提高自動調節儀表控制精度的實用電路設計

安玉婷

[摘 ? ?要]調節類儀表包括很多，有電動調節器、氣動調節器、氣動執行機構、電動執行機構、液動執行機構、氣動活塞式調節閥、氣動薄膜調節閥、電動調節閥、電磁閥、伺服放大器、直接作用調節閥及閥附件等。就調節儀表的自動控制精度問題展開探討，并提出幾個實用電路的設計。

[關鍵詞]自動調節;儀表精度;使用電路;電路設計

[中圖分類號]TP214 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–04

[Abstract]There are many regulating instruments， including electric regulator， pneumatic regulator， pneumatic， electric and hydraulic actuator， pneumatic piston regulating valve， pneumatic diaphragm regulating valve， electric regulating valve， solenoid valve， servo amplifier， direct acting regulating valve and valve accessories. This paper discusses the automatic control accuracy of regulating instruments， and puts forward the design of several practical circuits.

[Keywords]automatic regulation; Instrument accuracy; Use circuit; circuit design

1 自動調節儀表的概念及內容

自動化儀表是由多個自動化元件組成的，其是一種具有比較完善功能的自動化技術工具。自動化儀表可同時具備多項功能，如顯示、測量、記錄、控制、報警等。自動化儀表本身就是一個系統，但是其又是整個自動化系統中的一個子系統。自動化儀表也是一種“信息機器”，其主要功能就是轉換信息形式，把輸入信號轉換成輸出信號。而信號可以按時間域或頻率域表達，且信號的傳輸可調制成連續的模擬量或斷續的數字量形式。

自動化儀表以其測量精確、顯示清晰、操作簡單等優勢，廣泛運用到工業生產當中。同時自動化檢測儀表的內部具有和微機的接口，其是自動化控制系統重要的部分，也被稱為自動化控制系統的眼睛。自動化儀表主要有溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量儀表、環保儀器儀表、電工儀器儀表、工業自動化儀表及一些過程分析儀表等。可根據不同的使用用途進行分類，如按照能源使用類別可分為電動儀表、氣動儀表、液動儀表;根據組合的方式來分可以有單元組合儀表、基地式儀表以及綜合控制儀表。按照安裝儀表的方式來分，有架裝儀表、盤裝儀表和現場儀表。

2 儀表自控率較低的原因分析與提升措施分析

2.1 儀表自控率較低的原因

通過對使用儀表裝置的運行狀態進行分析，其存在的問題主要歸結為以下內容：

（1）在正常生產時，部分儀表裝置無法正常使用;

（2）儀表裝置的控制方案不合理，與實際工藝操作不相符，導致控制效果較差很難投入到實際使用中。如閃蒸塔液無控制回路，無法進行自動控制，只能是工作人員進行手動控制;

（3）儀表本身存在設計缺陷，在實際使用時不好用。如部分常減壓裝置，自動波動較大，液位指示精度較低，波動范圍較大。如塔頂注水裝置的自動化控制存在問題，每次補水不夠及時，影響企業正常生產。如常壓爐氧表在實際使用時經常存在失靈的情況，還需要對該裝置進行完善和優化。如在瓦斯進料時的壓力較大，調節閥很難進行調節，需要對調節閥進行

更換。

（4）儀表調節閥的控制穩定性較差，部分調節閥存在嚴重的內漏問題，且隨著使用時間的增加，內漏情況會更加嚴重。同時一部分調節閥定位器精度較低，且存在調節閥不靈活，定位器不穩定的情況，這會造成嚴重的控制波動，進而影響自動控制效果[1]。

（5）控制閥門型號不適合，造成閥門的開度存在過大或過小的問題，部分新設備的參數設計與實際工況存在嚴重不符，影響了控制回路的自動效果。

（6）部分裝置回路PID參數設計存在嚴重偏差，很難整體對參數進行調整，在實際使用時會產生非常嚴重的控制波動，且穩定性極差，這會影響最終的控制效果，甚至系統根本無法對裝置進行控制。這種情況工作人員更愿意使用手動控制，而不愿意使用自動控制。如重整裝置想加氫并持續增加爐口的溫度，但由于裝置的PID參數設置不合理，無法對擾動進行有效克制，進而導致爐口的溫度無法得到穩定控制，裝置在長期使用的過程中存在較大的偏差。

