分程控制在化工生产中的应用

徐建鑫，李明艳

（天津渤海化工集团公司，天津300480）

在工业生产中，有时使用单台调节阀难以满足复杂的工艺控制要求， 需要2 个调节阀进行分程控制。所谓分程控制，一般是指用1 个调节器去控制2 个阀门且按输出信号的不同区间去操作不同的阀门。分程控制一般有2 种应用，一种是反向调节，在特殊工况下，用2 台调节阀控制2 种不同介质；另一种是同向调节，用于扩大可调比，即调节阀最大流通能力与最小流通能力之比[1]。渤海化工集团公司糊树脂生产过程就采用了分程控制，实现了复杂的控制要求。

1 分程控制的分类

1.1 反向调节规律

反向调节规律示意图a 见图1。

图1 中，A 阀为气关阀，当调节器信号由4 mA增大到12 mA 时，对应气源信号由0.02 MPa 增大到0.06 MPa 时，阀门开度由100%减小至0，即由全开到全关；B 阀为气开阀，当调节器信号由12 mA 增大到20 mA 时，对应气源信号由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 时，阀门开度由0 增大至100%，即由全关到全开，反向调节规律示意图b 见图2。

图2 反向调节规律示意图b

图2 中，A 阀为气开阀，当调节器信号由4 mA增大到12 mA 时，对应气源信号由0.02 MPa 增大到0.06 MPa 时，阀门开度由0 增大至100%，即由全关到全开；B 阀为气关阀，当调节器信号由12 mA 增大到20 mA 时，对应气源信号由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 时，阀门开度由100%减小至0，即由全开到全关。

1.2 同向调节规律

同向调节规律示意图a 见图3。

图3 同向调节规律示意图a

图3 中，A、B 阀均为气开阀，当调节器信号由4 mA 增大到12 mA 时，对应气源信号由0.02 MPa增大到0.06 MPa 时，A 阀门开度由0 增大至100%，即由全关到全开； 当调节器信号由12 mA 增大到20 mA 时， 对应气源信号由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 时，B 阀门开度由0 增大至100%，即由全关到全开，同向调节规律示意图b 见图4。

图4 中，A、B 阀均为气关阀，当调节器信号由4 mA 增大到12 mA 时，对应气源信号由0.02 MPa增大到0.06 MPa 时，A 阀门开度由100%减小至0，即由全开到全关；当调节器信号由12 mA 增大到20 mA，对应气源信号由0.06 MPa 增大到0.10 MPa时，B 阀门开度由100%减小至0，即由全开到全关。

2 分程控制方案的实施方式

分程控制方案的实现方式通常有2 种，即硬件分程和软件分程。

2.1 硬件分程

在硬件分程控制系统中，阀门定位器是核心部件，控制器输出的信号分别在2 台定位器上实现对2 台控制阀的全程动作调节。需要在现场对2 个定位器进行信号整定，通过改变阀门定位器的弹簧或零点，实现相应阀门作全程动作。具体实现方法，就是对0.02～0.10 MPa 信号进行分配，调节器输出的4～12 mA 标准信号时对应阀门输入0.02～0.06 MPa气动信号，使A 阀全程动作；调节器输出的12～20 mA标准信号时对应阀门输入0.06～0.10 MPa 气动信号，B 阀作全程动作。2 台阀的控制信号通过一个AO 卡通道送出。在电气硬件连接上，2 台调节阀在同一个控制回路中，相当于串联，一旦有1 台阀出现故障，就会影响整个控制系统，且人员误操作风险比较大，在早期的糊树脂生产装置中采用硬件分程的比较多，但现场对定位器整定繁琐，现在已逐渐淘汰这种方式。

2.2 软件分程

在CS3000 系统中，提供了专门实现分程控制的SPLIT 功能块，以软件组态来实现分程的功能。

2.2.1 SPLIT 功能块的原理

在CS3000 系统中，SPLIT 功能块的作用是接收控制器的输出信号作为设定值，通过信号分配器开关和信号范围转换器产生2 个输出信号。利用其内部信号范围转换器，对控制器输出信号进行分配运算，得到2 个操纵控制阀的操作输出信号，而这2 个操作输出信号工作范围为标准信号 （对应1～5 VDC或4～20 mA DC）。SPLIT 功能块功能框图见图5。

图5 SPCIT功能块功能框图

SET 外设定值输入端；OUT1输出端1；OUT2输出端2；CSV 串级设定值；SV 设定值；SW 分配器开关参数值；MV1操作输出值1；MV2操作输出值2；RSV 远程设定值CAS 串级方式；AUT 自动方式；RCAS 远程串级方式。

