时间比例算法在流程工业现场的应用

陈焕良+曾欣+马良荣+朱晃佐+胡鑫+廖利平

摘 要：本文以中控U6-200一体化PLC与C3900多功能智能控制器在流程工业现场控制中的成功应用为例，阐述了整体实施过程中的控制思想和整体配置及解决方案，同时介绍了实施步骤、应用案例等。

关键词：时间比例；占空比；反应釜温度控制；PH控制；智能仪表

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.032

0 引言

目前，位于化工自动化最底层的控制器仍然是以PID为主流。PID方法是一种基于过程参数的控制算法，其控制原理简单、实现方便，但在控制对象非线性时变、给定突变、大时滞系统等情况下，过程模型难以确定，参数调整往往比较困难，即使可行也因调整时间过长、超调量过大，使控制效果不佳，因此，使用先进的控制理论来弥补PID控制方法的不足，成为目前国内外自动控制方面的一个主要课题。

1 过程控制器的概述

浙江中控自动化仪表有限公司在2006年投入了大量的研发力量，研发了基于对象控制的新型过程控制器，填补了无纸记录仪和DCS之间的面向对象的小型控制系统的空白。

过程控制器是一款可编程的多回路控制器，主要型号分为C3900系列和一体化PLC（U6-200系列）。过程控制器内部最多包含8个单回路PID控制模块、3个程序控制模块、6个ON/OFF控制模块、RLZ温度专用算法，可实现单回路控制、多回路控制，每个回路除可以作为普通的PID回路外还可以结合运算、函数功能，设置成三冲量、串级、比率、分程、自动选择、非线性控制、位式控制及用户定制等多种复杂的控制方案，其控制输出信号可以通过继电器触点、直流电流模拟信号输出给执行器。

2 以下通过在不同工艺情况下的几个成功案例，来简要说明一下时间比例算法在流程工业现场的运用

案例一：盐城瓯华化工硝化反应釜温度控制

现场情况：用户现场是很典型的温度控制手段，热水和冷却水切换进入夹套对反应釜釜温进行控制。操作工一般按经验来控制釜温，釜温的控制也跟操作工的熟练程度有关，经验较好的操作工一般能控制到（40～42）℃，一般的操作工可能会控制在（38～42）℃。

工艺情况：投入固体料后定量加入硝酸，搅拌后进行升温操作，在夹套能通过热水，到温度升到38℃就可以滴加硫酸，硫酸是用户事先打入的高位槽中的，滴加速度一般控制在24.6L/h，此流速是经过计算得到的，一般14个小时将高位槽内的硫酸均速地加入到反应釜，此反应为放热反应。放热反应不是很剧烈，但一般温度低于（37～38）℃后滴加硫酸后将不再反应。

用户操作工一般的操作方法：加热到38℃后关闭热水阀，让热水在夹套内与反应釜换热一段时间后基本上达到38.5℃后就开始滴硫酸，开始滴加后反应釜温会缓慢上升，看温度的变化情况调节夹套出口阀位，一般开两圈，大概的阀位在30%左右，用户调温的另一个参照为夹套出口温度，测量手段用手直接摸来感觉温度情况。

