比值调节系统的构成与应用.pdf

中国石油和化工自动化第八届技术年会论文集比值调节系统的构成与应用刘宏奎中国阿拉伯化肥有限公司河北省秦皇岛市0 6 6 0 0 3摘要：本文通过作者亲身参与实施并成功投入稳定运行的几个工业生产实例，系统的阐述了比值控制系统的构成原理、应用，以及随着科学技术的不断发展完善，通过使用常规仪表、I P C、D C S 系统实现比值调节的不同方法。关键词：比值调节；构成原理；应用实例1 引言在炼油、化工、制药及其它许多工业生产过程中，我们经常遇到需要保持两种或两种以上物料按照一定比例关系投放的情况，如在温度控制系统中需要保证燃料与助燃风的比例，在混料过程中需要保证多种物料之间的混合比，在熔溶或溶解过程中需要保证混合后溶液的浓度，许多化学反应的多个反应物和催化剂要保持一定的比例等。随着现代化工业的飞速发展，这些生产过程中主物料的量也不再是固定的，整个过程变成连续的、动态的，这时候就需要用比值调节系统来实现生产过程的自动控制。比值控制系统在防止污染、节约能源、满足工艺生产过程的控制要求等方面正在发挥着巨大的作用，比值控制系统是一种非常重要的控制方式。比例一旦失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至造成生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是也十分重要的。2 比值控制系统构成原理实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。最为常用的是保持两种或几种物料的流量为一定比例关系。当两种物料流量分别为G 1 和G 2，则比值控制系统的控制目标是：G 1 G 2-r,其中r 是我们希望控制的两种物料流量之间的比例系数，可以是一个恒定值，也可以是一个根据我们的要求或随着工艺生产的进程及生产状况不断变化的值。图l 是一个燃烧器燃油流量与助燃风流量之间比值控制系统的构成原理图。为了易于理解在这里画出了燃油和助燃风管道。图1 比值控制系统的构成原理图将图l 进行简化后，这一比值系统的原理图如图2 所示：从图中可以看出，它与单回路调节系统很相似，实际上是一个随动调节系统，通过随动方式让被调参数随着另外一个随时根据工艺情况变化的参数按比例变化，实现比值调节。与单回路调节系统相比，它不过程控制与信息管理再是定值调节系统，而是增加了一个比值运算器，在这里可以根据工艺生产要求输入需要的比值系数r，将系统检测到的燃油流量值乘上比值系数r 后作为调节回路的给定值。图2 比值控制系统简化原理图图3 是一个由单元组合仪表构成的多变量比值控制系统实例图，现正在工艺生产过程中稳定运行。图3 由单元组合仪表构成的比值调节系统在这里有三种液体物料分别为液氨、磷酸和洗涤液，三种物料的流量检测方式不同，液氨用孔板检测，磷酸和洗涤液用电磁流量计检测，通过对应的流量变送器转换成统一的标准信号供系统使用。生产工艺上要求三种物料以液氨为主导，另外两种物料与液氨之间保持相对固定的比值关系。在生产过程中，要求液氨的流量随着产品产量和投料量的不同由操作人员进行手动设定，另外两种液体的流量按比例随着液氨流量的不同自动进行调整，无需人工干预；而磷酸流量与液氨流量之间的比值系数和洗涤液与磷酸之间的比值系数则要由操作人员根据产品的质量情况随时进行设定，每次重新设定之后，三者之间保持新的比值关系。这套由单元组合仪表构成的比值控制系统实际上是由一个单回路调节系统和两个随动调节系统经两个比值器连接起来组成的，每个单回路系统负责完成各自的流量控制。图中F C l 0 0 2、F C I1 0 2 和F C l 5 0分别是液氨、磷酸和洗涤液控制回路的调节器，F V l 0 0 2、F V l1 0 2 和F V l 5 0 分别是对应控制回路的管道调节阀，而F r l 0 0。2 和F r l l 0 2 则是两台比值器，每台比值器的两个输入分别是要跟随的流量值和比值设定值，二者进行乘法运算后输出信号作为对应回路给定值。系统中这三个调节回路虽然都是单回路调节，但所采用的调节方式并不一样，液氨调节采用定值调节方式，而磷酸和洗涤液回路则采用随动调节方式。在实际使用过程中，当生产投料量确定之后，液氨的流量由操作人员在调节器F C l 0 0 2 上按照投料量要求直接对给定值进行设定，而磷酸流量与液氨流量之间的比值系数和洗涤液与磷酸之间的比值系数则要由操作人员按照理论计算结果提前设定好后就可以开始正常生产了。