邢兵鎖，芮璋現(xiàn)

（1．安徽銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵244061；2．安徽六國化工股份有限公司，安徽銅陵244061）

典型控制方案在DCS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

邢兵鎖1，芮璋現(xiàn)2

（1．安徽銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵244061；2．安徽六國化工股份有限公司，安徽銅陵244061）

摘要：在化工行業(yè)的DCS系統(tǒng)控制中，常采用不同的過程控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。安徽銅陵六國化工公司年產(chǎn)30萬噸的合成氨項(xiàng)目采用了HONEYWELL EPKS 300系列DCS控制系統(tǒng)。對該系統(tǒng)通常使用的單回路反饋控制、串級控制、分程控制、比值控制等幾種典型的控制方案及其應(yīng)用進(jìn)行了研究和討論。

關(guān)鍵詞：單回路反饋控制；串級控制；分程控制；比值控制；DCS系統(tǒng)

1　前言

近年來，隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，DCS系統(tǒng)常采用不同的過程控制方式，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。安徽銅陵六國化工公司年產(chǎn)30萬噸的合成氨項(xiàng)目采用了HONEYWELL EPKS 300系列DCS控制系統(tǒng)，其采用了單回路反饋控制、串級控制、分程控制、比值控制等多種典型控制方式。

2　 DCS系統(tǒng)常用的典型控制方案

圖1　單回路控制系統(tǒng)框圖

2．1單回路反饋控制

單回路反饋控制系統(tǒng)是所有DCS系統(tǒng)中最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，是由一個(gè)被控對象、一個(gè)測量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1所示為單回路控制系統(tǒng)的組成框圖。從圖可知，該系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的框圖來表示。該系統(tǒng)中有一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。

被控對象是高壓閃蒸分離器V－1402，被控變量是高壓閃蒸分離器的液位，測量變送器是LT＿1404，控制器是LIC＿1404，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門LV＿1404。變送器LT＿1404將反應(yīng)液位高低的信號送往液位控制器LIC＿1404?？刂破鞯妮敵鲂盘査屯鶊?zhí)行器，改變控制閥門的開度使高壓閃蒸分離器輸出流量發(fā)生變化以維持液位穩(wěn)定。

由于單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、所需自動(dòng)化裝置數(shù)量少、投資低、操作維護(hù)方便，且一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的要求，因此，這種控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，簡單控制系統(tǒng)占控制系統(tǒng)總數(shù)的80%左右。但隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，導(dǎo)致對操作的要求更加嚴(yán)格，各變量之間的相互關(guān)系更加復(fù)雜。這時(shí)，采用簡單的控制系統(tǒng)是不能解決問題的，而需要引入更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

2．2串級控制

在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛。當(dāng)被控對象滯后較大、干擾劇烈且頻繁、負(fù)荷變化大時(shí)，采用簡單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝的要求。這時(shí)，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。

在如圖3所示的串級控制系統(tǒng)框圖中，串聯(lián)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路即主回路和副回路；有兩個(gè)控制器即主控制器和副控制器；有兩個(gè)測量變送器，分別測量主變量和副變量。主、副控制器是串聯(lián)工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，系統(tǒng)通過副控制器的輸出去操縱執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對主變量的定值控制。所以，在串級控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了被控對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制作用，能有效克服滯后，提高控制質(zhì)量。另外，串級控制系統(tǒng)由于增加了副回路，因此它具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變動(dòng)的場合。

圖4是六國化工公司氮肥廠氣化工段氣化爐液位的調(diào)節(jié)控制回路。

圖2　高壓閃蒸分離器的液位控制系統(tǒng)

圖3　串級控制系統(tǒng)典型方框圖

圖4　氣化爐液位的調(diào)節(jié)控制回路

主回路為氣化爐液位控制回路，是由主變量的測量變送裝置、主副控制器、執(zhí)行器及主副對象構(gòu)成的外回路。副回路為氣化爐出口流量控制回路，是由副變量的測量變送器裝置、副控制器執(zhí)行器及副對象所構(gòu)成的內(nèi)回路。主變量為氣化爐液位

1.3 測試項(xiàng)目與方法 樣品測試分析由國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，測試項(xiàng)目包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb和Zn元素。各分析方法的檢出限、精密度和準(zhǔn)確度滿足《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1：250000)》(DZ/T 0258—2014)要求。其中As和Hg用王水溶解后，采用原子熒光光譜法分析；Cd、Cu和Ni用HCl-HNO3-HF-HClO4溶解后，Cd采用電感耦合等離子質(zhì)譜法分析，Cu和Ni采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法分析；Cr、Pb和Zn用粉末壓片法處理后，采用X熒光光譜法分析；pH采用電位法測試。

