雙閉環比值控制在全自動智能配堿中的應用

熊萬昌

(云南云天化股份有限公司聚甲醛產品事業部本部，重慶 長壽 401221)

1 比值控制系統介紹

1.1 比值控制系統定義

比值控制系統是指實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統。在化工煉油及其他工業生產過程中，工藝上常需要將兩種或兩種以上的物料保持一定的比例，如比例一旦失調，將影響生產或造成事故。在需要保持比例關系的兩種物料中，必有一種物料處于主導地位，這種物料稱之為主物料，表征這種物料的參數稱之為主動量，用Q1表示;另一種物料處于隨動地位，這種物料稱之為從動量或隨動量，用Q2表示。主動量調節的輸出能按照負荷和操作條件的變化而變化，主動量的變化不斷改變從調節器的給定值，使從調節器的給定值適應負荷并隨操作條件的而變化，即具有一定的自適應能力。

1.2 比值控制系統的原理

通常，在兩個需要保持一定比例關系的物料中，一個是主動量或關鍵量，另一個是從動量或輔助量。由于物料通常是液體，因此稱主動量為流量Q1，從動量為副流量Q2。Q1與Q2的關系為：

Q2=K·Q1

(1)

式中，K為比例常數。因此，只要主副流量的給定值保持比例關系，或副流量給定值隨主流量按一定比例關系而變化即可實現比值控制。

1.3 雙閉環比值控制系統

某公司地處長江上游，安全環保壓力很大，另一方面改成全自動智能配堿控制，對控制系統的安全性、可靠性、穩定性要求很高。為了克服單閉環比值控制系統中堿流量不受控制而產生的系統生產能力“失控”狀況，在單閉環比值控制的基礎上，對堿流量也設置了一個閉環回路(FIC0728)，構成對主副物料流量都進行控制的雙閉環控制系統。該系統是由一個定值控制的主流量回路(FIC0728)和跟隨主流量變化的副流量控制回路(FIC0729)組成。FIC0728能克服堿流量的擾動，實現定值控制。同理，副流量控制回路也能實現定值控制。當工藝需要加減負荷時，只要改變主流量的給定值，副流量就會按比例增加或減少，從而克服單閉環比值系統的缺點。其原理方框圖如圖1。

圖1 原理方框圖

2 比值控制系統的設計

2.1 比值控制系統的類型選用

比值控制分為單閉環控制系統、雙閉環比值控制系統、串級閉環比值控制系統。根據某公司的工藝情況、負荷變化、控制要求等進行合理選擇。工藝人員要求堿流量、脫鹽水流量控制系統均需要閉合控制，故最后確定為雙閉環比值控制系統。

2.2 主從物料的選擇

主從物料的確定是控制系統設計的關鍵第一步，主要依循以下原則：①貴重原則;②不可控原則;③主導作用原則;④流量大小原則;⑤工藝需要原則。根據以上5項原則及工藝的實際生產情況，綜合考慮后，確定堿流量為主動量，脫鹽水流量為從動量或輔助量。

2.3 系統組成及儀表選型

雙閉環流量比值控制系統主要分為系統軟件及控制儀表硬件兩部分。

2.3.1 系統軟件

系統軟件是在霍尼韋爾公司的PKS-C300 R310.1系統下自行開發的一鍵全自動智能配堿程序。

2.3.2 系統硬件

系統硬件：DN25 PN1.6流量計(FT0729)304不銹鋼;DN80 PN1.6流量計(FT0728)304不銹鋼;DN25 PN1.6調節閥(FV0729)304不銹鋼; DN80 PN1.6調節閥(FV0728)304不銹鋼; DN25 PN1.6截斷閥(HV0705)304不銹鋼

3 工藝流程介紹

用50%堿加水來配制成質量分數為38%的堿，整個過程為：用4-P0711A/B泵將堿液打入38%的堿液儲存罐中，中間加入水來稀釋。經過FIC0728來調節堿流量，FIC0729來調節加入的水流量，HS0705切斷閥用來切斷進入4-V0705的堿液和水。當4-V0705的液位LI0705高于85%，4-V0705庫存量大于 60 t，堿與水的比值大于3.22或小于3.11時，HS0705全關;4-P0711A/B泵停止運行。見圖2。

