基于Deltav組態的串級控制系統在化工生產中的應用

戴學豐 李 群

(齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

串級控制系統是復雜控制系統的一種，在化工生產過程中應用廣泛，對生產的順利進行發揮著重要作用，其形式主要有流量-液位串級控制系統、流量-溫度串級控制系統、流量-壓力串級控制系統、壓力-溫度串級控制系統和溫度-溫度串級控制系統。串級控制系統的主回路作為定值控制系統，副回路作為隨動控制系統[1～3]，與單回路控制系統相比，提高了工作頻率，改善了對象的特性；自身具有一定的自適應調節功能；可以消除非線性特性帶來的影響；對進入副回路的擾動帶來的影響具有快速和較強的克服能力。下面就其原理加以闡述，并采用Deltav V10.3進行組態并分析說明。

1 原理及其組態①

串級控制系統的結構如圖1所示，由控制器、執行器、主調節對象、副調節對象及檢測變送器等組成[4]。控制調節器通過執行器和調節閥對副對象進行調節。主要干擾既有作用于主控制對象的又有作用于副控制對象的。對主對象的干擾主要是來自物料的擾動(物料的溫度、壓力及流量等)，使得主對象產生波動；對副回路的干擾主要是來自輔助生產系統的波動，如冷卻水的溫度、蒸汽的壓力及蒸汽的溫度等。在整個串級控制系統中，主回路的輸出作為副回路的設定值。

圖1 串級控制系統組成結構框圖

在系統的組態過程中，串級控制系統也是由兩個單回路調節回路串在一起的，包括兩個部分，第一部分即為由副回路構成的單回路PID調節回路，其組態如圖2所示。可以看出，單回路調節系統作為副回路調節系統，只有一個PID功能模塊、一個輸入模塊(AI)和一個輸出模塊(AO)，此外還包括了串級控制功能選擇輸入模塊(CAS_IN)及反饋輸出模塊(BKCAL_OUT)等。此單回路調節系統將作為串級控制系統的副回路參與控制調節。

圖2 單回路調節系統的組態

第二部分為主回路調節系統，整個串級控制系統的組態如圖3所示，由PID功能塊和串級功能塊SLAVE構成，其中PID功能模塊為主回路、SLAVE為副回路，SLAVE模塊也就是副回路PID模塊。從圖3可以看出，主控制回路的輸出是作為副回路的給定值來進行控制調節的。

圖3 串級控制系統的組態

2 應用

流量-液位串級控制系統(圖4)是通過調節流量來改變液位的，其中流量作為副調節回路，液位作為主調節回路，這樣可以很好地對重要的液位參數進行控制，特別是當某些重要的工藝裝置中對液位的要求高的場合尤為適用。可以看出，通過調節閥的開度可以很好地調節流量的大小，從而對液位的控制實現很好的控制效果。

流量-溫度控制系統(圖5)就是通過調節燃料氣的流量，實現燃燒爐內部溫度的控制目的，從而使得對要加熱的原料以合適的、穩定的溫度進行加熱，并對加熱后的原料進行溫度檢測。大多情況下，原料的溫度是允許在一定范圍內波動的，但是不能超出范圍。所以，通過加熱爐的原料出口溫度和燃料的進料量，就可以構成串級控制系統，使得加熱后原料的溫度穩定在設定值。

圖4 流量-液位串級控制系統簡圖

圖5 流量-溫度串級控制系統簡圖

流量-壓力串級控制系統(圖6)把流量作為副回路調節參數、將壓力作為主回路調節參數。在工藝反應過程中，為了讓兩種化合物能夠在反應器內充分反應，要求罐內壓力保持在一定范圍，此時就要不斷地對罐進行補充惰性氣體，利用惰性氣體在一定條件下不參與反應的性質，使反應器內的壓力恒定在允許的范圍內。

圖6 流量-壓力串級控制系統簡圖

壓力-溫度串級控制系統(圖7)把溫度作為主回路調節參數，將壓力作為副回路調節參數，通過調節壓力來改變溫度。在精餾塔塔釜溫度控制系統中，通過調節蒸汽壓力使塔釜溫度穩定在一定范圍，保證精餾過程順利進行[5]。

在溫度-溫度串級控制系統中，其中的一個溫度值往往是常數，即作為主回路調節參數，通過調節另外一個副回路的溫度，將主回路溫度設定值控制在設定值。在如圖8所示的溫度-溫度控制系統中，夾套的冷卻水溫度T2作為副回路調節參數，能夠更快地感應冷卻水溫度的變化和來自控制的影響[6]。夾套溫度的變化是根據主回路控制溫度T1的設定值作出相應變化的，使得反應釜內的溫度穩定在設定值，這樣就能夠保證出口原料的溫度穩定在反應所需的溫度范圍。

圖7 壓力-溫度串級控制系統簡圖

圖8 溫度-溫度串級控制系統簡圖

3 結束語

以串級控制系統為研究對象，闡述其工作原理和Deltav組態。并結合其常用的5種模型，總結分析其控制目標和應用場合，為化工生產串級自控系統的設計提供借鑒。