当SW=0 时，SPLIT 停止信号分配；当SW=1时，只将SV 分配给MV1；当SW=2 时，只将SV 分配给MV2；当SW=3 时，将SV 同时分配给MV1和MV2。通常的分程应用中在SPLIT 功能块的参数调整画面中都设定SW=3。

在软分程控制中，控制器输出信号经分离信号模块SPLIT 分为2 路，通过2 个AO 卡通道送出信号；信号范围都是4～20 mA，2 个调节阀分别位于2个回路中，对调节阀的操作分2 路进行，彼此互不影响。且无需到现场重新整定定位器，只需根据工艺要求设定相应的控制程序即可。

2.2.2 软件分程的优点

软件组态方式实现分程控制，易于调试和修改，更易于实现，方便灵活高效。使控制更加可靠，克服了硬件分程现场调试定位器的繁琐、不准确、稳定性差等缺点。

3 分程控制的应用

3.1 分程控制反向调节的应用

渤海化工集团糊树脂生产过程，单体VCM 以及引发剂各种物料投入设备后，为了使其达到反应温度，开始时需要提供一定的热量。达到反应温度后，物料迅速发生化学反应，并且不断释放出热量，这些热量会使反应越来越剧烈，如果不及时带走这些热量，聚合釜就会发生爆炸。因此，该项目既要进行反应前预热，又要及时移走反应热。从设备安全角度考虑，进蒸汽阀选故障关即气开型调节阀，加冷水阀应选故障开即气关阀。种子乳液法釜温控制，用的是以图1 所示的反向调节规律。

温度调节器选择反作用，在反应前升温阶段，温度测量值低于系统设定值，因此调节器输出增大，蒸汽阀如图1 中的B 阀开度增大，冷水阀如图1 中的A 阀关闭。使反应器温度升高。当温度达到反应温度时，开始发生化学反应，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐提高。当温度测量值大于给定值时，调节器输出减小，（调节器是反作用）。随着调节器输出的减小，蒸汽阀是气开阀开度逐渐减小直至完全关闭，而冷水阀是气关阀则逐渐打开。这时反应器夹套中流过的是冷水，反应热会被冷水迅速带走。从而使反应温度得到平稳的控制。

正常反应阶段的釜内温度串级分程控制，釜温TC100 为主参数，设定值就是反应温度；夹套水温度TC112 为副参数，控制冷水阀TV112-1 图1 中A 阀和蒸汽TV112-2 图中B 阀，按╲╱进行模型分程控制，其中，TV112-1 在4～12 mA 由开到关，TV112-2在12～20 mA 由关到开。分程控制由软件组态实现见图6。

靠冷水和低压蒸汽使温度恒定，其中冷水使用气动蝶阀，蒸汽使用气动单座调节阀，其中冷水蝶阀TV-112A-1 可以手动控制。

3.2 同向调节的应用

干燥器入口温度控制就是扩大可调范围的典型应用。采用图3 所示的调节规律，工艺流程简图见图7。

图6 分程控制软件组态示意图

图7 分程控制工艺流程图

根据现场工艺条件，控制蒸汽的2 台阀均采用故障关，气开型。TV-321A-1，口径DN300，三偏心金属蝶阀，介质为0.6MPa，165 ℃的低压蒸气；TV-321A-2，口径DN150，气动单座调节阀，介质为1.6 MPa，205 ℃的高压蒸气.干燥时干燥器入口温度设定值180 ℃。控制方案应用SPLIT 功能块，实现软分程。

温度调节器选择反作用，在干燥开始阶段，温度测量值低于系统设定值，因此调节器输出增大，蒸汽阀如图3 中的A 阀开度增大，直至全开，仍低于设定值，调节器输出继续增大，B 阀逐渐开启，直至达到设定值。调节器自动调节，使温度稳定在某一范围内；当温度测量值大于给定值时，调节器输出减小，（调节器是反作用）。随着调节器输出的减小，B 蒸汽阀是气开阀开度逐渐减小直至完全关闭，若仍高于设定值则A 阀也逐渐减小至全关。从而使干燥器入口温度得到平稳的控制。同向调节类似于单回路调节。

正常应用中PID 块投自动，SPLIT 块投串级。由顺控表控制2 个带自动开关的手操器置自动状态。SPLIT 功能块SP321A 在调整画面中需置SW=3，才能保证信号分程后从两路输出，分别控制TV321A_1和TV321A_2，见图8。

4 结语

本文结合渤海化工集团公司糊树脂生产过程的复杂控制回路，讲述了分程控制在CS3000 系统中的组态与实现。根据工艺的复杂控制要求，采用合理的控制方案，使产品质量达到指定的要求，并取得了可观的经济效益。

图8 软件组态示意图

［1］王骥程，祝和云.化工过程控制工程.化学工业出版社，2002.