眭天武

(云南云天化股份有限公司聚甲醛產(chǎn)品事業(yè)部本部，重慶 長壽 401221)

1 工藝簡介

以造粒機(jī)溫控系統(tǒng)為例：造粒工段造粒機(jī)主要有18段筒體，每一段所處的位置不同，SP不一樣，工藝反應(yīng)激烈情況也不同，只能是一段一控制策略。原來是用PLC S7-300系統(tǒng)，每一段有加熱和冷卻兩個獨立的PID控制回路。加熱回路由控制器的OP輸出，經(jīng)過一個脈沖占比模塊轉(zhuǎn)換成一個DO點，然后送到動力的可控硅控制加熱器回路接通。冷卻回路原理一樣，只是轉(zhuǎn)換成一個DO控制一個冷卻水角閥，用于降溫冷凝。由于是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，對溫度比較敏感。一方面如果控制超溫將會烤糊物料、粘連螺桿、造成黑料，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。另一個方面溫度波動大，造粒機(jī)震動劇烈，反應(yīng)不充分，影響產(chǎn)量及造粒機(jī)的壽命。因此對溫度的控制要求比較嚴(yán)苛，盡量是“一條直線”為宜。

2 三種控制方式原理

2.1 兩路常規(guī)PID回路

2.1.1 偏差切換方式

仿照原控制系統(tǒng)采用兩路常規(guī)PID控制回路來實現(xiàn)加熱或冷卻，設(shè)置一個切換值，用聯(lián)鎖的方式來實現(xiàn)加熱或冷卻切換。比如給定值是 225 ℃，當(dāng)PV高于 228 ℃ 時啟動冷卻PID回路，當(dāng)PV=SP時，停止冷卻；當(dāng)PV低于222 ℃時，啟動加熱PID回路，當(dāng)PV=SP時，停止加熱。在實際投用后，最大偏差在 40 ℃ 左右，此方法淘汰。

2.1.2 速率切換方式

通過分析兩路常規(guī)PID回路偏差切換失調(diào)原因后，在此基礎(chǔ)上推出一種新的控制方法，即以溫度的變化速率來進(jìn)行切換。偏差切換方式，存在滯后性且無法避免筒體溫度升溫或降溫慣性大的特性。為克服大慣性，采用溫度變化速率來進(jìn)行切換，建立一個周期為T的循環(huán)采樣，在周期內(nèi)選取三個采樣點進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，采樣數(shù)據(jù)在不斷增大就啟動降溫PID回路。當(dāng)溫度達(dá)到聯(lián)鎖值1停止降溫，同時加入一個提前量，防止溫度上升過程不超溫，以相同的方式當(dāng)變化速率連續(xù)三個采樣數(shù)據(jù)都下降，則啟動加熱PID回路，當(dāng)溫度達(dá)到聯(lián)鎖值2時，則停止加熱PID回路。此控制方式自投用后比傳統(tǒng)以偏差來切換PID回路效果有明顯提升，偏差在2～3 ℃，與外方專用控溫方式接近，但仍未達(dá)到目標(biāo)值 2 ℃ 以內(nèi)。該方式也存在缺陷，即魯棒性差。當(dāng)負(fù)荷變化大，必須重新整定PID參數(shù)，才能達(dá)到新的熱交換平衡。

2.2 新型分程控制回路

結(jié)合前兩種控制方式和西門子專用溫控進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)都存在缺陷。即PID回路切換問題，偏差為切換條件，切換過程存在死區(qū)，溫控效果始終達(dá)不到實際生產(chǎn)需求。又在原基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，打破傳統(tǒng)雙PID控制方式，采用新型分程控制方式來解決切換過程中的死區(qū)問題。將單PID控制器輸出信號進(jìn)行分段控制，OP在0～50%時，控制冷卻回路，OP在50%～100%時，控制加熱回路。實際投用后的效果明顯，溫度偏差 ±1 ℃。

