孫小凌 徐術平

摘 要： 某化工項目中熱解爐在正常運行過程中負壓需保持穩(wěn)定。在此采用臨界比例度法在PLC調(diào)節(jié)器中直接進行羅茨風機PID參數(shù)的初步整定、計算出整定參數(shù)，然后根據(jù)實際調(diào)節(jié)情況進行參數(shù)的進一步調(diào)整，確定最終的整定值。熱解爐進料和噴嘴清洗的實際工況運行，證明了調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能好，熱解爐的負壓穩(wěn)定性好，滿足了工藝要求。該整定方法具有快速性、直觀性和適應強的特點。該文對于工藝設備可進行多次試驗和允許臨界振蕩工況的系統(tǒng)具有良好的工程實踐和借鑒意義。

關鍵詞： 臨界比例度法； PID整定； 負壓； 羅茨風機

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0161?03

0 引 言

某化工項目中，料液被輸送到500 ℃的熱解爐中，在攪拌的作用下受熱氣化，進行分解、中和反應。產(chǎn)生的熱解氣通過熱解爐中的金屬高溫過濾器，進入燃燒爐、完全燃燒生成煙道氣，進入驟冷器進行驟冷。然后經(jīng)過噴射洗滌器冷卻凈化和高效氣體過濾器過濾后，自羅茨排風機排至室外煙囪。該工藝原理如圖1所示。

為了防止熱解爐中熱解氣體的外泄漏，同時保護工藝設備和測量儀表，工藝要求熱解爐運行期間負壓在-1.5～-3.0 kPa范圍——工藝定值為-2.5 kPa，這主要通過控制與熱解爐負壓連鎖的羅茨排風機風量來實現(xiàn)。

1 羅茨風機控制

通過PLC和電氣控制箱對變頻器控制實現(xiàn)羅茨風機風量的調(diào)節(jié)。羅茨風機的控制原理如圖2所示。ATV21變頻器采用使用其內(nèi)部電源的SOURCE（源，正）標準接法（公共端：P24）[1]；電氣控制箱實現(xiàn)變頻器的就地/遠方和手動/自動控制方式的切換，以及將變頻器的故障信號傳遞給PLC。其中，在遠方、自動模式下PLC根據(jù)熱解爐的實時負壓和負壓定值進行PID運算，并向變頻器輸出4～20 mA信號，變頻器轉(zhuǎn)換為相應的風機運行頻率；其余控制模式下，羅茨風機在額定功率下運行。

2 PID整定

PID參數(shù)整定的方法有很多種，常用的有試湊法、經(jīng)驗法、臨界比例度法、衰減曲線法和Ziegler?Nichols等[2?3]。其中，臨界比例度法不需要知道被控對象的動態(tài)特性，而是通過總結前人理論和實踐的經(jīng)驗，利用經(jīng)驗公式得到PID控制的最優(yōu)整定參數(shù)[4]。用來確定被控對象動態(tài)特性的參數(shù)有兩個：臨界增益[Ku]和臨界振蕩周期[Tu。]

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，基于負壓控制的羅茨風機風量調(diào)節(jié)適合采用PI調(diào)節(jié)器[5]。如第1節(jié)所述，羅茨風機和熱解爐之間有燃燒爐和驟冷器等其他工藝設備，致使難以確定羅茨風機調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型的具體參數(shù)。在熱解爐未進料的情況下工藝允許反復啟動羅茨風機——電機功率22 kW，熱解爐的負壓對羅茨風機的風量響應快、時間滯后常數(shù)小。因此，采用臨界比例度法進行羅茨風機的PI調(diào)節(jié)器整定，具體整定過程如下：

（1） 將調(diào)節(jié)器設置成純比例作用，比例增益[KP=5。]為了避免整定過程中，熱解爐負壓大幅超過其允許范圍，將熱解爐負壓的定值設置為-1.6 kPa；

（2） 啟動羅茨風機，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，從PLC上觀察熱解爐的負壓曲線；

（3） 如果負壓曲線是衰減的，則停止風機、增大比例增益[KP，]重做試驗；

（4） 如果負壓曲線的振蕩幅度是不斷增大，則停止風機、減小比例增益[KP，]重做試驗。

重復上述步驟（3），步驟（4），當[KP=45]時，出現(xiàn)如圖3所示的等幅振蕩曲線。此時的比例增益就是臨界增益[Ku。]

