聚酯生产工艺分析与智能控制实现

王伟

（浙江荣通化纤新材料有限公司，浙江 杭州 311200）

聚合物在当前石化工业中发挥着重要的作用，聚酯（PET）具有优良的特征，可广泛应用于塑料、纺织等领域。随着市场经济的发展，对聚酯的生产工艺提出了更高的要求，生产工艺控制方式是影响生产质量的关键。但是，从当前的聚酯生产工艺控制来看，连聚酯生产工艺控制不佳，而且控制软件落后，工艺耗能较大，影响了生产自动化水平。本文在对聚酯连续生产工艺研究的基础上，分析影响聚酯生产工艺的因素，从而建立起一种能够有效控制生产过程的控制方式，以便更好地开展工艺控制，保证生产质量。

1 聚酯生产工艺分析

1.1 聚酯反应机理

聚酯主要是由多元醇和多元羧酸发生缩聚反应而产生的聚合物，属于高分子化合物。工业生产中常见的聚酯生产包括环氧乙烷发、直接酯化缩聚法和酯交换缩聚法。环氧乙烷发是利用环氧乙烷和对苯二甲酸反应后在进行缩聚反应，从而生成PET，该方法生产利用率高，但是，对生产条件要求较高，需要在高温高压下进行反应。直接酯化缩聚法是利用高纯度多苯二甲酸和乙二醇反应后进行缩聚反应，从而生成聚酯，该方法有利于原料回收，但是，对原料对苯二甲酸的纯度要求较高，原料成本较大。酯交换缩聚法是利用乙二醇和对苯二甲酸二甲酯发生酯化反应，该方法广泛应用于聚酯的生产，但是，生产需要在高温高压下进行，对设备的要求较高。

1.2 生产公益

某工厂的聚酯生产工艺是连续聚酯装置，所用的方法是酯交换缩聚法，通过对苯二甲酸二甲酯和乙二醇在催化剂作用下经过酯化以及与缩聚生成聚酯。聚酯连续生产工艺采用的是五釜流程，由2台酯交换反应釜和3台缩聚反应釜串联组成。酯化反应是由2台酯化反应釜串联而成在第一酯化釜中，原料乙二醇和对苯二甲酸二甲酯的混合浆料从底部入釜，在260℃和250kPa的条件选发生酯化反应。然后，将酯化后产物转入缩聚反应釜，在这里除去乙二醇后，进行缩聚反应和后缩聚反应，生成聚合物。将具有黏度的聚合物移送到纺丝机。从整个工艺来看，连续生产工艺的过程包括酯化反应、酯化缩聚反应和缩聚反应。

1.3 生产工艺影响因素

从连续聚PET生产来看，连续聚酯反应必须具有高真空度，温度以及酯化率对生产工艺具有影响，具体的影响如下：（1）真空度的影响，高真空度是连续聚酯反应的关键，对于生产而言，真空度具有决定性的影响，生产过程必须具备高真空度，才能确保动力黏度处于稳定的状态，提升产品质量。（2）温度因素，温度是表征酯化反应的间接质量指标，在生产过程中，需要严格控制生产过程的温度，从而保证生产效率；不同反应釜对温度的要求不同，需要根据生产需求，严格控制反应釜的生产温度。（3）酯化率，原料摩尔比、催化剂含量和聚合物滞留时间是影响酯化率的关键，连续酯化反应中，需要对原料、催化剂等用量进行严格控制，同时，要求在不同反应釜中控制不同物质的含量。在连续生产过程中，对温度、高真空度、物料摩尔比、滞留时间等进行严格控制，从而将动力黏度控制在一定范围内，以便控制最终的产品质量。

2 传统控制方案

连续聚酯生产工艺的主要流程包括酯化缩聚反应和缩聚反应。从该工厂的运行情况来看，主要是由TDC3000集散控制系统进行连续控制、梯形逻辑控制和顺序控制，并且选择单回路PID控制和PID串级控制实现连续控制。

2.1 单回路PID控制和PID串级控制

选择PID对反应釜和缩聚釜的过程进行控制，在带有搅拌器内的反应釜内设置单回路PID，对后缩聚釜进行控制。对于后缩聚釜反应而言，控制聚酯黏度、保证中间产物的流动性，对于工艺具有重要的影响。但是，连续聚酯生产供给相对福大，而且非线性严重。选择单回路PID控制，能够对后缩聚釜反应器内黏度进行控制，通过缓慢旋转以搅拌和增大聚乙二醇蒸发表面积，使反应釜内黏度满足要求。选择PID串级控制，能够克服回路扰动迅速等问题，而且能够精准控制相关变量，从而解决单回路PID控制中存在的问题。

2.2 传统控制方案分析

传统控制方案能够对连续聚酯生产工艺进行控制，但是依然存在着一些问题。

（1）传统PID系统的参数固定，无法实现智能控制，从控制规则来看，无法满足实时性要求，控制手段单一，精准度不高，无法实现优化控制。

（2）PID控制具有滞后性，在实际生产过程中，反应釜内会由于各种因素影响，出现虚假突跳等情况，导致黏度确信啊发生变化，而PID的参数固定，无法实现精确控制，导致控制偏差变化率大，容易造成误操作，影响产物质量。

（3）没有引入学习机制，传统PID控制缺乏自主学习机制，无法对反应装置的故障进行诊断，串级控制的实施难度较大，因此，控制系统无法对生产工艺进行实时维护和动态修改，从而影响控制效果。工厂内将终釜的真空度作为调节手段，根据黏度变化以及真空回路的调整，从而对生产工艺过程进行控制。该方法可以起到一定控制的作用，但是方法具有滞后性，而且不能实现实时控制。

