)品質(zhì)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(shí)踐，研究表明該控制系統(tǒng)可以對聚酯生產(chǎn)過程進(jìn)行有效控制。該控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于：

（1）知識庫體系，控制系統(tǒng)在控制專家經(jīng)驗(yàn)和操作專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)的知識庫體系，為數(shù)據(jù)識別的數(shù)據(jù)對比提供標(biāo)準(zhǔn)。

（2）實(shí)時(shí)在線控制，利用控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)情況，對聚酯黏度、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(nèi)。

（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(jìn)行推理，在提供異常預(yù)警的同時(shí)，為后續(xù)的異常處理提供依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，聚酯生產(chǎn)工藝需要嚴(yán)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(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)，能夠提升系統(tǒng)控制精確度，并且增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)力。本文對某工廠的連續(xù)聚酯生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，選擇基于模糊PID的PLC控制系統(tǒng)，能夠?qū)ιa(chǎn)工藝進(jìn)行有效控制，而且投入生產(chǎn)后，生產(chǎn)過程精度和質(zhì)量都有所提升，具備推廣價(jià)值。