（5） 圖3中3個典型時刻的負壓如表1所示，據(jù)此計算出對應的臨界周期[Tu=]15 s。

對于PI調(diào)節(jié)器，[KP=0.45×45=]20.2，[TI=0.83×15=]12.5 s。

（7） 將計算好的[KP]和[TI]參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設置好，并將熱解爐負壓的定值設置為-2.5 kPa。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，啟動羅茨風機。根據(jù)熱解爐的負壓曲線，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行進一步的微調(diào)。圖4是[KP=20]和[TI=30]時的負壓曲線，表3是圖4中9個典型時刻的負壓值。

（8） 根據(jù)圖4和表3，計算表4中對應的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)次數(shù)等性能指標。

從圖4和表4可知，在該PI整定值下熱解爐的負壓雖然可以較為快速的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)次數(shù)較多、振蕩調(diào)節(jié)時間較久。因此，應減弱積分作用，即增加積分時間[TI=]50 s。

3 實際運行效果

3.1 進料階段

熱解爐加熱到正常運行溫度500 ℃后，于05：12：47 pm時刻啟動羅茨風機，熱解爐的負壓不斷下降。05：17：55 pm時刻開始負壓低于定值-2.5 kPa，于05：17：59 pm時刻達到最小值-2.855 9 kPa，之后負壓在調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用下開始穩(wěn)定；05：18：27 pm左右，開始向熱解爐中進料液；根據(jù)工藝要求，緩慢增加進料速率；05：39：59 pm停止進料操作。

圖5是羅茨風機啟動和熱解爐正常進料階段的負壓曲線，表5是圖5中典型時刻的熱解爐負壓值。根據(jù)圖5和表5計算的性能指標填入表4中。

從圖5可知，整個進料過程中隨著進料速度的增加，熱解爐的負壓波動逐漸小幅增大，但調(diào)節(jié)器的動態(tài)性能好、負壓穩(wěn)定，滿足工藝要求。從表4可知，修改PI整定值即增加積分時間[TI=50]后，調(diào)節(jié)次數(shù)減少到3次，調(diào)節(jié)時間減少到51 s。調(diào)節(jié)性能得到極大改善。

3.2 噴嘴清洗階段

正常進料結束后，05：40：29 pm開始進行進料噴嘴的清洗，05：40：36 pm結束噴嘴清洗。清洗過程中熱解爐負壓發(fā)生劇烈波動，在05：40：39 pm時刻負壓迅速增到0.737 8 kPa，遠超熱解爐負壓的允許范圍（-1.5～-3.0 kPa）。但經(jīng)PLC調(diào)節(jié)器的控制，11 s后負壓（-1.814 2 kPa）快速降到允許范圍.，最終經(jīng)過6個調(diào)節(jié)周期穩(wěn)定。

圖6是噴嘴清洗階段的負壓曲線，表6是圖6中典型時刻負壓值。根據(jù)圖6和表6計算的性能指標填入表4中。

從圖6和表4可知，在噴嘴清洗造成負壓大振幅波動情況下該調(diào)節(jié)器仍可快速將負壓調(diào)節(jié)到正常范圍，而且負壓經(jīng)5個調(diào)節(jié)周期較快地達到穩(wěn)定狀態(tài)（調(diào)節(jié)時間83 s），調(diào)節(jié)性能好，滿足了工藝要求。

4 結 語

采用臨界比例度法整定的羅茨風機調(diào)節(jié)器，在熱解爐正常進料和噴嘴清洗過程中動態(tài)響應快、穩(wěn)定性好。對于整定階段允許控制對象反復啟停、被控量與控制對象之間的時間滯后常數(shù)小，尤其是難以建立對象具體數(shù)學模型的工藝系統(tǒng)，都可采用本文所述的方法快速進行PID參數(shù)整定。

參考文獻

[1] 施耐德電氣公司.ATV21異步電機變頻器用戶手冊[EB/OL].[[2006?10?23] .]http：// wenku.baidu.com/view/cdc3e303cc17552 [?]707220847.html.

[2] 李少遠，王景成.智能控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 王玉德，韓秀慶，韓秀勇，等.PID參數(shù)調(diào)整仿真比較研究[J].電氣自動化，2011，33（6）：1?3.

[4] 何芝強.PID控制器參數(shù)整定方法及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[5] 金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法[J].重慶工學院學報（自然科學），2008，22（5）：91?94.

[6] 孫躍光，林懷蔚，周華茂，等.基于臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)的仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（8）：192?194.