2.3 控制方式效果比較

不同控制方式效果比較見表1所示。

表1 效果對比表

3 新型分程控制系統(tǒng)的介紹

3.1 分程控制系統(tǒng)的定義

將控制器輸出信號全程分割成若干個信號段，每一個信號段控制一個控制閥(每一個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍內(nèi)的某段內(nèi)工段。另一個特征：多閥，一個控制器的輸出信號去帶動兩個或兩個以上的閥門工作。

3.2 分程控制的原理

從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，分程控制屬于單回路定值控制系統(tǒng)，其控制過程與單回路控制一樣。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

圖1 原理方框圖

3.3 分程控制的目的

1)擴(kuò)大總的可調(diào)范圍R

國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥一般情況下R≤30，進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的R≤50。調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍R等于調(diào)節(jié)閥的最大流通能力與最小流通能力的比值：

式中：Cmax為調(diào)節(jié)閥最大流通能力；cmin為調(diào)節(jié)閥最小流通能力。

當(dāng)閥門小開度流通能力小于cmin時，閥門會產(chǎn)生抖動或嘯叫，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)品質(zhì)和閥門的使用壽命。每種調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍都有一定的限制，最大就是50。如果可調(diào)節(jié)范圍R≥80，單臺調(diào)節(jié)閥就不可能實現(xiàn)。此時就需要采用大、小調(diào)節(jié)閥分程并聯(lián)使用，當(dāng)流量大時就用小閥全關(guān)，用大閥作調(diào)節(jié)。

比如設(shè)一個分程控制系統(tǒng)采用了兩個調(diào)節(jié)閥并聯(lián)工作，大閥A流通能力CAMAX=90；小閥B流通能力cBMAX=10。設(shè)兩閥的可調(diào)比R=40，則在作分程控制時，總的可調(diào)比為

因此可見，用了這兩臺調(diào)節(jié)閥，總的可調(diào)范圍大大擴(kuò)展。分程后的可調(diào)比為原來單臺的10倍。

2)滿足工藝生產(chǎn)的特殊要求

某公司的筒體溫度控制就需要設(shè)置兩種調(diào)節(jié)閥，一個用于加熱的加熱器，一個用于冷卻的角閥控制，像這種情況就需要分程控制。

3.4 分程的類型

按調(diào)節(jié)的開、關(guān)型式可以劃分為兩類。一是兩臺調(diào)節(jié)閥都是同向作用，即隨著調(diào)節(jié)器輸出信號的增大(或減少)，兩臺調(diào)節(jié)閥的開度都增大(或減少)，其動作過程如圖2所示。

(1)

(2)

圖2中(1)A閥動作的函數(shù)表達(dá)式為：YA=K1X，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(X-50)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。(2)A閥動作的函數(shù)表達(dá)式為：YA=K1(50-X)，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(100-X)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。

圖3中(1)A閥動作的函數(shù)表達(dá)式為：YA=K1·(50-X)，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(X-50)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。(2)A閥動作的函數(shù)表達(dá)式為：YA=K1X，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(100-X)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。

(1)

(2)

3.5 分程的實現(xiàn)類型

從實現(xiàn)的角度來分可以分為硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)。硬件實現(xiàn)是將調(diào)節(jié)器輸出的4～20 mA 電流信號分成兩段，一段為4～12 mA，將A閥的定位器調(diào)整輸出 20～100 kPa，另一段為12～20 mA 將B閥的定位器調(diào)整輸出 20～100 kPa，在定位器上實現(xiàn)分程，有一個缺點是電流信號串聯(lián)在兩個定位器上，一旦一個有問題將影響兩個閥門；另一個缺點是換定位器時又得重新調(diào)整。軟件分程是居于DCS的分程模塊(拆線數(shù)字表)來實現(xiàn)，只要知道分程的參數(shù)，一一填寫好數(shù)據(jù)就可以輕松實現(xiàn)分程。兩個調(diào)節(jié)閥回路都是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA 信號且相互獨立，有故障時只影響其自身回路另一個回路仍然能正常工作，影響大大降低了。在分程實施過程中尤其要注意在一個閥是進(jìn)氣，另一個閥是排氣，PID的輸出信號已經(jīng)到50%時，進(jìn)氣閥要求全關(guān)了，但存在一個動作滯后的問題，閥門沒有全關(guān)而排氣閥已經(jīng)打開了一定開度進(jìn)行排氣，造成又進(jìn)氣又排氣的情況，浪費能源。針對此種情況就需要一個死區(qū)段，讓閥門關(guān)到位。如圖4所示。

