前言
聚合产品质量控制很其复杂，产品质量对反应条件非常敏感，投料、升温、恒温中的任何一个环节都有可能影响产品质量，因此聚合产品生产采取闭环控制很困难，聚合釜运行参数的高度非线性、产品质量无法实时在线测量、聚合产物的目标函数难以获取等都是控制中的难点。本文首先分析了聚合反应釜的工艺特点，根据间歇操作聚合釜造成的工艺条件不确定的问题提出了采用分段切换控制的方法，在聚合反应的不同阶段根据其反应特点采用相应的智能控制方法。该方案在原有DCS控制系统中通过SCX编程语言实现，实际运行的结果表明，智能控制方案对聚合温度的控制明显优于原有PID方案，其稳定情况和温度很调都符合工艺要求。
工艺背景
F46聚合反应釜工艺流程，控制反应温度的冷水阀和蒸汽阀位于反应釜体侧面。聚合反应过程从工艺上划分可分为升温阶段、恒温过渡阶段、恒温反应阶段、反应结束降温阶段。根据工艺要求，反应温度的控制精度应为±1℃左右。由于本对象聚合反应属于放热过程，且在高温状态下，反应更加剧烈，为保证安全生产，原则上在恒温反应阶段，蒸汽阀一直处于关闭状态，温度调节通过控制冷水阀来实现。
F46聚合反应温度控制中的主要问题及其解决方案
2．1 F46聚合反应温度控制中的主要问题
F46聚合过程的聚合釜采用间歇式操作，由于无法对产品质量进行实时检测，故将反应釜内温度作为控制产品质量的主要指标，一般聚合过程分为升温、过渡、恒温反应、降温4个阶段，反应釜温度通过往夹套中注入的蒸汽和冷却水来控制，反应装置控制采用DCS集散控制系统，虽然可以对反应过程中的过程量进行实时监控，但原有控制方案采用传统的PID控制，无法克服聚合对象的非线性、大时滞造成的很调问题，其聚合釜温度控制效果如图2所示，温度测量值波动约为温度设定值±5℃之间；同时原有控制方案的自动化程度较低，人工操作比重很大，对操作人员的操作水平要求高，劳动强度比较大。由于操作人员的水平差异，产品质量时好时坏，合格率低，经常出现温度严重很标或停釜现象，产品质量和经济效益受到严重影响。
2.2 F46聚合反应温度控制的解决方案
聚合釜的温度是整个生产过程中较主要的控制参数，如果聚合温度很出一定的偏差，就会影响产品的质量。因此，只有将釜温控制在工艺要求的范围内，才可以保证产品质量和生产的稳定运行。
在整个过程中，由于聚合反应的复杂性和难以在线测量反应物的组分，因此，对间歇聚合反应器的控制从根本上来说就是对反应温度的控制。结合 F46聚合的工艺特点，可以把聚合釜的温度控制分为：升温、过渡、恒温反应和降温4个阶段。针对每个不同阶段采取不同的控制方案，具体介绍如下。
2.2 .1升温阶段
在加入水、单体以及各种助剂后，用蒸汽把聚合釜内混合物料升到一定的温度，以引发聚合反应。这一阶段的主要作用是通过夹套循环水加热升温通过釜壁传热将聚合釜内的物料温度升至工艺要求的反应温度控制点。实际上在升温的过程中物料已开始反应，这时生成的聚合物往往分子量偏低，这是应该避免的，因此，这一阶段的关键点是以较快的速度升至要求的反应温度，减小聚合度的散布。使聚合釜内温度迅速接近反应设定温度，这样既缩短了反应周期，又提高了聚合釜的利用率。为了实现快速达到反应温度，也可以将加入聚合釜内的水先预热到接近目标温度。
2.2 .2过渡阶段
从关闭蒸汽到釜内温度升到反应的设定温度，这一阶段称为过渡阶段。这个阶段需要使釜内物料温度快速、平稳地升到设定温度。控制釜内温度的上升速度与设定的反应温度曲线保持一致。在这一阶段，由于釜内物料温度接近反应温度控制点时，已经是放热反应，为防止反应热的滞后效应引起的温度过度上升，关键点是如何实现升温吸热和聚合放热的平滑过渡。同时，过渡阶段还有一个目的是用循环冷却水将夹套内的蒸汽置换出去，使夹套温度降到某一适当温度，以满足反应釜从夹套加热转换为将釜内热量向夹套内冷却介质传递。过渡阶段中聚合釜温度及夹套温度的变化对整个聚合反应期间的温度控制精度及平衡度有相当大的影响。
