時間比例算法在流程工業現場的應用

陳煥良+曾欣+馬良榮+朱晃佐+胡鑫+廖利平

摘 要：本文以中控U6-200一體化PLC與C3900多功能智能控制器在流程工業現場控制中的成功應用為例，闡述了整體實施過程中的控制思想和整體配置及解決方案，同時介紹了實施步驟、應用案例等。

關鍵詞：時間比例；占空比；反應釜溫度控制；PH控制；智能儀表

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.032

0 引言

目前，位于化工自動化最底層的控制器仍然是以PID為主流。PID方法是一種基于過程參數的控制算法，其控制原理簡單、實現方便，但在控制對象非線性時變、給定突變、大時滯系統等情況下，過程模型難以確定，參數調整往往比較困難，即使可行也因調整時間過長、超調量過大，使控制效果不佳，因此，使用先進的控制理論來彌補PID控制方法的不足，成為目前國內外自動控制方面的一個主要課題。

1 過程控制器的概述

浙江中控自動化儀表有限公司在2006年投入了大量的研發力量，研發了基于對象控制的新型過程控制器，填補了無紙記錄儀和DCS之間的面向對象的小型控制系統的空白。

過程控制器是一款可編程的多回路控制器，主要型號分為C3900系列和一體化PLC（U6-200系列）。過程控制器內部最多包含8個單回路PID控制模塊、3個程序控制模塊、6個ON/OFF控制模塊、RLZ溫度專用算法，可實現單回路控制、多回路控制，每個回路除可以作為普通的PID回路外還可以結合運算、函數功能，設置成三沖量、串級、比率、分程、自動選擇、非線性控制、位式控制及用戶定制等多種復雜的控制方案，其控制輸出信號可以通過繼電器觸點、直流電流模擬信號輸出給執行器。

2 以下通過在不同工藝情況下的幾個成功案例，來簡要說明一下時間比例算法在流程工業現場的運用

案例一：鹽城甌華化工硝化反應釜溫度控制

現場情況：用戶現場是很典型的溫度控制手段，熱水和冷卻水切換進入夾套對反應釜釜溫進行控制。操作工一般按經驗來控制釜溫，釜溫的控制也跟操作工的熟練程度有關，經驗較好的操作工一般能控制到（40～42）℃，一般的操作工可能會控制在（38～42）℃。

工藝情況：投入固體料后定量加入硝酸，攪拌后進行升溫操作，在夾套能通過熱水，到溫度升到38℃就可以滴加硫酸，硫酸是用戶事先打入的高位槽中的，滴加速度一般控制在24.6L/h，此流速是經過計算得到的，一般14個小時將高位槽內的硫酸均速地加入到反應釜，此反應為放熱反應。放熱反應不是很劇烈，但一般溫度低于（37～38）℃后滴加硫酸后將不再反應。

用戶操作工一般的操作方法：加熱到38℃后關閉熱水閥，讓熱水在夾套內與反應釜換熱一段時間后基本上達到38.5℃后就開始滴硫酸，開始滴加后反應釜溫會緩慢上升，看溫度的變化情況調節夾套出口閥位，一般開兩圈，大概的閥位在30%左右，用戶調溫的另一個參照為夾套出口溫度，測量手段用手直接摸來感覺溫度情況。