（7）儀表的部分回路較為復雜且存在滯后回路，如果只靠PID進行控制很難取得理想的控制效果，同時還會因為工藝原因造成更大幅度的波動，甚至會發生全關現象，這將會嚴重影響裝置自身的穩定性。為了減少這些風險對裝置穩定性的影響，工作人員一般會選擇手動控制。

（8）先控功能無法起到理想的控制效果，需要提前做工作，解決先控穩定性較低的問題。

（9）對回路進行控制時，各回路之間會存在較為嚴重的干擾，如常減壓裝置、渣油加氫裝置等在進行控制時容易受到干擾，影響裝置的穩定性，因此，工作人員通常采用手動的方式進行控制。

（10）在裝置開啟和停止時使用的控制回路，根據工藝要求可以選擇間歇式或有選擇性的控制回路，這種回路可以滿足裝置的控制要求。

（11）儀表裝置的管理問題，儀表裝置的管理工作對工作人員的技術水平要求較高，但部分工作人員并不了解儀表裝置的實際工藝需求，進而沒有投控主動權，這就導致很長的一段時間內，企業自動率低且缺乏有效的解決手段。同時裝置控制人員往往安于現狀，只要裝置的自控率在合理的范圍內就可以，并沒有提高自控率的意愿，同時認為手動控制更加安全，導致自控率低的問題長期存在。此外，企業管理層在該方面的監管力度不足，且缺乏科學有效地管理模式和管理流程。

2.2 提升儀表自控率的措施

（1）構建相對完善的儀表自控率監控系統，實現各級管理人員對各個裝置自控率的實時查詢，并監督各個裝置的實時投用情況;將構建的自控率監控系統優勢充分發揮出來，科學設置自控率控制指標，為企業的自控率考核奠定良好基礎。

（2）組建自控率提升攻關隊伍，隊伍成員要囊括機動儀表管理工作人員、企業生產管理人員、儀表維修養護人員，以及各個運行部門的技術人員，要求各個崗位工作人員對接各個裝置控制和管理，對已經投用自控回路的控制效果進行調查分析，同時對未投控的回路及投用效果不理想的回路進行調整和優化設計，通過組建的自控率提升攻關隊伍對上述問題進行探討，提出有針對性的解決方案，通過開展自控率控制攻關，實現儀表自控率的穩步提高。

（3）找到制約回路投控自控和影響各個裝置正常運行儀表的深層原因，提出儀表裝置等優化控制方案，確保儀表裝置的靈敏度、可靠性、穩定性、準確率等性能完好。例如，對熱點運行部由于長期運行發生大量磨損和泄漏的儀表裝置，控制效果穩定性不佳的儀表調節閥進行更換;對因使用年限較長、定位精準度過低的焦化裝置的調節閥也要進行更換。

（4）對于因為工藝技術不達標或者一些生產條件限制而偏離設計指標、控制閥門型號選擇不相應、調節閥調節開度超過80%或者小于10%的、設計參數嚴重偏離實際運行工況的，以及嚴重影響裝置控制回路投自動的調節閥等，要根據實際情況進行重新核算、改造或換新。

（5）與工藝技術、裝置設備及儀表等共同攻關，提出儀表自控率優化控制措施，確保實現控制回路投自動控制，并進一步調整和優化改造常減壓、渣油加氫等裝置[2]。

3 自動控制率計算方法

3.1 總體思路

想要進一步提升儀表自控率，需要先把裝置實時運行中的自控率值準確計算出來。針對其中的各種在線生產裝置，投產初期階段，各臺輸出設備都需要結合現場實際運行狀況對被控變量進行自動化調節。但是通過數年生產檢驗分析能夠發現相關回路結構的變化越加明顯。其中部分回路因為現場調節工藝原理和安裝環境等因素的影響，其應用條件也出現了明顯的變化，即便是投入到實際應用過程中，也會出現調節不穩定的現象。工藝參數劇烈波動，使裝置無法穩定運行，同時在部分回路中，還存在間歇投用以及停用設備投入的現象，為此需要結合實際狀況進行綜合分析。