圖4 帶死區(qū)的分程圖

圖4中48%～52%就設(shè)為“死區(qū)”，A和B閥均保持原來的狀態(tài)不變，等輸出信號越過死區(qū)后再進(jìn)行動作。就能很好避免又進(jìn)氣又排氣的情況。

3.6 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān) 調(diào)節(jié)器的正、反作用 分程區(qū)間的確定

在圖5中PIC41026就是一個典型的分程控制，以這個流程圖為例來分析上面的問題：PV41026B是進(jìn)氣閥，在故障時需要全關(guān)，所以選氣開閥；PV41026A是排氣閥，在故障時需要全開，所以選氣關(guān)閥，當(dāng)PIC41026的壓力升高時，需要PV4126B關(guān)小，所以選為反作用。PV41026A是氣關(guān)閥，它的輸出特性為反作用，其具體分程的實現(xiàn)過程如下表格：

圖5 流程圖

表2 A閥拆線數(shù)據(jù)表

圖6 兩閥分程點上的流量變化圖

表3 B閥拆線數(shù)據(jù)表

3.7 新型分程控制實施后效果驗證

本公司筒體溫控制系統(tǒng)有兩個原則，其一：不能同時存在加熱和冷卻，那樣會浪費能源，控制也不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象不會出現(xiàn)，因為0～50%是冷卻階段，50%～100%是加熱階段，不存在交叉的階段，從原理上就避免出現(xiàn)象上述情況。其二：被控制對象(筒體溫度)在切換過程中不能出現(xiàn)階躍突變，溫度也很穩(wěn)定，達(dá)到公司所規(guī)定的指標(biāo)在 ±1 ℃。從表4中具體數(shù)據(jù)分析看：

表4 筒體實時溫度及偏差數(shù)據(jù)表

從表4中可以看出來，從6條生產(chǎn)線隨機(jī)提取3段筒體溫控數(shù)據(jù)來看，每一段的平均偏差都在0.25以下，非常理想了。最大偏差也只有 0.6 ℃，符合公司的指標(biāo)要求的。

從圖7中可以看出，最上面那根線是給定與PV的趨勢線，幾乎重合成一條一直線了，效果很好，也從另一個側(cè)面驗證了新型分程控制系統(tǒng)是成功的。

圖7 筒體溫度趨勢圖

4 下一步的優(yōu)化調(diào)整

目前雖然溫控系統(tǒng)投用后效果很好，但現(xiàn)場的加熱器是只要一啟動就是全功率加熱，比較浪費電。下一步考慮在每一段的加熱器上加裝一個功率調(diào)節(jié)器，根據(jù)溫控調(diào)節(jié)的OP值來調(diào)整加熱器的加熱功率，實現(xiàn)精準(zhǔn)加熱。每一條生產(chǎn)線每一段加熱的功率如表5所示：

表5 加熱器功率數(shù)據(jù)表

從表5中可以看出，加熱器功率是比較大的，節(jié)能的潛力還很大，值得進(jìn)一步的優(yōu)化與調(diào)整。

5 結(jié)束語

對筒體溫度控制，西門子專門推出了溫度控制模塊，但畢竟它是專用功能塊，投資費用高，控溫效果仍不及新型分程。另外增加點數(shù)比較麻煩，也不方便。如果在DCS上實施溫控系統(tǒng)，有兩大優(yōu)勢：一是費用低、二是程序簡單，施工周期短，效果還好。新型分程控制系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用范圍和市場前景。