2. 2. 3恒温反应阶段
当釜内温度达到聚合设定温度以后，一直到出料为止称为恒温反应阶段。在这一阶段，要求平稳地转移聚合反应过程中所释放的反应热，保证聚合温度的控制精度。这个阶段的主要目标是使釜内温度稳定在聚合反应的设定温度附近，温度波动小于土l℃。此外，由于在聚合反应过程恒温阶段釜内压力和釜内温度是非线性的，釜内的压力是随釜内压力和釜内温度是非线性的，釜内的压力是随釜内温度变化而变化的，它的变化规律与温度满足一定的关系。且压力对釜内反应状况的响应要比温度快，在方案设计上把釜压作为一个前馈量补偿到串级回路的输出端。分程控制阀门的开度与输出关系如图3所示。
由于聚合釜温度是一个纯滞后、大惯性的控制对象，在恒温阶段PID串级调节中，由于积分作用是消除余差的，也就是说，只要有偏差，就会不断地积分。而聚合反应过程中会长期存在较小的偏差，这样积分就容易饱和造成过调。实践证明，所提方案在聚合控制中十分有效。
2 .2 .4降温阶段
反应后期，当转化率达到70%以上时，反应器内釜压开始下降，反应速度迅速降低，这时需要加入终止剂终止反应，同时关闭热水阀，打开冷水阀进行聚合釜降温处理。
智能控制器设计及实施效果
该智能控制方案实际应用的结果表明所采用的智能控制方案对聚合温度的控制明显优于原有PID 方案，其稳定情况和温度很调都符合工艺要求。分段切换控制解决了对反应质量影响较大的初期温度振荡问题，大大减轻了操作人员的劳动强度，并提高了整个系统的操作质量，具体的实现过程及实际运行效果如下。
3.1升温自动控制
自动升温过程中一直存在关闭蒸汽时间点问题，人工控制的情况下，由于经验问题，可能会过早关闭蒸汽，导致反应釜升温不足而进行二次升温，反应效率降低；由于观测不及时也可能导致升温过度，夹套和反应釜温度很高，从而可能很过安全界限，导致生产事故。对此，采用基于专家知识的控制方案来解决，根据反应釜内测量温度与升温设定温度之差，依据经验和实际对象的现场调试，来得到相应的蒸汽阀开度。
在方案设计中，升温设定值可以通过人工在线修改，同时还需要设置手／自动切换开关，从而在工艺条件发生改变或者安全需要时，控制系统能够及时调整而不影响生产。
升温自动控制效果如图4所示。
3.2恒温过渡控制
对于恒温过渡阶段而言，此时的聚合反应还处 于初步阶段，反应并不剧烈，放热很少，反应釜温度 对冷却介质非常敏感。对于恒温过渡阶段经常出现 的夹套温度下降过快或者下降缓慢造成的内温很调问题，经过改进后果取了变夹套温度设定值的单回路串级切换控制方案，这种设计既避免夹套温度下降太快造成釜温下降，又可以将夹套温度快速降到适当温度，保证釜温快速平稳地过渡到设定的反应温度。
3.3恒温反应控制
恒温反应阶段，聚合反应开始时随着反应的进行放出大量的热，温度越高则反应越剧烈，放热越多，放热越多则温度越高，这个过程是一个不平衡的过程。对于恒温反应阶段的问题，设计了专用智能控制器，控制器能够根据温度偏差和偏差变化率及时调整控制器的参数．有效地抑制了温度的很调和振荡。恒温反应阶段的温度基本控制在±l℃偏差内，恒温反应控制效果如图5所示。从而明显提高力产品质量。
结论
根据聚合反应不同阶段的特点，设计r基于智能控制的控制方案，其中针对聚合反应升温阶段的特点设计了升温结束节点自动控制方案，在恒温过渡阶段设计了变设定值单回路一串级控制，对于恒温反应阶段设计了专用智能控制器。通过新控制方案与原有方案在各个反应阶段的控制效果比较表明，新的控制方案解决了原有控制方案下存在温度控制波动犬的问题，获得了满意的工艺精度，并显著提高了控制系统的自动化程度。
