壓力-體積轉換在CFC編程語言中的實現解析①

張偉超 胡彬 蘇源發

(中國核電工程有限公司華東分公司 浙江嘉興 314300)

在國內某化工項目中，某系統進行批次蒸發的工藝流程時，根據設備測量信號觸發聯鎖動作。當儀表信號觸發540dm3的SL低聯鎖點時，聯鎖打開供料閥門、啟動供料泵向設備輸送物料；當儀表信號觸發740dm3的SH聯鎖點時，聯鎖停止供料泵運行；當儀表信號過低時，聯鎖關閉蒸汽閥門，停止對設備的蒸發。蒸發設備為非規則實體，采用傳統的液位控制方式，不再滿足工藝運行要求。液位儀表和密度儀表為西門子差壓變送器，只能測量kPa信號，DCS將kPa值轉換為dm3值需要額外編程處理，以實現體積值聯鎖。

1 儀表測量及信號處理原理

液位和密度測量均采用吹氣測量方式。吹氣管內經限流裝置補充的氣量很小但持續，當管內空氣壓力高于吹氣管下端到液面的液柱靜壓時，便由吹氣管下端鼓泡而出。變送器指示的吹氣管內壓力基本等于液柱靜壓力。

吹氣結構按照吹氣管數量一般可分為2管、3管和4管三種。本文采用的三管測量，一般應用在帶密度補償修正的液位測量系統中。

DCS系統接收現場西門子差壓變送器的4～20mA信號，經信號模塊AD轉換并處理后轉變為整型信號，經功能塊編程轉變為kPa信號。工藝采用dm3值實現聯鎖控制，而設備又為非規則實體，建立數學模型擬合設備較為復雜，退而求次，通過Excel軟件散點圖功能處理數據，建立kPa到dm3量綱轉換的數學模型。

2 數據處理及可靠性控制

通過現場液位變送器和質量流量計，確定差壓kPa信號與蒸發器內去離子水dm3值的對應數據組。

圖1 生成散點圖并擬合曲線

圖2 邏輯封裝調用

統計學中用r表征兩個變量間線性相關關系的強弱，r值越大r2越大，相關性越強。線性回歸模型則用R2表示模型擬合數據的效果好壞，數值越大擬合程度越高。通過函數“RSQ(X，Y)”初步分析標定數據的相關性r2=0.9422，相關性很強。插入Excel散點圖，選中數據組，擬合曲線并顯示確定系數R2，為保證工藝系統運行可靠，要求擬合曲線的確定系數R2盡可能高。

（1）嘗試處理所有數據。

選中所有數據對，擬合生成系列1曲線，獲得公式Y=1.2643X2+4.07X+48.811，確定系數R2=0.9839，對于較高精度的擬合要求，該曲線R2相對較低。

（2）根據（1）的結果，將數據組進行分段處理。

根據（1）中散點圖，較容易地確定拐點（17.58，450.01）。計算拐點之前的數據段相關性r2=0.9999，相關性極強，擬合生成系列2 曲線，獲得公式Y=25.614X-0.8086，確定系數R2=1，擬合精度極高適用于現場要求；

計算拐點后數據組（含拐點）的相關性r2=0.9977，相關性極強，生成系列3曲線，獲得公式Y=1.724X2+4.4638X-167.76，確定系數R2=0.9993，精度極高適用于現場要求。詳細情況參考圖1。

為得到擬合曲線在某kPa點的擬合誤差大小，將系列1、2、3的擬合公式分別進行算術代入，驗證對應點的誤差及誤差百分比。確定系列1曲線擬合公式的誤差最大點處的相對誤差高達28%，無法滿足較高的工藝控制要求；確定系列2曲線最大誤差點在（1.98，50.01）附近，相對誤差約為0.2%；確定系列3曲線的最大誤差點在拐點附近，拐點處的相對誤差約為1.46%。考慮到工藝系統的運行區間在540dm3～740dm3之間，全部落在系列3的擬合曲線內，而在該運行區間內的相對誤差最大百分比約為0.63%。從儀表測量及控制角度分析，該精度滿足較高的工藝控制要求。

圖3 仿真測試

3 編程設計

根據測量原理及西門子編程手冊，按照獲得的系列2和系列3擬合曲線，進行分段編程設計。

（1）判斷密度管完全淹沒工況。

根據儀表量程與精度，計算最大允許誤差，當液位信號與密度信號實際差值大于最大允許誤差時，認為密度儀表管已完全被淹沒，密度儀表示數不再發生變化，為固定的2.96kPa，液位儀表示數隨液位升高逐漸增大；若小于2.96kPa，默認為密度測量管未完全淹沒，密度變送器補償無效，以水的密度1.0g/cm3來替代運算。

（2）確定實際密度。

標定試驗采用的介質是密度為1.0g/cm3的水，而實際運行中，隨著蒸發次數的不同，密度將為大于1.0g/cm3的某個變化值，因此當密度管完全淹沒時，密度變送器的測量值也不再為固定的2.96kPa。根據液位和密度儀表的測量值，確定介質與水的密度比，并代入運算。

（3）確定拐點，程序分段，對系列2和系列3曲線編程。

根據曲線擬合時確定的拐點（17.58，450.01）分段編程，由液位、密度儀表和確定等效去離子水后的壓力與17.58kPa比較，數值小于17.58時，采用系列2擬合曲線運算輸出，數值大于17.58時采用系列3擬合曲線運算輸出。

（4）對邏輯塊封裝調用。

封裝邏輯塊，并與現場儀表信號輸入、聯鎖輸出互聯并調用，參考圖2。

4 仿真器選點仿真對比

均勻選取標定數據組中部分點進行仿真。由于CFC程序中功能塊處理的過程值信號為整型，在仿真時需對仿真界面IW870和IW872的液位和密度信號進行反譯，反譯公式為：Int =（KPa/Range）*27648。以第五個點（23.03,850.09）為例進行仿真。

編譯下載整個工程項目，激活仿真器，在IW870窗口輸入23.03kPa對應的液位信號值，在IW872窗口輸入2.96kPa對應的密度信號值，監視封裝塊，仿真過程參考圖3。其余選取點的仿真值與實際標定值誤差較小，滿足工藝要求。

5 結語

在該工藝流程中，使用設備的介質體積來實現聯鎖控制與常規的液位控制聯鎖有較大區別。由于設備為非規則實體，不同的液位高度段，相同的液位差值卻對應著不同的體積，為保證運行的安全平穩可靠，控制系統聯鎖采用了體積值而非相對模糊的液位值?，F場儀表采集到的kPa信號也需進一步處理轉化為dm3信號。初步分析工程標定數據較為線性，采用Excel散點圖建立簡單的數學模型，獲得較好的擬合曲線，CFC語言編程實現運行聯鎖。可為其他控制工程存在類似控制要求以及類似的信號轉化時提供技術參考。