LT＿1305A，是在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。副變量為氣化爐出口流量FT＿1312A2，是在串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。主控制器是氣化爐液位控制器LC＿1305A，是按主變量的測量值與給定值的偏差作為輸入，其輸出作為副變量給定值。氣化爐出口流量控制器FC＿1312A2為副控制器，其給定值來自主控制器LC＿1305A的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作。

氣化爐是六國化工公司氮肥廠重要設(shè)備之一，工藝要求極其苛刻，正常生產(chǎn)時(shí)液位要保持穩(wěn)定。它的工作過程是在穩(wěn)定工況下，液位LT＿1305A和出口流量FT＿1312A2都處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，出口流量的閥門保持在一定的開度。假定在某一時(shí)刻，由于外部原因的干擾，發(fā)生一些變化，這個(gè)干擾首先使出口流量FT＿1312A2發(fā)生變化，它的變化促使控制器LC＿1312A2進(jìn)行工作，改變出去的流量，從而使出口流量的偏差隨之減少，與此同時(shí)，由于出口流量的變化，會使氣化爐液位LT＿1305A發(fā)生變化，LT＿1305A的變化通過控制器LC＿1305A的輸出不斷地去改變控制器FC＿1312A2的給定值。這樣，兩個(gè)控制器協(xié)同工作，直到氣化爐液位重新穩(wěn)定在給定值，控制過程才告結(jié)束。

2．3分程控制

通常，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號只控制一個(gè)執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥。如果一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號同時(shí)送給兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，構(gòu)成如圖5所示的系統(tǒng)，這就是一種分程控制系統(tǒng)。這里兩個(gè)閥門并聯(lián)使用，它們都是氣開閥，其工作特性如圖6所示。閥門A：控制信號P為0 MPa時(shí)，全關(guān)；隨著P增加，開度增加，當(dāng)P增至0．5 MPa時(shí)，閥門A全部打開；P繼續(xù)增加，閥門A保持全開狀態(tài)，直至P達(dá)最大。閥門B：在控制信號P從0增加到0．5 MPa之間一直保持全關(guān)狀態(tài)；從0．5 MPa起，閥門逐步打開；至1．0 MPa處，閥門全開?？梢?，兩個(gè)閥門在控制信號的不同區(qū)間從全關(guān)到全開，走完了整個(gè)行程。由于閥門有氣開和氣關(guān)兩種特性，兩個(gè)閥門就有四種組合特性，如圖6所示，其中圖（a）、圖（b）表明兩個(gè)閥門同方向運(yùn)動(dòng)，圖（c）、圖（d）表明兩個(gè)閥門的作用方向相異。

圖5　分程控制系統(tǒng)示意圖

圖6　兩個(gè)閥門的分程控制特性

分程控制可用在很多種場合，例如同時(shí)控制兩種不同的介質(zhì)，以保護(hù)設(shè)備的安全，擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍等，都可采用分程控制。

圖7　冷凝液罐的壓力調(diào)節(jié)

六國公司氮肥廠氣化工段工藝?yán)淠汗薜膲毫φ{(diào)節(jié)控制是一個(gè)典型的保護(hù)設(shè)備安全的分程控制，如圖7所示。本方案中A閥為氣開式，B閥為氣開式，對應(yīng)的分程曲線是圖6所示中的（d）圖。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，正常生產(chǎn)時(shí)冷凝液罐的壓力穩(wěn)定在4．65Mpa，當(dāng)冷凝罐壓力升高時(shí)，測量值將大于給定值4．65Mpa，壓力控制器PC＿1343的輸出將下降，這樣A閥將打開，而B閥將關(guān)閉，于是通過放空的辦法將冷凝液罐的壓力降下來。當(dāng)灌內(nèi)壓力降低，測量值小于給定值時(shí)，控制器PC時(shí)＿1343輸出將變大，此時(shí)B閥將打開而A閥將關(guān)閉，于是N2被補(bǔ)充加入灌中，以提高冷凝液罐的壓力。

