第1章間歇過程概述
目前被業(yè)界廣泛認(rèn)可的間歇生產(chǎn)是指在有限的時(shí)間內(nèi)、按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的工序流程將原材料加工生產(chǎn)成符合質(zhì)量要求的一個(gè)（或一批）產(chǎn)品，并通過過程重復(fù)獲得更多同種產(chǎn)品的加工過程。作為現(xiàn)代制造業(yè)中一種重要的生產(chǎn)方式，間歇工業(yè)過程與現(xiàn)代人的生活息息相關(guān)，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、生物制藥、食品、聚合物反應(yīng)、金屬加工等領(lǐng)域，具有舉足輕重的地位和作用。間歇過程生產(chǎn)的安全可靠運(yùn)行以及產(chǎn)品的高質(zhì)量追求已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本章將對(duì)間歇過程生產(chǎn)方式進(jìn)行重點(diǎn)介紹，分析其潛在過程特性，探討其中隱含的科學(xué)問題。1.1引言
按生產(chǎn)的連續(xù)程度劃分，連續(xù)生產(chǎn)與間歇生產(chǎn)是制造業(yè)的兩種重要生產(chǎn)類型。上道工序生產(chǎn)出一單位的中間品即向下轉(zhuǎn)移的生產(chǎn)方式，稱為連續(xù)生產(chǎn)［1］，在制造業(yè)中稱為流水作業(yè)，而在化工生產(chǎn)中稱為連續(xù)生產(chǎn)。在連續(xù)生產(chǎn)類型中，單一產(chǎn)品的生產(chǎn)永不停止，機(jī)器設(shè)備一直運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般是企業(yè)內(nèi)部其他工廠的原材料。產(chǎn)品基本沒有客戶化。此類產(chǎn)品主要有石化產(chǎn)品、鋼鐵、初始紙制品。連續(xù)生產(chǎn)可以大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，但一旦其中一道工序出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)流程的停產(chǎn)。與之不同的是，間歇生產(chǎn)中出現(xiàn)某一工序故障情況時(shí)，對(duì)整個(gè)流程的影響有一定彈性。20世紀(jì)90年代以來，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化和信息化發(fā)展要求，小批量、定制化的間歇過程現(xiàn)已成為現(xiàn)代制造業(yè)中一種重要的生產(chǎn)方式。目前被業(yè)界廣泛認(rèn)可的間歇生產(chǎn)過程是指在有限的時(shí)間內(nèi)、按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的工序流程將原材料加工生產(chǎn)成符合質(zhì)量要求的一個(gè)（或一批）產(chǎn)品，并通過過程重復(fù)獲得更多同種產(chǎn)品的加工過程。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和生產(chǎn)工具的演進(jìn)，制造業(yè)中的兩種主要生產(chǎn)方式也一直在發(fā)生演變。19世紀(jì)30年代以前，生產(chǎn)方式以手工小批量生產(chǎn)為主。1830年隨著大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的興起，自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)占主導(dǎo)地位。這種生產(chǎn)方式以機(jī)械化、裝配流水線的生產(chǎn)過程大規(guī)模地制造標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。隨著大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品市場趨于飽和，生產(chǎn)者面臨的是消費(fèi)者日益挑剔的、不斷變化的需求市場。為了滿足消費(fèi)者多樣化、個(gè)性化、高品質(zhì)的市場需求，從20世紀(jì)70年代中期起，全球的生產(chǎn)組織開始發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)為小批量生產(chǎn)多樣化、高質(zhì)量的產(chǎn)品，通過有效地控制和協(xié)調(diào)減少對(duì)時(shí)間和資源的浪費(fèi)。間歇過程作為制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式之一，與現(xiàn)代人的生活息息相關(guān)，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、生物制藥、食品、聚合物反應(yīng)、金屬加工等領(lǐng)域。如圖1-1所示，目前，間歇過程在制造業(yè)生產(chǎn)中占了很大的比例。例如，在醫(yī)藥生產(chǎn)中占了高達(dá)80%的比例。