生产过程中只要根据产品的质量情况对F r l 0 0 2 和F r l1 0 2 的比值设定值进行相应的更改就可以了。假设F r l 0 0 2 和F r l l 0 2 上设定的比值系数分别为r l 和r 2，则三种物料之间的比值关系为：磷酸流量液氨流量=r l；洗涤液流量磷酸流量=r 2；洗涤液流量液氨流量=r l*r 2。3 交叉限幅比值调节系统从静态特性上来讲，前面提到的比值调节系统能够实现两种介质的比值控制，满足正常生产的要求。中国石油和化工自动化第八届技术年会论文集但是，在对动态调整过程要求较高的应用场合，这样简单的比值控制却有可能出现问题。比如前面提到的燃气空气比值调节系统，在动态的情况下，空气和燃气两个调节回路有时并不是同步变化，调整的速度有快有慢，有先有后，这样当系统出现扰动时就会出现短时间的流量比值失控现象，如果是燃气流量过量，就会出现冒黑烟的现象。随着工业生产规模不断扩大，能源消耗量也越来越大，社会对企业环保的要求则更为严格，经常出现冒黑烟现象对现今的城市企业来讲是绝对不允许的。为了解决如上问题，可以在普通的比值控制系统中加入逻辑判断功能，采用交叉限幅比值控制系统。在烧结工艺中采用煤气做为燃料，空气助燃，再用煤气燃烧产生的热量来点燃烧结混合料，然后利用混合料在烧结机上自燃来实现烧结过程。点火控制过程实际上是烧结机点火炉炉膛温度的控制过程，而点火质量的好坏是决定烧结机产量和质量的重要因素之一。随着生产负荷调整、烧结混合料成份、含水量、以及煤气压力等因素的变化，点火状态随时都在变化，波动较大。原设计采用仪表系统实现常规的比值控制，但控制效果不好，时常有冒黑烟现象发生，控制精度也由于负荷波动大而经常达不到要求，出现未点燃或过烧的情况，实际上一直处于半自动半手动状态。后来我们采用由工控机实现的烧结机点火器交叉限幅比值控制系统解决了这个问题，使用效果良好。图4 是烧结机交叉限幅比值控制系统的结构原理图。图4 交叉限幅比值调节系统结构原理图这个控制方案从静态的角度来讲实际上是在一个串级比值调节系统的基础上为了改善系统的动态特性又增加了交叉限幅功能。实际点火温度与工艺设定的温度取差值进行P I D 运算后，作为煤气和空气流量调节回路的流量给定值，分别与各自检测到的对应流量值进行比较，取其差值做P I 运算，控制对应的调节阀对煤气和空气流量进行调节，以实现点火温度的自动控制。为克服因动态响应不同而引起实际的燃气空气比值r 的变化，在原来传统串级调节系统的基础上，增加了高值选择器H S 和低值选择器L S，以实现动态条件下煤气流量和空气流量设定值与测量值之间的相互制约，避免燃气过剩状况的发生，保证无论是在稳定状态还是在变化状态，都有一定量的过剩空气，使煤气充分燃烧。其工作原理是，当实际炉温与设定值比较偏低时(升负荷过程)，调节器温度P I D 的输出值增加，这时煤气流量和空气流量都应当增加。此时空气调节回路的设定值通过高值选择器H S 选择温度P I D 输出和煤气测量值的高值，使空气流量领先增加；而煤气调节回路的设定值通过低值选择器L S 选择温度P I D 输出和空气测量值的低值，使煤气流量在空气流量增加之后再增加。这样，在需要增大点火器火力或克服外界干扰的过程中就保证了空气流量领先增加的要求。同理，当实际炉温与设定值比较偏高时(降负荷过程)，调节器温度P I D 的输出值减少，这时煤气流量和空气流量都应当减少。此时煤气调节回路的设定值通过低值选择器L S 选择温度P I D 输出和空气测量值的低值，使煤气流量领先减少；而空气调节回路的设定值通过高值选择器H S 选择温度P I D 输出和煤气测量值的高值，使空气流量在煤气流量下降后才开始下降。这样，在需要降低点火器火力时就保证了煤气过程控制与信息管理流量领先减少的要求。通过上面的系统构成，就实现了增负荷时空气比煤气先增加，降负荷时煤气比空气先减少，只要空气调节回路不出现故障，就能保证系统不冒黑烟，始终保持空气相对煤气的适量过剩状态。这套系统在实际使用中效果很好，实现了长期稳定运行。由于是使用工控机来开发研制的，本系统还实现了数据采集、越限报警、台车停止自动关煤气和计量报表等一系列功能。4 直接比值控制系统既然我们希望控制的是比值，能否象控制其它参数一样，把比值作为被调参数来调节呢?这样操作和观察起来就直观方便多了，能有效的避免操作失误给生产造成的损失。实际上是完全可以的。图5 是一个实际应用的主料与辅料比值控制系统的构成原理图。