聚酯生产工艺分析与智能控制实现
2015-01-15王华强周筱雅
王华强 周筱雅
(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)
聚酯(PET)即对苯二甲酸乙二酯，是生产涤纶及包装瓶等的重要材料。对某企业的聚酯生产系统进行分析可知，保证相关原料加入时定量有序，反应釜中温度符合规范，是确保产品质量的关键。原生产工艺中，工人劳动强度大、相关精度达不到标准，致使生产效率低、产品质量合格率较低。为此，在对比了闭环PID控制和串级PID控制各自的优缺点之后，提出模糊PID串级控制系统，由PLC采集聚酯生产现场数据，用工业以太网构造通信网络，用组态王平台编程实现人机交互系统，实现聚酯生产的智能化自动控制。
1.1 反应机理
目前，生产聚酯的方法主要有3种：EO法，采用高纯对苯二甲酸(PTA)与环氧乙烷(EO)直接熵化，连续缩聚成聚酯，这种方法易燃易爆，目前已不再使用；DMT法，将对苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)进行酯交换反应，然后缩聚成PET；PTA法，采用PTA或中纯对苯二甲酸(MTA)与EG直接酯化，连续缩聚成PET。由于PTA法较DMT法有更多优点，20世纪中后期新建的聚酯生产装置纷纷转向PTA法，本项目亦采用此法进行研究。
1.2 生产流程
PTA法生产聚酯过程包括酯化阶段和缩聚阶段，由于反应程度不同，可以采用1～3个反应器，本项目采用五釜流程，即第一酯化釜、第二酯化釜、第三酯化釜、预缩聚釜和后缩聚釜。
酯化反应(图1)由3个酯化釜串接而成，原料PTA和EG的混合浆料从第一酯化釜底部进入，酯化温度260～270℃，反应压力从250kPa递减至20kPa，总酯化率达96%～97%。缩聚反应分为预缩聚和后缩聚反应，温度逐渐升高，反应压力逐步下降。缩聚反应中游离的EG从釜顶以气相逸出，经过喷淋冷凝器至丁二醇回收装置。EG的回收包括废EG蒸发、蒸馏塔及精馏塔等过程。
图1 PTA法酯化反应工艺流程
1.3 釜内反应
酯化过程包括酯化反应、酯化缩聚反应和缩聚反应(低聚合度)，具体方程式如下：
在反应初期，反应釜温度可以改变反应常数和PTA在反应物料液相中的溶解度，调节反应。另外，多数过程会伴随水解反应，这也会对温度产生影响。缩聚过程的化学反应方程如下：
在终缩聚阶段，反应温度需进一步提高以保证反应物料的粘度达标，而此过程通常伴有降解反应，使聚合物粘度降低，干扰化学反应的进行。
由此可见，温度是最能表征酯化反应过程质量的间接质量指标，PET的化学反应过程需要严格调控温度。而添加物料的量、速度和反应本身的热效应都会对温度的控制造成影响。
2 传统控制方案
2.1 闭环PID控制
后缩聚釜反应器的设计要满足物体流动近似活塞流的要求，有研究结果表明，采用卧式密圈螺带式搅拌器的反应器最为理想[1]。后缩聚釜是圆盘反应釜，内有12个小室，被电机带动缓慢旋转，用于搅拌和增大残留乙二醇蒸发表面积，使产品达到合格的粘度。简单PID后缩聚控制系统如图2所示，其中T2T为釜温，T2C为釜温控制器，M为电动机。
图2 简单PID后缩聚控制系统
但是，在闭环PID控制方案中，当进料流量或进料组分变化时，反应釜温度会很快受到影响，反馈时间长、反应慢且难以抑制扰动，无法满足生产要求。
2.2 串级PID控制
串级PID克服了回路扰动迅速的问题，具有一定的自适应能力，操控变量精准。解决了闭环PID中出现的问题[2]。但是传统PID控制系统的参数是固定的，一旦环境变化，很难继续有效控制。
3 自适应模糊PID串级控制器
3.1 控制回路设计
为了解决PID串级控制中参数固定而导致的精度不高、自适应能力有限及稳定性不强等问题，设计带有模糊逻辑的PID控制器，将其与自适应能力相结合，使系统既具有模糊控制灵活适应性强的优点，又兼具PID控制精度高的特性，同时自适应能力又使控制器能够适应控制对象的变化[3]。自适应模糊逻辑PID串级控制如图3所示，它实现了自调整功能，减少了扰动对温度的影响。