對裝置儀表自控率進行計算分析前，還需要對裝置內部各個回路進行計算，聯合不同專業技術人員針對其中所有未投用自動控制回路進行逐條分析，并提出針對性的整改方案。在間歇性的設備自控回路當中，需要利用計算編程呈現出回路自控率真實數值。自控率公式如下所示：

儀表自動控制率=實際投用儀表自動控制回路數/（總控制回路數-非儀表原因停用控制回路數）×100%

按照該公式，在DCS系統內利用組態，顯示自控率數值[3]。

3.2 間歇回路

以橫河CS3000DCS系統舉例，先把統計計算獲得的回路列表逐一輸入順控表內，而觸發條件則是回路自動切換狀態。隨后通過DCS組態功能環節中的CALCU對自動回路數量總和進行自動化統計，并把最終計算出的數值當成自控率分子。公式內分母數值，因其存在一種間歇性回路，所以需要實施系統分析，率先統計出所有的間歇性回路形式。①設備切換的間歇回路具體是由機組、成套設備以及管線等部分構成。②根據季節性規律所投放的間歇性回路，如夏季投放自動化回路，而冬季為了實現穩定運行的目標，則會投放手動調節的回路。③臨時操作間歇性回路，如添加操作以及制備催化劑等內容。

針對不同間歇性回路，所使用的統計方法也各不相同，針對第一種狀況，需要掌握設備運行狀況，即需要通過哪種條件對設備運行狀態進行判定，同時需要對設備附屬自控回路數量進行統計，判斷設備性質屬性，如此便能通過CALCU功能模塊實現該種功能。

在設備處于運行環境下，附屬回路總數可以計算到自控回路數量總額當中，假如其中某條回路并不是自動運行狀態，分子值便會降低，分母數量不變，從而導致自控率下降。在設備尚未處于投入運行的狀態下，其附屬回路也不能被添加到自控回路中進行計算，自控率除了需要對相關設備進行統計之外，工藝專業還需要聯合儀表專業進行相應的統計工作，同時把已經停止運行的設備自控回路調整到手動控制模式，提高數據信息真實性。如果間歇回路是第二和第三種狀況，則可以通過CALCU功能模塊計算出相關間歇操作回路的自動回路值即可，以分母形式體現出來，實現操作狀態下，控制回路總數擴大，無操作環境下，回路不會計算到總回路數，如此便能將間歇操作裝置的自控率變化準確計算出來，計算自控率的平均數值。

4 提高自動調節儀表控制精度的電路設計

4.1 量程自動切換電路

本部分所設計的量程自動切換電路，具有測量精度高、測量范圍大等顯著特點。與一般量程自動切換電路相比教，其結構更加簡單。

電路由模擬開關CC4066、譯碼電路、四施密特觸發器CC4093和一塊集成運放加電阻網絡構成。

該電路的工作過程是，譯碼電路將放大電路的輸出信號與給定信號進行比較，當輸出較小時，接通高放大倍數通路，將運算放大器的放大倍數提高;當輸出信號較大時，接通低放大倍數通路，實現量程的轉換。同時，譯碼電路還把量程擋次轉換信號輸送到計時器時序控制電路或模擬信號輸出電路，使輸出與量程切換一致。

量程切換擋次由集成運放的反相輸入端外接四分檔電阻來決定，本電路是四個擋次的測量電路，集成運算放大器的反饋電阻取640 kΩ，四分檔電阻分別取160 kΩ、40 kΩ、10 kΩ、5 kΩ。電路的放大倍數是：