现场调试情况：通过一天的观察，了解了用户的人工操作情况，查看用户操作的一些关键点。接下去就是实施过程，想到的第一种方案是通过串级控制的方式，将釜温做为主控，夹套出口温度做为副控，经过试验验证失败，分析原因为夹套出口温度存在着较大的滞后，将温度下移至夹套可能效果更好，但基于用户无法现场动火更改测点，此方案被放弃；想到的第二种方案是U6中的针对温度的专用算法RLZ算法，但RLZ算法需要在全开全关一整个过程中看其测量值的变化而自整定参数，但因为一千多升容量的夹套的大滞后全开和全关变化的整个过程，工艺条件无法满足，所以该方法未尝试便已被放弃；想到的第三种方案是尝试通过能量守恒的这个大方向，反应釜放出的热量与夹套加入的冷却水的冷量在某种程度上应该是一种动态的平衡。基于这种总体方向接下去就是考虑使用何种方法实施，根据以往对PH控制的经验，想到用时间比例算法与AO通道进行串联，对温度区间进行分割，根据之前的调试了解了夹套大概的滞后时间，将其做为确定时间比例周期，刚开始控制效果不是很理想，但大体确定可控，就调试过程中的数据进行分析：参数设定上是有缺陷的，1、时间比例周期太小，一开始设定是30秒；2、温度区间分得不够细（几个节点是39.5、40、40.5、41、42），；3、时间比例输出跳跃性大（0、5、10、15、20、30）；4、阀位设定过大，加入量过大而导致冷量的累积过大，到后段不可控；5、没有考虑夹套出口温度的变化。根据分析，对时间比例的可行性表示肯定态度，就之前失败原因进行一一修改：1、将时间比例周期改到40秒；2、对温度区间进行第一步细化，共分九段；3、将时间比例输出设置得更平稳（0、3、5、7、9、11、15、20），考虑到温度超过42℃后一直全开会导致过调，结合之前的分析和操作工调温的经验，将开阀时间定为一半时间全开，在后面的测试中得到应证；4、阀位限定在最大25%，当温度高于42℃时阀位自动开到100%；5、因为控制是开环控制，必须将几种极端情况进行考虑，当夹套温度高过38℃时认为夹套内还是之前加热过的热水，此时加大阀门的开度，在原基础上加5%，以加快对热水的中和，当夹套温度低于30℃时认为夹套的温度可能已经过调了，将时间比例输出为0，不再加冷却水。

通过以上的处理，当开始滴加硫酸时将时间比例投入后，观察用户一个生产周期（28个小时）温度控制在始终保持在（40～41.5）℃之间。控制曲线如图1所示。

案例二：浙大高分子实验室温度控制

时间比例算法一个很大的缺点就是没有办法闭环控制，所以要考虑到的极端或特殊的情况要全面，如果有一个没有想到就会造成不可控的情况出现，所以也一直在摸索，必须将开环变为闭环才是真正实现有效控制的最好方法。浙大高分子实验室温度控制项目的实施真是解决了闭环问题，该项目是研究弹性体随温度变化的特性，目前广泛应用于橡胶轮胎的生产中，在该项目的实施过程就考虑了的闭环，主要通过表达式完成对升温速率的运算从而得到设定温度值SV，将此温度作为PID的设定温度，过程侧量值PV与设定值SV通过PID运算，将其运算输出的值（PID.OUT）作为时间比例算法中占空比的来源，借助于占空比对加热丝进行通断控制，运用PID与时间比例复合使用，使整个控制过程达到闭环控制，从而真正达到对加热速度的有效控制。

案例三：廊坊国药集团单滴定反应釜PH控制

众所周知PH有两大特性：滞后性和非线性，正因为这两大特性，所以控制难度非常大，特别是在工业现场更是一大难题。常见的控制方法有非线性函数、PID+复杂算法、非线性增益、时间比例算法等，针对不同的工艺现场有不同的用法，而该控制方案主要阐述的是时间比例算法在反应釜单滴定这种常用的工艺中的应用。控制思想与温度控制的思想相类似，但与温度控制不同的是难点在于时间周期的判断和周期滴加时间的选取。通过现场勘察，几个工艺流程手动操作了解下来，工艺情况是在3000L的反应釜内，在Φ10滴加管道上安装有气动切断阀，滴加管道直接伸入反应釜中部以下，一般反应液会在反应三分之二左右，在反应釜另一侧使用梅特勒顶插式PH计检测PH值，控制要求是将反应釜内部PH值从母液的13.5左右通过5%左右的盐酸溶液滴加精确得控制到9.15，中间时间没有具体要求，一般控制在两小时内。现场测试情况从滴定碱液到反应釜后通过搅拌后反应大概的时候是40秒，所以最后确定时间周期设为40秒，将9.20-9.15作为死区，然后对PH值进行分区，将13.5至9.20分成8个区间，越接近9.20分得越细，通过几个流程的测试并对区间及占空比值的修正，最后控制的效果为9.15+0.1。

3 结束语

工业现场工艺纷繁复杂，针对不同工艺，通过不同的控制思想，可以将不可能变成可能，只要我们努力去发现，结合书本的理论知识。工业现场总能找到一款适合现场的控制方法，而时间比例算法是其中一种很好的方法，其运用领域非常广泛。