基于臨界比例度法的羅茨風(fēng)機(jī)PID整定

孫小凌 徐術(shù)平

摘 要： 某化工項(xiàng)目中熱解爐在正常運(yùn)行過(guò)程中負(fù)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(jìn)行羅茨風(fēng)機(jī)PID參數(shù)的初步整定、計(jì)算出整定參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)情況進(jìn)行參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)整，確定最終的整定值。熱解爐進(jìn)料和噴嘴清洗的實(shí)際工況運(yùn)行，證明了調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能好，熱解爐的負(fù)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(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)。該文對(duì)于工藝設(shè)備可進(jìn)行多次試驗(yàn)和允許臨界振蕩工況的系統(tǒng)具有良好的工程實(shí)踐和借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 臨界比例度法； PID整定； 負(fù)壓； 羅茨風(fēng)機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0161?03

0 引 言

某化工項(xiàng)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(jìn)行分解、中和反應(yīng)。產(chǎn)生的熱解氣通過(guò)熱解爐中的金屬高溫過(guò)濾器，進(jìn)入燃燒爐、完全燃燒生成煙道氣，進(jìn)入驟冷器進(jìn)行驟冷。然后經(jīng)過(guò)噴射洗滌器冷卻凈化和高效氣體過(guò)濾器過(guò)濾后，自羅茨排風(fēng)機(jī)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(shí)保護(hù)工藝設(shè)備和測(cè)量?jī)x表，工藝要求熱解爐運(yùn)行期間負(fù)壓在-1.5～-3.0 kPa范圍——工藝定值為-2.5 kPa，這主要通過(guò)控制與熱解爐負(fù)壓連鎖的羅茨排風(fēng)機(jī)風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 羅茨風(fēng)機(jī)控制

通過(guò)PLC和電氣控制箱對(duì)變頻器控制實(shí)現(xiàn)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。羅茨風(fēng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)接法（公共端：P24）[1]；電氣控制箱實(shí)現(xiàn)變頻器的就地/遠(yuǎn)方和手動(dòng)/自動(dòng)控制方式的切換，以及將變頻器的故障信號(hào)傳遞給PLC。其中，在遠(yuǎn)方、自動(dòng)模式下PLC根據(jù)熱解爐的實(shí)時(shí)負(fù)壓和負(fù)壓定值進(jìn)行PID運(yùn)算，并向變頻器輸出4～20 mA信號(hào)，變頻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率；其余控制模式下，羅茨風(fēng)機(jī)在額定功率下運(yùn)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(yàn)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而是通過(guò)總結(jié)前人理論和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，利用經(jīng)驗(yàn)公式得到PID控制的最優(yōu)整定參數(shù)[4]。用來(lái)確定被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)有兩個(gè)：臨界增益[Ku]和臨界振蕩周期[Tu。]

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于負(fù)壓控制的羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)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(fēng)機(jī)和熱解爐之間有燃燒爐和驟冷器等其他工藝設(shè)備，致使難以確定羅茨風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的具體參數(shù)。在熱解爐未進(jìn)料的情況下工藝允許反復(fù)啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)——電機(jī)功率22 kW，熱解爐的負(fù)壓對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量響應(yīng)快、時(shí)間滯后常數(shù)小。因此，采用臨界比例度法進(jìn)行羅茨風(fēng)機(jī)的PI調(diào)節(jié)器整定，具體整定過(guò)程如下：

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

（2） 啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，從PLC上觀察熱解爐的負(fù)壓曲線；

（3） 如果負(fù)壓曲線是衰減的，則停止風(fēng)機(jī)、增大比例增益[KP，]重做試驗(yàn)；

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

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

（5） 圖3中3個(gè)典型時(shí)刻的負(fù)壓如表1所示，據(jù)此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的臨界周期[Tu=]15 s。

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

（7） 將計(jì)算好的[KP]和[TI]參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，并將熱解爐負(fù)壓的定值設(shè)置為-2.5 kPa。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)。根據(jù)熱解爐的負(fù)壓曲線，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的微調(diào)。圖4是[KP=20]和[TI=30]時(shí)的負(fù)壓曲線，表3是圖4中9個(gè)典型時(shí)刻的負(fù)壓值。

（8） 根據(jù)圖4和表3，計(jì)算表4中對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)次數(shù)等性能指標(biāo)。

從圖4和表4可知，在該P(yáng)I整定值下熱解爐的負(fù)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(shí)間較久。因此，應(yīng)減弱積分作用，即增加積分時(shí)間[TI=]50 s。

3 實(shí)際運(yùn)行效果

3.1 進(jìn)料階段

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

圖5是羅茨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和熱解爐正常進(jìn)料階段的負(fù)壓曲線，表5是圖5中典型時(shí)刻的熱解爐負(fù)壓值。根據(jù)圖5和表5計(jì)算的性能指標(biāo)填入表4中。

從圖5可知，整個(gè)進(jìn)料過(guò)程中隨著進(jìn)料速度的增加，熱解爐的負(fù)壓波動(dòng)逐漸小幅增大，但調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)性能好、負(fù)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(shí)間[TI=50]后，調(diào)節(jié)次數(shù)減少到3次，調(diào)節(jié)時(shí)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(jìn)料結(jié)束后，05：40：29 pm開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)料噴嘴的清洗，05：40：36 pm結(jié)束噴嘴清洗。清洗過(guò)程中熱解爐負(fù)壓發(fā)生劇烈波動(dòng)，在05：40：39 pm時(shí)刻負(fù)壓迅速增到0.737 8 kPa，遠(yuǎn)超熱解爐負(fù)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(fù)壓（-1.814 2 kPa）快速降到允許范圍.，最終經(jīng)過(guò)6個(gè)調(diào)節(jié)周期穩(wěn)定。

圖6是噴嘴清洗階段的負(fù)壓曲線，表6是圖6中典型時(shí)刻負(fù)壓值。根據(jù)圖6和表6計(jì)算的性能指標(biāo)填入表4中。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

采用臨界比例度法整定的羅茨風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器，在熱解爐正常進(jìn)料和噴嘴清洗過(guò)程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。對(duì)于整定階段允許控制對(duì)象反復(fù)啟停、被控量與控制對(duì)象之間的時(shí)間滯后常數(shù)小，尤其是難以建立對(duì)象具體數(shù)學(xué)模型的工藝系統(tǒng)，都可采用本文所述的方法快速進(jìn)行PID參數(shù)整定。

參考文獻(xiàn)

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