在川酒东进、鲁酒南下、皖酒崛起、洋酒入关的形势下，在各路白酒的前后夹击的背景下，他将一个刚从濒临倒闭困境中走出来的地方白酒企业，建设成为全国白酒业十强品牌“今世缘”。

3 聚酯生产工艺智能控制

针对传统聚酯生产工艺控制的不足，将智能控制引入控制系统中，创建基于实时推理的智能控制系统，有助于实时监测聚酯黏度，从而对黏度进行有效控制。现将智能控制系统介绍如下。利用工控软件编写PLC控制程序，开发监控设计，从而实现对温度、真空度、黏度等因素的控制。连续聚酯生产过程复杂多变，工艺参数较多，要求控制界面能够直观反映每个反应釜的温度、真空度、黏度等因素，而且具有数据归档和故障报警的功能。选择模糊PID控制功能掌握聚酯生产情况，及时了解故障情况，从而确保聚酯生产高效安全。

3.1 控制系统构成

针对连续聚酯生产的动力黏度控制问题，引入小波变换分析以及模糊神经网络控制技术进行控制。控制系统主要由检测机构、性能评价机构、小波变换处理模块、模糊神经网络控制器等模块组成。

3.2 控制系统工作原理

控制系统主要是由检测机构采集聚酯生产工艺过程，收集其中的温度、真空度、黏度等工艺参数，利用小波变换模块识别工艺参数的变化，尤其是注意黏度信息的变化，为了保证工艺参数测量准确，利用小波变换模块排除现场噪声干扰，从而了解其异常情况。收集年度数据后，对比实时监测数据和给定参数进行对比，输入时序数据窗，为后续的黏度变化研究提供参数依据。模糊神经网络控制器是系统的核心模块，该模块具有自主学习能力，能够对收集的黏度数据进行分析，从而对工艺过程进行推理，分析聚酯生产工艺状况，并且给出控制值，以便对生产工艺进行控制。

3.3 模糊PID的PLC实现

为了解决传统PID控制精度不高、自适应力较弱等问题，选择带有模糊逻辑的PID控制器。模糊逻辑PID具备精准控制能力，也具有较高的灵活实用性，可用于多种反应釜的控制。在连续聚酯反应过程中，利用模糊PID，能够适应控制对象的变化，并且利用自调整功能，适应相关参数。模糊PID控制框图如图1所示。

图1 模糊PID控制框图

为了保证系统稳定性，选择测量变送和控制系统，釜温控制系统为主控制器，利用模糊PID进行控制，夹套温度控制系统为副环，选择常规PID进行控制。在连续聚酯生产过程中，利用温度控制调节阀。如果副环中出现温度扰动，可以利用模糊PID控制回路，及时调整调节阀，从而快速消除扰动，确保反应稳定进行。除了温度控制外，可以利用模糊PID控制器控制开泵，在反应过程中，模糊PID准确读到物料信息，控制影响圈，从而控制系统泵的开关，实现泵阀联动。

4 聚酯控制系统界面与应用

4.1 控制系统界面

连续聚酯生产需要通过界面了解工艺参数，并且利用人机界面开展控制，具体的界面设计如下：

（2）聚酯生产工艺界面，聚酯生产工艺界面能够准确反映生产情况，其中电机扇叶可以显示电机的状态和转速等情况，可以判断下料情况。

（3）聚酯生产归档界面，连续聚酯生产需要不定期加入原料和溶剂，传统生产过程选择纸笔记录，效率低下，可能造成数据丢失，利用生产归档界面，能够自动记录相关数据；在下料完成后，收集物料、时间等信息，从而自动更新相关数据；为数据的存档和利用提供数据支持。

4.2 控制系统应用分析

将控制系统投入运行生产，对生产进行控制。控制数据显示，利用模糊PID控制系统，能够进行有效控制，主环和副环控制器都能够进行有效控制。在干扰的情况下，也能够进行有效控制，系统的稳定性和超调量得到明显改善。控制系统投入生产运行后，产品的树脂黏度稳定性提升20%，其流动性增强，聚酯色泽提升，颗粒不溶物减少，产品质量明显提升。

4.3 控制系统分析

通过将智能控制系统投入生产实践，研究表明该控制系统可以对聚酯生产过程进行有效控制。该控制系统的主要特点在于：

（1）知识库体系，控制系统在控制专家经验和操作专家经验的基础上，创建结合专家经验的知识库体系，为数据识别的数据对比提供标准。

（2）实时在线控制，利用控制系统，可以实时监控生产情况，对聚酯黏度、温度等参数进行实时监控与控制，从而控制温度、真空度以及聚酯动力黏度在允许范围内。

（3）异常识别，系统的异常识别模块能够识别生产工艺参数的异常变化，并且对异常情况进行推理，在提供异常预警的同时，为后续的异常处理提供依据。

5 结语

综上所述，聚酯生产工艺需要严格的控制，智能控制系统是聚酯生产工艺控制的发展趋势。相比普通PID控制，自适应模糊PID控制系统，能够提升系统控制精确度，并且增强系统的自适应力。本文对某工厂的连续聚酯生产工艺控制系统进行研究，选择基于模糊PID的PLC控制系统，能够对生产工艺进行有效控制，而且投入生产后，生产过程精度和质量都有所提升，具备推广价值。