近年來，現(xiàn)代社會(huì)瞬息萬變的市場對(duì)多品種、多規(guī)格和高質(zhì)量產(chǎn)品提出了更迫切的需求，使得現(xiàn)代過程工業(yè)更加倚重于生產(chǎn)小批量、高附加值產(chǎn)品的間歇過程。如圖1��2所示，對(duì)間歇過程在各領(lǐng)域中未來發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)計(jì)到2015年，間歇生產(chǎn)過程在精細(xì)化工領(lǐng)域中的產(chǎn)值將達(dá)到1��6萬億元，在醫(yī)藥領(lǐng)域的產(chǎn)品產(chǎn)值將達(dá)到世界第一或第二。圖1-1間歇過程在制造業(yè)生產(chǎn)中的地位
圖1-2間歇過程在各領(lǐng)域中未來發(fā)展前景預(yù)測
《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》指出，必須積極發(fā)展形成高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新型制造工藝。間歇過程作為制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式之一，其高效運(yùn)行是推進(jìn)制造業(yè)整體實(shí)力、維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先主題。在追求個(gè)性、多變的現(xiàn)代社會(huì)，市場競爭日趨激烈，新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到供貨的時(shí)間越來越短，這對(duì)生產(chǎn)過程的高效性提出了很高的要求。高效，即生產(chǎn)要在更短的時(shí)間內(nèi)消耗更少的資源更好地完成。生產(chǎn)過程的高效運(yùn)行與其自動(dòng)化程度密不可分。自動(dòng)控制技術(shù)是保證生產(chǎn)過程高效運(yùn)行的基本手段。間歇過程控制的研究起步較晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于連續(xù)過程控制。目前，大多間歇生產(chǎn)過程都直接借用連續(xù)過程的成熟控制方法，并沒有較好地分析和利用間歇過程自身的特性，因此無法保證高性能控制，其運(yùn)行效率也較低。相比于連續(xù)過程，間歇過程具有多階段、重復(fù)運(yùn)行、產(chǎn)品變化頻繁等特性，為保證間歇生產(chǎn)能夠快速、精準(zhǔn)、高效的運(yùn)行，有必要緊緊圍繞這些過程特性進(jìn)行針對(duì)性的自動(dòng)控制技術(shù)研究，從而用于保障生產(chǎn)過程的安全可靠運(yùn)行以及獲得連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，間歇過程建模、在線監(jiān)測、故障診斷及質(zhì)量控制已成為科研人員一個(gè)迫切且必要的研究課題。一系列完善可行的間歇過程建模、監(jiān)測、診斷和質(zhì)量改進(jìn)算法必將推動(dòng)整個(gè)間歇工業(yè)過程的長足進(jìn)步和繁榮發(fā)展，為社會(huì)提供高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，還可排除安全隱患、保障生命和財(cái)產(chǎn)安全、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，提供更加重要的無形的社會(huì)財(cái)富。1.2間歇過程特性間歇生產(chǎn)過程的生產(chǎn)環(huán)境及其動(dòng)態(tài)特性與連續(xù)過程有明顯的區(qū)別，頻繁地改變生產(chǎn)的產(chǎn)品和工藝操作條件是間歇生產(chǎn)過程的正常活動(dòng)方式［2］。連續(xù)過程中原料連續(xù)地加入，產(chǎn)品連續(xù)地輸出，物料流是連續(xù)的；間歇過程一般先將原料以離散的批量方式加入，而后生產(chǎn)過程中按預(yù)先設(shè)定的軌跡或方案對(duì)相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行控制最終產(chǎn)品成批地輸出。與連續(xù)生產(chǎn)過程通常運(yùn)行在穩(wěn)定工作狀態(tài)下不同，間歇生產(chǎn)過程無穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，往往從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，或者根本沒有穩(wěn)定狀態(tài)，因而可能存在多種狀態(tài)的組合。間歇過程呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、時(shí)變特性，其操作復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)過程，產(chǎn)品質(zhì)量更容易受到如原材料、設(shè)備狀況、環(huán)境條件等不確定性因素的影響。