橫河CENTUM-VP非線性增益功能的應用

石曉杰(福建合盛氣體有限公司，福建 福州 350500)

0 引言

福建合盛氣體有限公司凈化裝置低溫甲醇洗單元采用橫河電機CENTUM-VP DCS系統對生產過程進行控制。來自中壓閃蒸塔的過冷富CO2甲醇在解吸塔 104001K01自上而下通過4級液位控制后進入熱再生塔106001K01，通過甲醇氣提可以得到完全的再生。由此可見，各塔之間的工藝流程緊密，前一個塔出料流量的波動直接影響到后塔的控制指標。熱再生塔頂溫度和壓力控制精度要求較高，而解吸塔底液位不是主要控制指標。基于這種工藝流程特點，在解吸塔底液位控制上選用了均勻控制方案，盡可能地讓解吸塔液位均勻變化，控制出料的變化量，避免大幅波動影響塔的控制指標。但是投用一段時間后效果不明顯，達不到工藝控制要求，熱再生塔106001K01頂部流量受進料影響波動仍然較大。

通過對CENTUM-VP系統的功能進行進一步研究，并與工藝人員進行了深入討論，采用系統自帶的PID非線性增益功能，當塔液位在工藝可接受范圍震蕩時，下游塔進料閥開度不大幅度變化，確保下游塔進料量的平穩，滿足了工藝控制指標要求[1]。

1 解吸和熱再生工藝流程簡述

來自甲醇洗解吸塔104001K01二級集液盤的甲醇通過解吸塔循環II泵104001P02A/B加壓、換熱器冷卻和閥門10LV0140025調節后重新進入解吸塔104001K01氣提段的下部。解吸塔104001K01塔底產品通過熱再生進料泵104001P03A/B加壓、換熱器加熱和閥門10FV0160001后進入熱再生塔106001K01頂部的中壓熱閃蒸段。甲醇通過10LV0160029閥門進入熱再生塔106001K01的熱再生段，通過甲醇氣提可以得到完全的再生，這就是解吸和熱再生工藝流程，如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

2 原均勻控制方案存在的問題

為了解決前后兩塔供求之間的矛盾，可在兩塔之間設置一個中間貯槽，這樣既滿足了前面塔液位調節的要求，又緩沖了后面塔進料量的波動，但增加了設備和投資，于是企圖設法采用自動調節來模擬中間貯槽的緩沖作用，力圖使液位和流量能均勻地變化，組成所謂均勻控制系統。原解吸塔104001K01塔底液位采用均勻控制，即塔兩級液位控制器的PID 參數調節的盡量弱，取消了積分功能，改為類似純比例控制，使塔液位允許范圍內均勻變化，串級控制下游進料閥門10FV016001調節量。但實際塔液位仍然逐級波動，繼而進入熱再生塔106001K01頂部中壓熱閃蒸段的甲醇流量波動較大(±30 m3/h)，導致熱再生塔溫度和壓力的不穩定，影響再生甲醇的品質。

3 非線性增益簡介

非線性增益是橫河CENTUM-VP DCS系統PID控制器自帶的一項功能，在進行控制運算的時候，使比例增益與測量值(PV)和設定值(SV)的偏差大小對應并進行變化的功能。因此，測量值(PV)和設定值(SV)的偏差和操作輸出變更量(ΔMV)的關系為非線性。非線性增益用于如緩沖罐的液位控制那樣，將液位保持在限制值以內的同時，盡量將輸出量保持在一定值的控制。作為實現非線性增益的功能，有“Gap Action(間隙動作)”和“Squared Deviation Action(偏差乘方動作)”兩種模式。

本應用采取Gap Action(間隙動作)模式，當偏差(En)在預設的間隙寬度(GW)內時將降低比例增益以減小并緩和調節作用的功能。預先設定好非線性增益系數(Knl)，當偏差在間隙幅度(GW)的范圍內的時候，有效比例增益Kpe=Kp×Knl；當偏差超過間隙寬度(GW)之后的有效比例增益Kpe=[1-(1-Knl)×GW/|En|]×Kp[2]。間隙動作的非線性增益特性如圖2 所示。

圖2 間隙動作的非線性增益特性

從上圖可以看出，在非線性增益中，對于比例增益(Kp)，進行非線性補償而求出的有效比例增益(Kpe)，再利用這個有效比例增益(Kpe)來運算操作輸出變更量(ΔMV)。

4 非線性增益的設定

由于解吸塔104001K01塔底液位可以在一定的偏差范圍變化，但其輸出應盡量穩定的工藝特點，選擇Gap Action(間隙動作)控制模式。非線性增益系數的設定在PID功能塊詳細組態中進行，將非線性增益系數Knl設置為0.25，液位控制的偏差值進入預設的間隙寬度GW 區間內時，根據增益計算公式Kpe=Kp×Knl，得出此時有效比例增益為原來的1/4；而當液位控制偏差值超出GW 區間時，其有效比例增益Kpe=[1-(3GW/4|En|)]×Kp，上圖曲線1為此時有效比例增益的變化曲線[3]。

如圖3所示，在DCS控制組態界面中找到液位10LC0140025的PID 控制器，打開功能塊詳細定義界面選擇“Control Calculation控制計算”，在此界面中將“Non-linear Gain非線性增益”項設置為1∶Gap，即Gap Action 模式，然后將 “Gap Gain間隙增益”設置為2∶0.25，即將Knl設為0.25。

圖3 非線性增益組態和參數設置

上述修改的設置下裝后，在DCS畫面打開液位控制器10LC0140025 Tuning界面，即可修改液位的間隙幅度GW 值(從0到PV刻度量程范圍內的工業單位數據)，本應用將GW 設置為15.0，將閥門10LC0140025/26的積分作用減弱。10LC0140025由I=300 s改為1200s，10LC0140026由I=300 s改為3 600 s，操作員可以根據需要調整[4]。

5 測試結果與結論

將塔的兩個液位控制器10LC0140025/10LC0140026按照此控制方案修改后，逐步將液位PID 控制投入自動控制，通過不斷調整，最終使塔的液位都實現了平穩的自動控制，去熱再生塔106001K01頂部的中壓熱閃蒸段流量波動由之前±30 m3/h降至小于±5 m3/h，這樣操作測試得出結論是塔底液位穩定后熱再生塔壓力和流量也會趨于穩定。同時這樣也確保了再生甲醇的品質，提高了裝置的可靠性，降低了操作難度，保證了甲醇洗裝置的平穩。

6 結語

橫河CENTUM-VP系統非線性增益功能可應用于類似多級儲罐或塔的液位控制，前后流程密切相關，前一級出料流量的波動直接影響到下游的控制指標。其控制本質是在允許的偏差范圍內，通過減弱PID比例增益，減緩閥門動作，能有效避免在偏差很小時出現的回路震蕩。這也充分說明在均勻控制的基礎上，通過引入CENTUM-VP系統的PID控制的非線性增益功能，可以很好使得解吸塔液位控制全部都投入了自動控制，再生甲醇品質也會明顯得以提高。