在这里主料和辅料都是固体物料，采用电子皮带秤进行控制，同时皮带秤也实现执行机构和流量变送器的功能。从图中可以看出，它是把从皮带秤采集到的辅料流量W 1 7 0 9 与主料流量W 1 7 1 l 做除法运算，计算出比值r 反馈到调节器，与比值给定s P 值进行比较后再进行P I D 调节，调节输出控制辅料皮带秤，使辅料流量与主料流量的比值保持一个固定值，实现比值控制。混合料J咝p-圃-圃-辅料秤W 7 0 9l 比值反馈ol 除法器阵一陶料流剖J辅I 1 一粘 士科况剧1图5 直接比值控制系统原理图从原理图上看这实际上已经很接近于单回路调节系统了。图6 是我们通过摸索开发的比值调节系统实例，由H O N E Y W E L L 公司D C S 系统模块搭建的实现上述功能的比值调节系统构成方块图。下面对其工作原理予以详细说明。图6 直接比值调节系统构成在这里主要用到了5 个点，分别是模拟量输入点W 1 7 0 9、调整P V 点F F 7 0 9、调整控制点F F C 7 0 9、调整控制点W C 7 0 9 和模拟量输出点W V 7 0 9，主料流量W 1 7 1 l 在这里直接引用。W 1 7 0 9 是把辅料皮带秤W 7 0 9 输出的4 -,2 0 m A 电流信号转换成D C S 中可以直接引用的数字化的流量值W 1 7 0 9 P V，一方面作为自动调节系统的反馈值，一方面由F F 7 0 9 引用去计算实际的辅料与主料之间的比值。F F 7 0 9 要实现的功能是将辅料与主料之间的实际比值计算出来，由调节器去引用。它的一个输入是中国石油和化工自动化第八届技术年会论文集W 1 7 1 1 F I L T，实际上是W 1 7 1 1 经滤波后得到的，滤波是在调控点F F C 7 0 9 中实现的，可以对滤波时间常数进行设定，其目的是为了保证系统控制稳定，减少波动，如果W 1 7 1 1 波动不大，也可以直接引用。本模块实现的基本算法是r=W 1 7 0 9 P V M 71 1 F I L T。F F C 7 0 9 是调控点，但控制算法要选用比值控制，而不是P I D 控制。实际上它主要起到的并不是调节作用，而是计算功能、操作功能和显示功能。除了对W 7 1 1 P V 进行滤波的功能外，它实现输出F F C 7 0 9 O P=W 1 7 1 1 F 叮S P 送到调整控制点W C 7 0 9 作为给定值实现自动控制。F F C 7 0 9 虽然引入了F F 7 0 9的计算结果r 值，可这个值并不是作为闭环控制系统的反馈来直接参与控制，但作为调节控制点，在D C S系统的人机界面上它却实现了我们希望得到的直接显示和设定比值的功能。在实际使用中，对操作人员来讲，这个比值调节系统的所有操作和显示功能都集中在这个点上。W C 7 0 9 是比值系统真正的调节器，是一个调整控制点，但它实现的只是普通的P I D 调节器的功能，此处一定要设定成串级调节C A S 方式。它将F F C 7 0 9 的计算结果作为给定值，与反馈回来的辅料流量W 1 7 0 9 P V 进行比较后取其差值进行P I D 运算，其结果作为调节器的输出送到W V 7 0 9 对皮带秤的运行进行控制，使得皮带秤所输送的辅料流量按照一定的比例r 跟随主料流量值来变化，实现随动功能。模拟量输出点W V 7 0 9 只是把调节器W C 7 0 9 的P I D 运算结果转换成4 2 0 m A 的信号直接控制现场设备辅料皮带秤。并无其它功能。从以上分析介绍可以看出，在这里比值调节器是由两个调控点F F C 7 0 9 和W C 7 0 9 共同构成的，实现了我们理论上的比值调节器的全部功能。这一控制方式确实方便、直观，白投运以来，系统一直处于稳定运行当中。5 结语通过上面几个比值控制系统的应用实例可以看出，从组合仪表、I P C 控制到D C S 控制，系统构成越来越复杂，但实现的控制功能越来越完善，控制能力越来越强，方便程度也越来越高，控制效果越来越好，这充分体现了自动化领域技术进步给企业带来的诸多好处。比值控制是工业生产中经常用到的一种非常重要的控制方式，以上只是通过几个应用实例介绍了比值控制系统的构成原理和几种实现方法，它在实际使用中有多种各式各样的变形，但万变不离其综，只要我们对它的控制原理给与更为深透的理解，就能根据具体的工艺要求和操作规律，通过仔细设计，合理组合，采用越来越先进的技术，构成更适合于工艺需要的各种闭环比值调节系统方案，更好的解决生产中遇到的实际问题。1 6 7