為了提高工業(yè)生產(chǎn)過程與控制系統(tǒng)的可維護(hù)性和安全性，并同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，迫切地需要建立過程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測、故障診斷及質(zhì)量控制。與連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程相比，間歇生產(chǎn)的過程特性更為復(fù)雜。多操作階段是許多間歇過程的一個(gè)固有特征［3��8］。同一批次運(yùn)行周期內(nèi)又分成多個(gè)時(shí)段，過程變量的運(yùn)行軌跡隨著時(shí)間不斷變化，在不同的時(shí)段中呈現(xiàn)出不同的過程相關(guān)特性。例如，注塑過程可以劃分為注射、保壓和冷卻三個(gè)主要的操作階段［9］；發(fā)酵過程按細(xì)菌的生長周期也可大致分為停滯期、指數(shù)生長期、靜止期等階段［10］。顯然，為了獲得理想的產(chǎn)品質(zhì)量，每個(gè)操作階段都有其特定的控制目標(biāo)和控制方案，有不同的主導(dǎo)操作變量，運(yùn)行軌跡具有不同的動(dòng)態(tài)特征。舉例來說，注塑過程是一個(gè)典型的多時(shí)段間歇過程［5，6］。注射段、保壓段和冷卻段是決定制件品質(zhì)的最重要的三個(gè)時(shí)段。在注射段，液壓系統(tǒng)推動(dòng)螺桿將塑料黏流體注入模腔中，直至模腔被流體充滿。過程處于保壓段時(shí)，仍有少量的黏流體被高壓擠進(jìn)模腔中，以補(bǔ)償塑料黏流體在冷卻和塑化時(shí)造成的體積收縮。保壓段一直持續(xù)到模腔的澆口凍結(jié)，過程進(jìn)入冷卻時(shí)段。在冷卻時(shí)段模腔內(nèi)流體固化的同時(shí)，機(jī)桶中的塑料顆粒變成塑料黏流態(tài)。當(dāng)螺桿頭部熔料逐漸增多，達(dá)到一定的注射量后，螺桿停止后退和轉(zhuǎn)動(dòng)，這段時(shí)間的過程狀態(tài)也稱為塑化段。隨著模腔中熔體的繼續(xù)冷卻，塑件完全固化，模具打開，塑件被頂出，從而完成一個(gè)工作循環(huán)。其中，注射與保壓時(shí)段均與注塑產(chǎn)品重量有密切關(guān)系。在注射時(shí)段，影響最終產(chǎn)品重量變動(dòng)的主導(dǎo)變量是注射速度和機(jī)桶溫度。總體看來，機(jī)桶溫度越高，產(chǎn)品重量越低；注射速度上升的越快則熔體注入量越多，產(chǎn)品重量越大。在保壓子時(shí)段，注塑制品重量主要決定于噴嘴壓力、油缸壓力和模腔壓力，壓力越大重量越大；模腔溫度與機(jī)桶溫度兩個(gè)溫度變量也影響制品的重量，溫度越低重量越大。此外，對(duì)注塑制品的濺射質(zhì)量來說，在注射時(shí)段，壓力變量（如噴嘴壓力、油缸壓力）、螺桿行程、注射速度以及機(jī)桶溫度均與其成正相關(guān)關(guān)系，即注射子時(shí)段中注射速度越快、壓力越大、溫度越高的間歇操作越容易出現(xiàn)制品濺射現(xiàn)象。因此，對(duì)多操作階段間歇過程的有效監(jiān)控不僅僅要分析過程的整體運(yùn)行狀況是否正常，更應(yīng)該深入分析過程的每一個(gè)操作階段是否正常，不同操作階段之間的過渡是否正常，以及各操作階段和最終產(chǎn)品質(zhì)量具有什么樣的內(nèi)部關(guān)聯(lián)。1��3間歇過程的數(shù)據(jù)特征間歇過程單個(gè)運(yùn)行周期有限而工作循環(huán)往復(fù)進(jìn)行從而獲得批量產(chǎn)品，這決定了其測量數(shù)據(jù)是按照三維數(shù)據(jù)形式構(gòu)建的，這是與連續(xù)過程最明顯的區(qū)別。考慮一個(gè)具有J個(gè)測量變量的間歇過程，它在一次間歇操作周期內(nèi)，對(duì)每個(gè)過程變量采集K個(gè)測量數(shù)據(jù)。這樣，一次間歇操作的數(shù)據(jù)可以組成一個(gè)二維數(shù)據(jù)陣X(K×J)，即每一行由某個(gè)采樣時(shí)刻的所有過程變量測量值組成，而每一列則是某個(gè)過程變量在一次間歇操作內(nèi)不同采樣時(shí)刻的運(yùn)行軌跡，這也是連續(xù)過程中測量數(shù)據(jù)單元的構(gòu)建形式。假定有I次正常的間歇操作，則得到了I個(gè)二維矩陣Xi(K×J)(i=1，…，I)。如圖1-3所示，所有這些數(shù)據(jù)組成了間歇過程典型的三維數(shù)組表示形式——X(I×J×K)，其三個(gè)維數(shù)分別表示間歇操作周期(i=1，…，I)、過程變量個(gè)數(shù)（j=1，…，J）以及每一次間歇操作中測量點(diǎn)的個(gè)數(shù)（k=1，…，K）。相比之下，間歇過程的產(chǎn)品質(zhì)量通常是在一次間歇操作結(jié)束后離線測定。假定有Jy個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，一次間歇操作得到的質(zhì)量數(shù)據(jù)可以組成一個(gè)列向量y=［y1，y2，…，yJy］T，I次正常批次最后得到了一個(gè)二維的質(zhì)量數(shù)據(jù)陣Y(I×Jy)。因此，間歇過程測量數(shù)據(jù)的典型形式是一個(gè)三維的過程變量數(shù)組X(I×J×K)和一個(gè)二維的質(zhì)量變量矩陣Y(I×Jy)。圖1-3間歇過程的三維數(shù)據(jù)表示