圖2 工藝流程圖

3.1 堿與水兩者之間的理論計算

化簡整理后得：

這個值即為堿流量與水流量的比值，自動程序就引用這個比值進行自動加堿和水，見圖3。

圖3 比值計算圖

4 程序智能功能的實現

4.1 加水過多的智能判斷

在程序當中引入了FIC0728.PIDA.PV與FIC0729.PIDA.PV1的實時比值，同時，為了保險，做了兩者的流量累積之比，即FQ0728.TOTALIZERA.PV與FQ0729.TOTALIZER.PV之間的比值。兩種比值只要負向偏離了0.05，且該值(<3.117)連續 180 s 時，就自動停4-P0711A/B泵，HS0705閥門全關，FIC0728、FIC0729調節回路關到-6.9。出現這種情況有二種原因：其一是FIC0729調節回路PID參數優化調整不到位，長期出現超調現象;其二是FIC0729的閥門定位器調整得不好，實際開度與FIC0729.PIDA.OP不一致，偏大了。

4.2 加堿過多的智能判斷

4.1中兩種比值只要正向偏離了0.05，且該值(大于3.217)連續 180 s 時，就自動停4-P0711A/B泵，HS0705閥門全關，FIC0728、FIC0729調節回路關到-6.9。出現這種情況有三種情況：其一是FIC0728調節回路PID參數優化調整不位，長期出現超調現象;其二是FIC0728的閥門定位器調整得不好，實際開度與FIC0728.PIDA.OP不一致，偏大了。其三是4-P0711A/B換了新的泵，輸出能力更大了，相同的輸出，因為液體壓力更大，流速增大，造成堿流量加多了。

4.3 4-V0705庫存不大于60t的智能判斷

根據安全環保的要求，4-V0705的液位LI0705.DACA.OV不能高于85%。為了確保安全，再增加了MSA0705庫存量，每次配堿的總庫存量不能大于 60 t。總庫存的計算方法：在自動配堿程序啟動時的原始庫存量+FQ0728.TOTALIZERA.PV+FQ0729.TOTAIZERA.PV，見圖4。

圖4 總庫存計算圖

由于每一次配堿原始庫存不一樣，因此每一次程序啟動時都要把原始庫存數據取出來，具體的方法如圖5。在設置時間時，時間太短，取出數據不具代表性;時間太長，取出來的數據包含了新加入的堿，數據不準確。經過反復試驗，確定使用 3 s 間隔。

圖5 取原始庫存數據圖

當總庫存量大于 60 t 或LI0705.DACA.PV大于85%時，配堿程序自動停止，即自動停4-P0711A/B泵，HS0705閥門全關，FIC0728、FIC0729調節回路關到-6.9。

5 FIC0728與FIC0729比值控制

在實際生產中，FIC0729跟蹤FIC0728按比值3.167來進行調節。將FIC0728.PIDA.PV除以3.167的值作為FIC0729.PIDA.SP，見圖6。

圖6 FIC0729.PIDA.SP圖

6 FIC0728.PIDA.SP/OP原始給定值的確定

FIC0728.PIDA.SP的原始給定值是根據工藝人員多年的實踐經驗數據及管徑大小、安全環保等綜合考慮后得出的一個經驗數據。重慶本部FIC0728.PIDA.SP程序啟動后原始值為10t/h，FIC0728的范圍為0～35 t/h。

根據FIC0728.PIDA.SP=10T/h，再結合圖7和圖8計算出對應的開度=28.57%。

圖7 各種閥門的流量特性圖

圖8 流量與開度的對應圖

7 FIC0728投用后效果圖

從圖9中看出，每一個批次的FIC0728.PIDA.DA CA.PV與FIC0728.PIDA.OP都能保持一致性。

圖9 效果圖

8 FIC0729投用后效果圖

從圖10中看出，每一個批次的FIC0729.PIDA.DA CA.PV與FIC0728.PIDA.OP都是一致，批次的重復性和再現性都很穩定。

圖10 效果圖

9 結束語

比值控制在全自動智能配堿中的應用效果是十分理想的，配出來的堿質量分數都在38%。用程序來代替人工手動配堿，有以下幾個優點：一方面批次之間差異很小;另一方面是用一鍵啟動配堿，大大降低了操作人員的勞動強度和時間，節約了人力資源。另外程序中增加了智能判斷功能和聯鎖，使整個過程都安全可靠。尤其在程序啟動時最原始的給定值和調節回路的輸出值的確定，可以有效降低初始振蕩，快速穩定，對配比精度有重要作用。