六國公司氮肥廠氣化工段碳洗塔放空壓力調(diào)節(jié)也采用了分程控制，如圖8所示。碳洗塔壓力的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到氣化爐的安全問題。根據(jù)工藝條件，碳洗塔壓力控制器PC＿1311A1的調(diào)節(jié)為正作用，壓力調(diào)節(jié)閥PV1311A1、PV1311A2均為氣開閥。正常工況下，碳洗塔的壓力設(shè)定在5．956MPa，當(dāng)碳洗塔壓力大于設(shè)定值時(shí)，壓力控制器PC＿1311A1的輸出將增大，此時(shí)PV1311A1先打開，當(dāng)PV1311A1全部打開時(shí)，碳洗塔壓力還是大于設(shè)定值，這時(shí)PV1311A2會打開繼續(xù)放空，直到碳洗塔壓力基本穩(wěn)定在設(shè)定值，對應(yīng)的分程曲線是圖6所示中的（a）圖。

圖9　氧煤比控制原理圖

圖8　碳洗塔放空壓力調(diào)節(jié)

2．4比值控制

化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這種實(shí)現(xiàn)兩種物料為一定比例關(guān)系的控制稱比值控制。氧煤比（O／C）比值控制實(shí)質(zhì)是一個(gè)煤漿和氧氣的比值調(diào)節(jié)回路，其中煤漿流量是基準(zhǔn)值，氧氣流量是隨動(dòng)的，所需氧氣流量的設(shè)定值由煤漿流量經(jīng)O／C比值計(jì)算后得出，去氧氣調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制氧氣流量，從而實(shí)現(xiàn)O／C比控制。

六國公司氮肥廠氣化爐的O／C比控制在DCS上位機(jī)上操作實(shí)現(xiàn)。圖9所示為O／C比控制原理圖。為避免過大的生產(chǎn)負(fù)荷擾動(dòng)，對氧氣及煤漿的流量設(shè)定了限幅限速，即設(shè)立交叉限幅控制：負(fù)荷提高時(shí)，先提高煤漿流量，后提高氧氣流量；負(fù)荷降低時(shí)先降低氧氣流量，后降低煤漿流量。這是通過高、低選擇器來實(shí)現(xiàn)的。在煤漿流量控制回路遠(yuǎn)程設(shè)定值信號線上加高選器，使由氧氣量計(jì)算所得的設(shè)定值與負(fù)荷設(shè)定值相比較，選其高者作為煤漿流量控制回路的最終遠(yuǎn)程設(shè)定值。在氧氣流量控制回路的遠(yuǎn)程設(shè)定值信號線上加低選器，使煤漿流量中值選擇所得的設(shè)定值與負(fù)荷設(shè)定值相比較，選其低者作為氧氣流量控制回路的最終遠(yuǎn)程設(shè)定值。這樣，當(dāng)負(fù)荷設(shè)定值提高時(shí)，將首先提高煤漿流量，而當(dāng)負(fù)荷設(shè)定值降低時(shí)，將首先降低氧氣流量。

3　結(jié)束語

上述幾種典型的控制系統(tǒng)均由DCS功能塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)。該裝置自2012年12月成功投料開車以來，生產(chǎn)穩(wěn)定，各項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，且因各種控制回路的成功應(yīng)用使得控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，進(jìn)而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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［3］王延年，等．煤氣化系統(tǒng)中的氧煤比控制［J］．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（6）．

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0021—05

作者簡介：

邢兵鎖（1970－），男，漢族，電氣工程師，碩士研究生，現(xiàn)在安徽銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院工作，主要研究方向?yàn)檫^程控制自動(dòng)化技術(shù)。

芮璋現(xiàn)（1980－），男，漢族，工程師，碩士研究生，現(xiàn)在安徽六國化工股份有限公司氮肥廠電儀部工作，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

收稿日期：2014－11－20

Application of typical control scheme in DCS system

XING Bing－suo1，RUI Zhang－xian2
（1．Anhui Tongling Polytechnic College，Tongling 244061，China；2．Anhui Liuguo Chemical Co．，Ltd．，Tongling 244061，China）

Abstract：In DCS control of the chemical industry，the different process control systems are adopted to meet the requirements of the various production processes．The synthetic ammonia project with an annual output of 300000 tons of Anhui Tongling Liuguo Chemical Company adopts the HONEYWELL EPKS 300 series DCS control system．The several typical control schemes and the applications of the single loop feedback control，the cascade control，the split ranging control and the ratio control are discussed and studied．

Key words：single loop feedback control；cascade control；split ranging control；ratio control；DCS system