鑒于間歇生產(chǎn)過程本身反應(yīng)的復(fù)雜性，除了測量數(shù)據(jù)單元具有三維結(jié)構(gòu)形式外，變量之間的耦合相關(guān)特性也更為錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)也蘊(yùn)含了內(nèi)容更為豐富的統(tǒng)計(jì)特性與規(guī)律。如何有效發(fā)掘和利用這一座座高維、高度耦合的數(shù)據(jù)信息“金礦”，成為間歇過程監(jiān)測、故障診斷與質(zhì)量控制成功實(shí)施的關(guān)鍵所在。1.4間歇過程的典型例子——注塑成型工藝過程塑料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中的一個(gè)非常重要的行業(yè)。由于塑料的機(jī)械性能和加工性能優(yōu)良，而且具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、電絕緣、性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的關(guān)注，獲得了迅速的發(fā)展，在汽車、家電、儀器儀表、建筑裝飾等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并有以塑代鋼、以塑代木的趨勢［9］。注塑成型是根據(jù)金屬壓鑄成型原理發(fā)展而來的塑料制品的主要加工方法，是一種注射兼模塑的成型方法。注塑成型的優(yōu)點(diǎn)是可以經(jīng)濟(jì)地制造數(shù)量無限多卻只需做少量或完全無需修整的成型件［11］。注塑機(jī)是實(shí)現(xiàn)注塑加工成型的設(shè)備。一臺(tái)通用的注塑機(jī)主要由注射系統(tǒng)、鎖模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。注射系統(tǒng)的主要作用是將料筒里的高分子粒料或粉料經(jīng)塑化后熔融為機(jī)筒前部的高分子熔體，然后在高壓和高速下將熔體注入模腔，并在隨后的保壓階段提供保持壓力，使聚合物繼續(xù)進(jìn)入模腔以填補(bǔ)由于冷卻而造成的收縮。鎖模系統(tǒng)的作用是通過動(dòng)模板做啟閉模運(yùn)動(dòng)從而開啟或鎖緊模具。液壓系統(tǒng)是注塑機(jī)的油路供應(yīng)和循環(huán)系統(tǒng)，為注塑機(jī)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供壓力和速度回路。電氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)注塑機(jī)的各種程序，主要對(duì)注塑機(jī)的各種動(dòng)作，以及注塑過程的各種過程變量進(jìn)行控制，包括時(shí)間、位置、壓力、速度和轉(zhuǎn)速等。圖1-4為一臺(tái)往復(fù)螺桿式注塑機(jī)的簡化結(jié)構(gòu)示意圖及其主要的過程變量測量點(diǎn)［12］。圖1��4往復(fù)螺桿式注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖以及其主要的過程變量測量點(diǎn)
注塑過程是一個(gè)典型的多操作時(shí)段間歇過程。一個(gè)完整的注塑過程主要由閉模、注射座前進(jìn)、注射、保壓、塑化、冷卻、開模、制件頂出等程序組成，而注射時(shí)段、保壓時(shí)段和冷卻時(shí)段是決定制件品質(zhì)的最重要的三個(gè)操作時(shí)段。下面簡單地介紹一下各時(shí)段的過程工藝特性［13］。1） 注射時(shí)段工藝特性在注射段，模具閉合，熔體在壓力的驅(qū)動(dòng)下注入模腔。注射時(shí)間、熔體溫度、流動(dòng)速率是影響最終制品質(zhì)量的重要因素。注射時(shí)間直接影響到注射壓力，注射時(shí)間短，熔體需要以較高的體積流率流入型腔，則注射壓力就大。而當(dāng)注射時(shí)間過長時(shí)，由于熔體在冷模壁的作用下溫度降低，黏度增大，使流動(dòng)阻力變大，則注射壓力又變大。熔體溫度對(duì)最終制品的質(zhì)量特性也有重要的影響，熔體溫度影響著熔體的黏度，決定了熔體的流動(dòng)阻力。溫度低，黏度就高，則熔體流動(dòng)性就差，充模困難。反之，溫度升高會(huì)降低熔體的黏度，使充模容易。充填速率決定著制品充入模腔的速度及速度沿厚度方向的曲線分布。速度曲線對(duì)剪切速率、分子取向有重要的影響，從而影響制品質(zhì)量和性能。2） 保壓時(shí)段工藝特性當(dāng)模具被完全充滿后，螺桿在原位置保持一定的時(shí)間，使得熔體繼續(xù)充入型腔，這個(gè)時(shí)間就稱為保壓時(shí)間，在這個(gè)時(shí)段，額外的熔體注入型腔以彌補(bǔ)冷卻引起的收縮。隨著冷卻的進(jìn)行，尺寸較小的澆口凝固，此時(shí)，模具內(nèi)的熔體仍然保持很