新型分程控制在筒体温控中的应用

眭天武

(云南云天化股份有限公司聚甲醛产品事业部本部，重庆 长寿 401221)

1 工艺简介

以造粒机温控系统为例：造粒工段造粒机主要有18段筒体，每一段所处的位置不同，SP不一样，工艺反应激烈情况也不同，只能是一段一控制策略。原来是用PLC S7-300系统，每一段有加热和冷却两个独立的PID控制回路。加热回路由控制器的OP输出，经过一个脉冲占比模块转换成一个DO点，然后送到动力的可控硅控制加热器回路接通。冷却回路原理一样，只是转换成一个DO控制一个冷却水角阀，用于降温冷凝。由于是有机化学反应，对温度比较敏感。一方面如果控制超温将会烤糊物料、粘连螺杆、造成黑料，直接影响产品质量。另一个方面温度波动大，造粒机震动剧烈，反应不充分，影响产量及造粒机的寿命。因此对温度的控制要求比较严苛，尽量是“一条直线”为宜。

2 三种控制方式原理

2.1 两路常规PID回路

2.1.1 偏差切换方式

仿照原控制系统采用两路常规PID控制回路来实现加热或冷却，设置一个切换值，用联锁的方式来实现加热或冷却切换。比如给定值是 225 ℃，当PV高于 228 ℃ 时启动冷却PID回路，当PV=SP时，停止冷却；当PV低于222 ℃时，启动加热PID回路，当PV=SP时，停止加热。在实际投用后，最大偏差在 40 ℃ 左右，此方法淘汰。

2.1.2 速率切换方式

通过分析两路常规PID回路偏差切换失调原因后，在此基础上推出一种新的控制方法，即以温度的变化速率来进行切换。偏差切换方式，存在滞后性且无法避免筒体温度升温或降温惯性大的特性。为克服大惯性，采用温度变化速率来进行切换，建立一个周期为T的循环采样，在周期内选取三个采样点进行数据比较，采样数据在不断增大就启动降温PID回路。当温度达到联锁值1停止降温，同时加入一个提前量，防止温度上升过程不超温，以相同的方式当变化速率连续三个采样数据都下降，则启动加热PID回路，当温度达到联锁值2时，则停止加热PID回路。此控制方式自投用后比传统以偏差来切换PID回路效果有明显提升，偏差在2～3 ℃，与外方专用控温方式接近，但仍未达到目标值 2 ℃ 以内。该方式也存在缺陷，即鲁棒性差。当负荷变化大，必须重新整定PID参数，才能达到新的热交换平衡。

2.2 新型分程控制回路

结合前两种控制方式和西门子专用温控进行分析，发现都存在缺陷。即PID回路切换问题，偏差为切换条件，切换过程存在死区，温控效果始终达不到实际生产需求。又在原基础上进行升级改造，打破传统双PID控制方式，采用新型分程控制方式来解决切换过程中的死区问题。将单PID控制器输出信号进行分段控制，OP在0～50%时，控制冷却回路，OP在50%～100%时，控制加热回路。实际投用后的效果明显，温度偏差 ±1 ℃。

2.3 控制方式效果比较

不同控制方式效果比较见表1所示。

表1 效果对比表

3 新型分程控制系统的介绍

3.1 分程控制系统的定义

将控制器输出信号全程分割成若干个信号段，每一个信号段控制一个控制阀(每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围内的某段内工段。另一个特征：多阀，一个控制器的输出信号去带动两个或两个以上的阀门工作。

3.2 分程控制的原理

从控制系统的结构来看，分程控制属于单回路定值控制系统，其控制过程与单回路控制一样。其结构原理如图1所示：

图1 原理方框图

3.3 分程控制的目的

1)扩大总的可调范围R

国产调节阀一般情况下R≤30，进口调节阀的R≤50。调节阀的可调范围R等于调节阀的最大流通能力与最小流通能力的比值：

式中：Cmax为调节阀最大流通能力；cmin为调节阀最小流通能力。

当阀门小开度流通能力小于cmin时，阀门会产生抖动或啸叫，严重影响调节品质和阀门的使用寿命。每种调节阀的可调范围都有一定的限制，最大就是50。如果可调节范围R≥80，单台调节阀就不可能实现。此时就需要采用大、小调节阀分程并联使用，当流量大时就用小阀全关，用大阀作调节。

比如设一个分程控制系统采用了两个调节阀并联工作，大阀A流通能力CAMAX=90；小阀B流通能力cBMAX=10。设两阀的可调比R=40，则在作分程控制时，总的可调比为

