比值控制在過程控制中的應用

1 比值控制系統原理簡介

比值控制系統是一種物料量隨另一種物料量而變化的自動調節系統，根據實際生產過程的不同要求，常用比值控制系統有定比值控制系統和變比值控制系統。

定比值控制系統有開環比值控制、單閉環比值控制系統及雙閉環控制系統3種形式。其特點是以保持主流量F1和副流量F2比值一定為目的。比值計算塊的參數經計算設置好后不再變動，工藝要求的實際流量比值k也就固定不變；當主流量F1發生變化時，比值控制回路快速隨動跟蹤，使副流量F2=k*F1關系變化，嚴格保持F2與F1的比例關系。

變比值控制系統就是自動修正比值系數，它是以比值控制系統為副回路的串級控制系統。副回路任務是克服干擾，保證主控制器輸出設定的比值系數，而主回路的任務是保證表征產品質量指標的主被控變量恒定，在變比值控制系統中的主被控變量必須是連續可測的。

2 固相水合工藝及控制系統設計

2.1 工藝簡介

在純堿煅燒工藝中，煅燒制得的純堿堆積密度在0.45～0.79 t/m3稱為輕質純堿或輕灰。重灰即重質純堿，堆積密度在0.8 t/m3以上，由于其顆粒和堆積密度比輕質純堿大，故可減少包裝和儲存的費用。以重灰作原料的玻璃生產業，其生產的玻璃主要用在電視機、電腦顯示器等用顯像管的高端玻璃制品上。在用重灰作原料生產時可提高產量，延長玻璃窯的使用周期，故重灰特別受到用戶的歡迎。

目前，工業化生產中，主要以輕灰為原料制造重灰，其生產方法主要有擠壓法、固相水合法及液相水合法等幾種。固相水合法又稱水混法，它是在35.4～109 ℃范圍內，水和輕灰按一定水堿比混合，形成顆粒均勻，粒度≥70%、總堿度≥99.2%、比重≥900 kg/m3的一水堿，并且釋放出熱量：

Na2CO3+H2O=Na2CO3·H2O+14.1 kJ/mol

一水堿在109 ℃以上可以失去結晶水而生成密度在0.85 t/m3以上的重質純堿，并吸熱：

Na2CO3·H2O=Na2CO3+H2O-14.1 kJ/mol

每摩爾的一水堿釋放或吸收14.1 kJ的熱量。

工藝控制流程如圖1所示。

2.2 控制方案選擇與比值計算

通過分析固相水合工藝可以看出，要保證粒度、總堿度和比重這三個重要指標，控制好水合機產出的一水堿含水量非常關鍵。而影響含水量的主要因素是Na2CO3和化合水的比值，保證了進入到水合機里的Na2CO3和化合水的比值，基本上也就控制了一水堿的顆粒度。在控制方案選擇時，Na2CO3作為主物料，化合水作為從物料，引入單閉環比值控制系統，副變量（從物料）形成閉環負反饋控制回路，起到克服自身干擾的作用。其系統方塊圖如圖2所示。

控制好一水堿的含水量，主要是控制好水合機中的Na2CO3和化合水的配比關系，選定Na2CO3作為主物料流量F1，化合水作為從物料流量F2，構成比值控制回路。工藝要求的流量比值關系：F2= k*F1。已知Na2CO3（F1）投入量為25 t/h，比值系數（k）為0.36，求得化合水流量（F2）為9 m3/h。

為了能夠定量控制進堿量，由DCS遙控輸出4～20 mA的DC電流信號，控制電機變頻器，由變頻器輸出頻率（Hz）信號控制交流電機的轉速，同時交流電機帶動螺旋給料器轉動，將純堿推進到水合機里，這樣進堿量與電機轉動的頻率就成正比例關系。通過實驗就能得到進堿量與頻率的對應關系，因頻率是由變頻器來輸出的，所以這個頻率可以直接控制測量。這樣通過控制頻率就能間接完成進堿量測定，使進堿量平穩精確得到控制。

3 比值控制系統的實現

3.1 功能塊選擇

純堿廠固相水合工藝系統采用美國艾默生公司的Deltav DCS工業控制系統。比值調節系統中間過程變量計算及其控制是由計算機功能模塊搭建來實現的，確定好控制方案后，在計算機里進行組態控制，選擇一些控制需要的功能模塊，如PID算法塊、Ratio比值計算塊、AO輸出塊，這些模塊的功能將代替常規儀表中的調節器、比值控制器等。最后建立組態好操作員控制界面工藝流程圖（建立工藝流程及數據鏈接，顯示便于生產操作）、報警組態及顯示、歷史趨勢線等工作。

3.2 功能講解

圖3是水合機單閉環比值控制系統原理圖。在圖中由SP作為工藝控制參數設定，它分兩路，一路進入AO1，通過AO1輸出4～20 mA電流進入電機變頻器，控制螺旋給料器，將純堿Na2Co3送入到水合機里。另一路進入到RTO比值計算塊與系數設定k相乘后，將計算結果SV以外給定的方式送入PID1化合水控制器，在PID1中化合水電磁流量計送來的流量信號PV與SV做差值運算后的偏差信號，經PID運算輸出去控制調節閥開度。化合水的流量將嚴格根據公式F2=k*F1進行隨從比例控制。在水合機中這兩種物料混合后，產出合格的一水堿。

4 出現的問題及解決的方法

4.1 存在的問題

由于單閉環比值控制系統只考慮如何來實現兩種物料流量之間的比值關系，未考慮兩種物料混合后最終質量是否符合要求。對最終質量還需要靠人工取樣化驗來確定產品質量，這個過程緩慢而又不能及時精確調整比值控制系統，造成生產滯后調節。

4.2 解決的方法

可以在系統中安裝在線產品成分及粒度分析儀，通過它們之間的數學關系式，建立起數學運算模型。將運算結果連接到比值控制系統中，達到精確及時控制最終產品的質量。

5 結束語

比值控制系統在純堿行業的生產過程中應用較為成功，取得較好的控制效果及經濟效益，被廣泛應用在化工企業生產中。

參考文獻

[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京:化學工業出版社，2005

[2]施引萱，王丹均，劉源泉.儀表維修工[M].北京:化學工業出版社，2002

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文