640/160=4 640/40=16

640/10=64 640/5=128

在放大電路輸出端和譯碼電路輸入端接入一片四施密特觸發器CC4093。利用施密特觸發器的滯同特性穩定比較器的輸出，放大電路的輸出信號與比較電路的某一給定值相比較，比較結果控制摸擬開關。輸出信號大，摸擬開關接通低放大倍數的輸入通路;輸出信小，摸擬開關接通高放大倍數的輸入通道。當輸出信與某給定信號接近時，模擬開關的相應觸點頻繁啟停，輸出信號為浪涌信號，為克服此現象，放大電路輸出端與比較電路之間加了施密特觸發器，由施密特觸發的滯回特性來穩定輸出[4]。

4.2 用PLL構成的可控頻率變換電路的

鎖相環路是一個對微弱電信號的頻率和相位進行檢測和控制的閉環系統，用PLL表示。PLL由相位比較電器PD、窄帶濾波器LPF和壓控振蕩器VCD等構成，在其反饋通路中接入變頻電路，變頻電路的頻率變換由7位二進制串行計數器CC4024和單八路模擬開關CC4051組成。變頻范圍是f/2～f/128。

將模擬開關4051的禁止端接低電平，即（6）INh接地。選通輸入端A、B、C有八個不同的數值組合，每一種組合信號接通與之相應的開關通路。例如，當CBA=110時，4051的接通通道是6、即引腳2和它的引腳3連通：這樣，4024的Q6端（引腳4）與4046的PH12端（引腳3）接通。此時，4024實現64分頻。

f0=64f1

電路實現了64倍頻，該電路能實現的變換頻率是f0=2nf1，n=0、1、2…7。

由于鎖相環路的穩定度取決于輸入信號的頻率f1，它又具有良好的窄帶濾波器LPF，輸出的頻譜純度好。其f0的控制精度高，用于拖動控制，例如控制電動機的轉速，可使轉速精度提高幾十倍。

4.3 數值比較輸出電路

使用計數輸入電路用雙BCD同步加計數器CC4510，數值預置電路用BCD碼拔盤KL-3、數值比較電路用CC4585，邏輯處理電路用四2輸入與門CC4081，模擬開關用三組兩路的摸擬開關CC4053，壓控振蕩器用鎖相環CC4046。

數值預置電路輸出的給定值與計數輸入電路輸出的隨機數字信號在數值比較電路中進行比較;當輸數值小于給定值時，比較器的輸出量經邏輯處理電路后接通模擬開關，使壓控振蕩器VCD接入某一定值電壓信號，輸出與之相應的頻率信號。

當輸入數值接近給定值時，即輸入數值的高位與給定值的高位相等，輸入數值的低位小于給定值的低位時，比較器的輸出發生改變，此時的輸出量經邏輯電路及模擬開關電路后，使VCD接入另一定值的電壓信號，VCD輸出的頻率變低。

當輸入數值等于給定值時，同上述理由類同，VCI輸出的頻率信號的頻率變到最低。

如果用VCD的輸出頻率信號去控制步進電機，用么，視輸入數值的大小，電機將運轉在不同的三個轉速上。

5 結束語

對自動調節儀表的概念及內容進行闡述，對儀表自控率較低的原因展開分析，對自動控制率的計算方法進行展示，最后對提升自動調節儀表控制精度的實用電路進行展示。

參考文獻

[1] 阮曉英，阮洋.儀表自控率實時統計功能在CS3000系統的實現[J].設備管理與維修，2018（8）：47-48.

[2] 許兆權，徐龍甫.提高儀表自控率以增強裝置運行穩定性[J].中國儀器儀表，2017（9）：41-45.

[3] 李效彪.儀表自控率低原因及提升措施[J].百科論壇電子雜志，2019（1）：590-591.

[4] 胡平杰.儀表回路有效投用率低的原因分析及其提高策略[J].化工自動化及儀表，2019，46（1）：9-12，21.