因此可见，用了这两台调节阀，总的可调范围大大扩展。分程后的可调比为原来单台的10倍。

2)满足工艺生产的特殊要求

某公司的筒体温度控制就需要设置两种调节阀，一个用于加热的加热器，一个用于冷却的角阀控制，像这种情况就需要分程控制。

3.4 分程的类型

按调节的开、关型式可以划分为两类。一是两台调节阀都是同向作用，即随着调节器输出信号的增大(或减少)，两台调节阀的开度都增大(或减少)，其动作过程如图2所示。

(1)

(2)

图2中(1)A阀动作的函数表达式为：YA=K1X，K1为2，X的取值范围为0～50%；YB=K2(X-50)，K2为2，X的取值范围为50%～100%。(2)A阀动作的函数表达式为：YA=K1(50-X)，K1为2，X的取值范围为0～50%；YB=K2(100-X)，K2为2，X的取值范围为50%～100%。

图3中(1)A阀动作的函数表达式为：YA=K1·(50-X)，K1为2，X的取值范围为0～50%；YB=K2(X-50)，K2为2，X的取值范围为50%～100%。(2)A阀动作的函数表达式为：YA=K1X，K1为2，X的取值范围为0～50%；YB=K2(100-X)，K2为2，X的取值范围为50%～100%。

(1)

(2)

3.5 分程的实现类型

从实现的角度来分可以分为硬件实现和软件实现。硬件实现是将调节器输出的4～20 mA 电流信号分成两段，一段为4～12 mA，将A阀的定位器调整输出 20～100 kPa，另一段为12～20 mA 将B阀的定位器调整输出 20～100 kPa，在定位器上实现分程，有一个缺点是电流信号串联在两个定位器上，一旦一个有问题将影响两个阀门；另一个缺点是换定位器时又得重新调整。软件分程是居于DCS的分程模块(拆线数字表)来实现，只要知道分程的参数，一一填写好数据就可以轻松实现分程。两个调节阀回路都是标准的4～20 mA 信号且相互独立，有故障时只影响其自身回路另一个回路仍然能正常工作，影响大大降低了。在分程实施过程中尤其要注意在一个阀是进气，另一个阀是排气，PID的输出信号已经到50%时，进气阀要求全关了，但存在一个动作滞后的问题，阀门没有全关而排气阀已经打开了一定开度进行排气，造成又进气又排气的情况，浪费能源。针对此种情况就需要一个死区段，让阀门关到位。如图4所示。

图4 带死区的分程图

图4中48%～52%就设为“死区”，A和B阀均保持原来的状态不变，等输出信号越过死区后再进行动作。就能很好避免又进气又排气的情况。

3.6 调节阀的气开、气关 调节器的正、反作用 分程区间的确定

在图5中PIC41026就是一个典型的分程控制，以这个流程图为例来分析上面的问题：PV41026B是进气阀，在故障时需要全关，所以选气开阀；PV41026A是排气阀，在故障时需要全开，所以选气关阀，当PIC41026的压力升高时，需要PV4126B关小，所以选为反作用。PV41026A是气关阀，它的输出特性为反作用，其具体分程的实现过程如下表格：

图5 流程图

表2 A阀拆线数据表

图6 两阀分程点上的流量变化图

表3 B阀拆线数据表

3.7 新型分程控制实施后效果验证

本公司筒体温控制系统有两个原则，其一：不能同时存在加热和冷却，那样会浪费能源，控制也不稳定。这种现象不会出现，因为0～50%是冷却阶段，50%～100%是加热阶段，不存在交叉的阶段，从原理上就避免出现象上述情况。其二：被控制对象(筒体温度)在切换过程中不能出现阶跃突变，温度也很稳定，达到公司所规定的指标在 ±1 ℃。从表4中具体数据分析看：

表4 筒体实时温度及偏差数据表

从表4中可以看出来，从6条生产线随机提取3段筒体温控数据来看，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 ℃，符合公司的指标要求的。

从图7中可以看出，最上面那根线是给定与PV的趋势线，几乎重合成一条一直线了，效果很好，也从另一个侧面验证了新型分程控制系统是成功的。

图7 筒体温度趋势图

4 下一步的优化调整

目前虽然温控系统投用后效果很好，但现场的加热器是只要一启动就是全功率加热，比较浪费电。下一步考虑在每一段的加热器上加装一个功率调节器，根据温控调节的OP值来调整加热器的加热功率，实现精准加热。每一条生产线每一段加热的功率如表5所示：

表5 加热器功率数据表

从表5中可以看出，加热器功率是比较大的，节能的潜力还很大，值得进一步的优化与调整。

5 结束语

对筒体温度控制，西门子专门推出了温度控制模块，但毕竟它是专用功能块，投资费用高，控温效果仍不及新型分程。另外增加点数比较麻烦，也不方便。如果在DCS上实施温控系统，有两大优势：一是费用低、二是程序简单，施工周期短，效果还好。新型分程控制系统有广阔的应用范围和市场前景。