新型分程控制在筒體溫控中的應用

眭天武

(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 工藝簡介

以造粒機溫控系統為例：造粒工段造粒機主要有18段筒體，每一段所處的位置不同，SP不一樣，工藝反應激烈情況也不同，只能是一段一控制策略。原來是用PLC S7-300系統，每一段有加熱和冷卻兩個獨立的PID控制回路。加熱回路由控制器的OP輸出，經過一個脈沖占比模塊轉換成一個DO點，然后送到動力的可控硅控制加熱器回路接通。冷卻回路原理一樣，只是轉換成一個DO控制一個冷卻水角閥，用于降溫冷凝。由于是有機化學反應，對溫度比較敏感。一方面如果控制超溫將會烤糊物料、粘連螺桿、造成黑料，直接影響產品質量。另一個方面溫度波動大，造粒機震動劇烈，反應不充分，影響產量及造粒機的壽命。因此對溫度的控制要求比較嚴苛，盡量是“一條直線”為宜。

2 三種控制方式原理

2.1 兩路常規PID回路

2.1.1 偏差切換方式

仿照原控制系統采用兩路常規PID控制回路來實現加熱或冷卻，設置一個切換值，用聯鎖的方式來實現加熱或冷卻切換。比如給定值是 225 ℃，當PV高于 228 ℃ 時啟動冷卻PID回路，當PV=SP時，停止冷卻；當PV低于222 ℃時，啟動加熱PID回路，當PV=SP時，停止加熱。在實際投用后，最大偏差在 40 ℃ 左右，此方法淘汰。

2.1.2 速率切換方式

通過分析兩路常規PID回路偏差切換失調原因后，在此基礎上推出一種新的控制方法，即以溫度的變化速率來進行切換。偏差切換方式，存在滯后性且無法避免筒體溫度升溫或降溫慣性大的特性。為克服大慣性，采用溫度變化速率來進行切換，建立一個周期為T的循環采樣，在周期內選取三個采樣點進行數據比較，采樣數據在不斷增大就啟動降溫PID回路。當溫度達到聯鎖值1停止降溫，同時加入一個提前量，防止溫度上升過程不超溫，以相同的方式當變化速率連續三個采樣數據都下降，則啟動加熱PID回路，當溫度達到聯鎖值2時，則停止加熱PID回路。此控制方式自投用后比傳統以偏差來切換PID回路效果有明顯提升，偏差在2～3 ℃，與外方專用控溫方式接近，但仍未達到目標值 2 ℃ 以內。該方式也存在缺陷，即魯棒性差。當負荷變化大，必須重新整定PID參數，才能達到新的熱交換平衡。

2.2 新型分程控制回路

結合前兩種控制方式和西門子專用溫控進行分析，發現都存在缺陷。即PID回路切換問題，偏差為切換條件，切換過程存在死區，溫控效果始終達不到實際生產需求。又在原基礎上進行升級改造，打破傳統雙PID控制方式，采用新型分程控制方式來解決切換過程中的死區問題。將單PID控制器輸出信號進行分段控制，OP在0～50%時，控制冷卻回路，OP在50%～100%時，控制加熱回路。實際投用后的效果明顯，溫度偏差 ±1 ℃。

2.3 控制方式效果比較

不同控制方式效果比較見表1所示。

表1 效果對比表

3 新型分程控制系統的介紹

3.1 分程控制系統的定義

將控制器輸出信號全程分割成若干個信號段，每一個信號段控制一個控制閥(每一個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍內的某段內工段。另一個特征：多閥，一個控制器的輸出信號去帶動兩個或兩個以上的閥門工作。

3.2 分程控制的原理

從控制系統的結構來看，分程控制屬于單回路定值控制系統，其控制過程與單回路控制一樣。其結構原理如圖1所示：

圖1 原理方框圖

3.3 分程控制的目的

1)擴大總的可調范圍R

國產調節閥一般情況下R≤30，進口調節閥的R≤50。調節閥的可調范圍R等于調節閥的最大流通能力與最小流通能力的比值：

式中：Cmax為調節閥最大流通能力；cmin為調節閥最小流通能力。

當閥門小開度流通能力小于cmin時，閥門會產生抖動或嘯叫，嚴重影響調節品質和閥門的使用壽命。每種調節閥的可調范圍都有一定的限制，最大就是50。如果可調節范圍R≥80，單臺調節閥就不可能實現。此時就需要采用大、小調節閥分程并聯使用，當流量大時就用小閥全關，用大閥作調節。

比如設一個分程控制系統采用了兩個調節閥并聯工作，大閥A流通能力CAMAX=90；小閥B流通能力cBMAX=10。設兩閥的可調比R=40，則在作分程控制時，總的可調比為

