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(tǒng)對生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)，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(huán)II泵104001P02A/B加壓、換熱器冷卻和閥門10LV0140025調(diào)節(jié)后重新進入解吸塔104001K01氣提段的下部。解吸塔104001K01塔底產(chǎn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)。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(shù)調(diào)節(jié)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(nèi)均勻變化，串級控制下游進料閥門10FV016001調(diào)節(jié)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(wěn)定，影響再生甲醇的品質(zhì)。

3 非線性增益簡介

非線性增益是橫河CENTUM-VP DCS系統(tǒng)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(guān)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(nèi)的同時，盡量將輸出量保持在一定值的控制。作為實現(xiàn)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(nèi)時將降低比例增益以減小并緩和調(diào)節(jié)作用的功能。預先設定好非線性增益系數(shù)(Knl)，當偏差在間隙幅度(GW)的范圍內(nèi)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(wěn)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(shù)的設定在PID功能塊詳細組態(tài)中進行，將非線性增益系數(shù)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(qū)間內(nèi)時，根據(jù)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(qū)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(tài)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(tài)和參數(shù)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(nèi)的工業(yè)單位數(shù)據(jù))，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(jù)需要調(diào)整[4]。

5 測試結(jié)果與結(jié)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(diào)整，最終使塔的液位都實現(xiàn)了平穩(wěn)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(jié)論是塔底液位穩(wěn)定后熱再生塔壓力和流量也會趨于穩(wěn)定。同時這樣也確保了再生甲醇的品質(zhì)，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(wěn)。

6 結(jié)語

橫河CENTUM-VP系統(tǒng)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(guān)，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(zhì)是在允許的偏差范圍內(nèi)，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(xiàn)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(tǒng)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(zhì)也會明顯得以提高。