系统采用两套测量变送和控制器。主控制环为釜温控制系统，采用模糊自适应PID控制器调节。其参数控制见仿真部分。副环为夹套温度控制系统，采用常规数字PID调节。若采用增量式PID控制算法[4]，在开停车或大幅改变设定值时，由于短时间内会产生很大的偏差而引起严重的超调或长时间振荡。
图3 模糊PID串级控制框图
所以，本项目采用改进的积分分离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)]
当e(k)≤A(A为预定阈值)时，Kl=1，即引入积分作用；当e(k)>A时，Kl=0，即取消积分作用。
3.2 控制规律
调节阀根据温度控制。主控制器为反应釜温度控制系统，采用模糊自适应PID控制规律，当副环中有扰动发生，由于副控制回路，调节阀能及时调节，快速消除扰动。例如：当进料物料组分变化导致夹套温度浮动时，反应釜温度还未变化，釜温控制器的输出不变，夹套温度控制器因受到扰动影响，测量值变化，根据偏差，夹套温度控制器改变调节阀开度，使夹套温度稳定；同时，夹套温度的变化也影响反应釜温度，使釜温控制器输出即夹套温度控制器的设定变化，副控制器的设定值和测量值同时变化，加快控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回到设定值。
4 仿真与应用
4.1 主环自适应模糊PID控制器
4.1.1输入变量
变量隶属度函数如图4所示[6]。
4.1.2输出变量
以参数ΔKp、ΔKi和ΔKd作为输出变量，其对应的模糊语言集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp的基本论域为[-20，20]，ΔKi的基本论域为[-0.05，0.05]，ΔKd的基本论域为[-15，15]。参数Kp=5/20=0.25，Ki=5/0.05=100，Kd=5/15=0.33。
参数整定初值Kp=35，Ki=0.1，Kd=20。
4.1.3模糊控制规则
模糊推理要根据现场操作人员的经验进行分析。通过深入研究Kp、Ki和Kd参数的不同作用，又由模糊语言集得到49条模糊规则[7]，部分规则如下：
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 副环PID控制器
副环采用常规数字PID控制器，由于增量式PID在短时间内存在偏差时会引起长时间振荡，故采用改进的积分分离式PID控制器，能够有效抑制超调。副环积分分离式PID仿真结构如图5所示。
图5 副环积分分离式PID仿真结构
4.3 系统仿真
系统自适应模糊PID串级控制的仿真结构如图6所示。
图6 模糊自适应PID串级控制仿真结构
在系统趋于稳定后对系统组分加入干扰，3种系统相应的控制效果对比如图7所示。
图7 3种控制方式的仿真曲线对比
对比3条控制曲线可以发现，采用自适应模糊PID串级控制器，系统的稳定性得到一定的改进，超调量也有较大的改善[8]。
4.4 组态王实现
模糊PID算法采用组态王脚本实现。组态王界面友好、操作简易，在保证可靠性的基础上，实现了聚酯生产过程的稳定和安全运行。而且，基于组态王软件的特性，该系统同时具有便于更改、扩充及升级等优势。
本系统在某聚酯生产企业投入运行后，产品的树脂粘度稳定性提高了20%，树脂颗粒不溶物减少，树脂流动性与色泽均有明显提升。其组态王工艺控制界面如图8所示。
图8 组态王现场监控界面
5 结束语
在对比了普通PID控制、串级PID控制和自适应模糊PID控制器的实时控制曲线后，明显观察到自适应模糊PID控制器提高了系统的控制精度，增强了系统的在线自适应能力。在对某企业聚酯生产工艺和温度控制算法研究的基础上，将模糊PID串级控制系统运用到某企业聚酯生产过程的自动控制中，系统实际投产后运行稳定，产品精度和质量都有所提高，具有推广应用价值。
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