現場調試情況：通過一天的觀察，了解了用戶的人工操作情況，查看用戶操作的一些關鍵點。接下去就是實施過程，想到的第一種方案是通過串級控制的方式，將釜溫做為主控，夾套出口溫度做為副控，經過試驗驗證失敗，分析原因為夾套出口溫度存在著較大的滯后，將溫度下移至夾套可能效果更好，但基于用戶無法現場動火更改測點，此方案被放棄；想到的第二種方案是U6中的針對溫度的專用算法RLZ算法，但RLZ算法需要在全開全關一整個過程中看其測量值的變化而自整定參數，但因為一千多升容量的夾套的大滯后全開和全關變化的整個過程，工藝條件無法滿足，所以該方法未嘗試便已被放棄；想到的第三種方案是嘗試通過能量守恒的這個大方向，反應釜放出的熱量與夾套加入的冷卻水的冷量在某種程度上應該是一種動態的平衡?；谶@種總體方向接下去就是考慮使用何種方法實施，根據以往對PH控制的經驗，想到用時間比例算法與AO通道進行串聯，對溫度區間進行分割，根據之前的調試了解了夾套大概的滯后時間，將其做為確定時間比例周期，剛開始控制效果不是很理想，但大體確定可控，就調試過程中的數據進行分析：參數設定上是有缺陷的，1、時間比例周期太小，一開始設定是30秒；2、溫度區間分得不夠細（幾個節點是39.5、40、40.5、41、42），；3、時間比例輸出跳躍性大（0、5、10、15、20、30）；4、閥位設定過大，加入量過大而導致冷量的累積過大，到后段不可控；5、沒有考慮夾套出口溫度的變化。根據分析，對時間比例的可行性表示肯定態度，就之前失敗原因進行一一修改：1、將時間比例周期改到40秒；2、對溫度區間進行第一步細化，共分九段；3、將時間比例輸出設置得更平穩（0、3、5、7、9、11、15、20），考慮到溫度超過42℃后一直全開會導致過調，結合之前的分析和操作工調溫的經驗，將開閥時間定為一半時間全開，在后面的測試中得到應證；4、閥位限定在最大25%，當溫度高于42℃時閥位自動開到100%；5、因為控制是開環控制，必須將幾種極端情況進行考慮，當夾套溫度高過38℃時認為夾套內還是之前加熱過的熱水，此時加大閥門的開度，在原基礎上加5%，以加快對熱水的中和，當夾套溫度低于30℃時認為夾套的溫度可能已經過調了，將時間比例輸出為0，不再加冷卻水。

通過以上的處理，當開始滴加硫酸時將時間比例投入后，觀察用戶一個生產周期（28個小時）溫度控制在始終保持在（40～41.5）℃之間?？刂魄€如圖1所示。

案例二：浙大高分子實驗室溫度控制

時間比例算法一個很大的缺點就是沒有辦法閉環控制，所以要考慮到的極端或特殊的情況要全面，如果有一個沒有想到就會造成不可控的情況出現，所以也一直在摸索，必須將開環變為閉環才是真正實現有效控制的最好方法。浙大高分子實驗室溫度控制項目的實施真是解決了閉環問題，該項目是研究彈性體隨溫度變化的特性，目前廣泛應用于橡膠輪胎的生產中，在該項目的實施過程就考慮了的閉環，主要通過表達式完成對升溫速率的運算從而得到設定溫度值SV，將此溫度作為PID的設定溫度，過程側量值PV與設定值SV通過PID運算，將其運算輸出的值（PID.OUT）作為時間比例算法中占空比的來源，借助于占空比對加熱絲進行通斷控制，運用PID與時間比例復合使用，使整個控制過程達到閉環控制，從而真正達到對加熱速度的有效控制。

案例三：廊坊國藥集團單滴定反應釜PH控制

眾所周知PH有兩大特性：滯后性和非線性，正因為這兩大特性，所以控制難度非常大，特別是在工業現場更是一大難題。常見的控制方法有非線性函數、PID+復雜算法、非線性增益、時間比例算法等，針對不同的工藝現場有不同的用法，而該控制方案主要闡述的是時間比例算法在反應釜單滴定這種常用的工藝中的應用?？刂扑枷肱c溫度控制的思想相類似，但與溫度控制不同的是難點在于時間周期的判斷和周期滴加時間的選取。通過現場勘察，幾個工藝流程手動操作了解下來，工藝情況是在3000L的反應釜內，在Φ10滴加管道上安裝有氣動切斷閥，滴加管道直接伸入反應釜中部以下，一般反應液會在反應三分之二左右，在反應釜另一側使用梅特勒頂插式PH計檢測PH值，控制要求是將反應釜內部PH值從母液的13.5左右通過5%左右的鹽酸溶液滴加精確得控制到9.15，中間時間沒有具體要求，一般控制在兩小時內?，F場測試情況從滴定堿液到反應釜后通過攪拌后反應大概的時候是40秒，所以最后確定時間周期設為40秒，將9.20-9.15作為死區，然后對PH值進行分區，將13.5至9.20分成8個區間，越接近9.20分得越細，通過幾個流程的測試并對區間及占空比值的修正，最后控制的效果為9.15+0.1。

3 結束語

工業現場工藝紛繁復雜，針對不同工藝，通過不同的控制思想，可以將不可能變成可能，只要我們努力去發現，結合書本的理論知識。工業現場總能找到一款適合現場的控制方法，而時間比例算法是其中一種很好的方法，其運用領域非常廣泛。