因此可見，用了這兩臺調節閥，總的可調范圍大大擴展。分程后的可調比為原來單臺的10倍。

2)滿足工藝生產的特殊要求

某公司的筒體溫度控制就需要設置兩種調節閥，一個用于加熱的加熱器，一個用于冷卻的角閥控制，像這種情況就需要分程控制。

3.4 分程的類型

按調節的開、關型式可以劃分為兩類。一是兩臺調節閥都是同向作用，即隨著調節器輸出信號的增大(或減少)，兩臺調節閥的開度都增大(或減少)，其動作過程如圖2所示。

(1)

(2)

圖2中(1)A閥動作的函數表達式為：YA=K1X，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(X-50)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。(2)A閥動作的函數表達式為：YA=K1(50-X)，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(100-X)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。

圖3中(1)A閥動作的函數表達式為：YA=K1·(50-X)，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(X-50)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。(2)A閥動作的函數表達式為：YA=K1X，K1為2，X的取值范圍為0～50%；YB=K2(100-X)，K2為2，X的取值范圍為50%～100%。

(1)

(2)

3.5 分程的實現類型

從實現的角度來分可以分為硬件實現和軟件實現。硬件實現是將調節器輸出的4～20 mA 電流信號分成兩段，一段為4～12 mA，將A閥的定位器調整輸出 20～100 kPa，另一段為12～20 mA 將B閥的定位器調整輸出 20～100 kPa，在定位器上實現分程，有一個缺點是電流信號串聯在兩個定位器上，一旦一個有問題將影響兩個閥門；另一個缺點是換定位器時又得重新調整。軟件分程是居于DCS的分程模塊(拆線數字表)來實現，只要知道分程的參數，一一填寫好數據就可以輕松實現分程。兩個調節閥回路都是標準的4～20 mA 信號且相互獨立，有故障時只影響其自身回路另一個回路仍然能正常工作，影響大大降低了。在分程實施過程中尤其要注意在一個閥是進氣，另一個閥是排氣，PID的輸出信號已經到50%時，進氣閥要求全關了，但存在一個動作滯后的問題，閥門沒有全關而排氣閥已經打開了一定開度進行排氣，造成又進氣又排氣的情況，浪費能源。針對此種情況就需要一個死區段，讓閥門關到位。如圖4所示。

圖4 帶死區的分程圖

圖4中48%～52%就設為“死區”，A和B閥均保持原來的狀態不變，等輸出信號越過死區后再進行動作。就能很好避免又進氣又排氣的情況。

3.6 調節閥的氣開、氣關 調節器的正、反作用 分程區間的確定

在圖5中PIC41026就是一個典型的分程控制，以這個流程圖為例來分析上面的問題：PV41026B是進氣閥，在故障時需要全關，所以選氣開閥；PV41026A是排氣閥，在故障時需要全開，所以選氣關閥，當PIC41026的壓力升高時，需要PV4126B關小，所以選為反作用。PV41026A是氣關閥，它的輸出特性為反作用，其具體分程的實現過程如下表格：

圖5 流程圖

表2 A閥拆線數據表

圖6 兩閥分程點上的流量變化圖

表3 B閥拆線數據表

3.7 新型分程控制實施后效果驗證

本公司筒體溫控制系統有兩個原則，其一：不能同時存在加熱和冷卻，那樣會浪費能源，控制也不穩定。這種現象不會出現，因為0～50%是冷卻階段，50%～100%是加熱階段，不存在交叉的階段，從原理上就避免出現象上述情況。其二：被控制對象(筒體溫度)在切換過程中不能出現階躍突變，溫度也很穩定，達到公司所規定的指標在 ±1 ℃。從表4中具體數據分析看：

表4 筒體實時溫度及偏差數據表

從表4中可以看出來，從6條生產線隨機提取3段筒體溫控數據來看，每一段的平均偏差都在0.25以下，非常理想了。最大偏差也只有 0.6 ℃，符合公司的指標要求的。

從圖7中可以看出，最上面那根線是給定與PV的趨勢線，幾乎重合成一條一直線了，效果很好，也從另一個側面驗證了新型分程控制系統是成功的。

圖7 筒體溫度趨勢圖

4 下一步的優化調整

目前雖然溫控系統投用后效果很好，但現場的加熱器是只要一啟動就是全功率加熱，比較浪費電。下一步考慮在每一段的加熱器上加裝一個功率調節器，根據溫控調節的OP值來調整加熱器的加熱功率，實現精準加熱。每一條生產線每一段加熱的功率如表5所示：

表5 加熱器功率數據表

從表5中可以看出，加熱器功率是比較大的，節能的潛力還很大，值得進一步的優化與調整。

5 結束語

對筒體溫度控制，西門子專門推出了溫度控制模塊，但畢竟它是專用功能塊，投資費用高，控溫效果仍不及新型分程。另外增加點數比較麻煩，也不方便。如果在DCS上實施溫控系統，有兩大優勢：一是費用低、二是程序簡單，施工周期短，效果還好。新型分程控制系統有廣闊的應用范圍和市場前景。