压力-体积转换在CFC编程语言中的实现解析①

张伟超 胡彬 苏源发

(中国核电工程有限公司华东分公司 浙江嘉兴 314300)

在国内某化工项目中，某系统进行批次蒸发的工艺流程时，根据设备测量信号触发联锁动作。当仪表信号触发540dm3的SL低联锁点时，联锁打开供料阀门、启动供料泵向设备输送物料；当仪表信号触发740dm3的SH联锁点时，联锁停止供料泵运行；当仪表信号过低时，联锁关闭蒸汽阀门，停止对设备的蒸发。蒸发设备为非规则实体，采用传统的液位控制方式，不再满足工艺运行要求。液位仪表和密度仪表为西门子差压变送器，只能测量kPa信号，DCS将kPa值转换为dm3值需要额外编程处理，以实现体积值联锁。

1 仪表测量及信号处理原理

液位和密度测量均采用吹气测量方式。吹气管内经限流装置补充的气量很小但持续，当管内空气压力高于吹气管下端到液面的液柱静压时，便由吹气管下端鼓泡而出。变送器指示的吹气管内压力基本等于液柱静压力。

吹气结构按照吹气管数量一般可分为2管、3管和4管三种。本文采用的三管测量，一般应用在带密度补偿修正的液位测量系统中。

DCS系统接收现场西门子差压变送器的4～20mA信号，经信号模块AD转换并处理后转变为整型信号，经功能块编程转变为kPa信号。工艺采用dm3值实现联锁控制，而设备又为非规则实体，建立数学模型拟合设备较为复杂，退而求次，通过Excel软件散点图功能处理数据，建立kPa到dm3量纲转换的数学模型。

2 数据处理及可靠性控制

通过现场液位变送器和质量流量计，确定差压kPa信号与蒸发器内去离子水dm3值的对应数据组。

图1 生成散点图并拟合曲线

图2 逻辑封装调用

统计学中用r表征两个变量间线性相关关系的强弱，r值越大r2越大，相关性越强。线性回归模型则用R2表示模型拟合数据的效果好坏，数值越大拟合程度越高。通过函数“RSQ(X，Y)”初步分析标定数据的相关性r2=0.9422，相关性很强。插入Excel散点图，选中数据组，拟合曲线并显示确定系数R2，为保证工艺系统运行可靠，要求拟合曲线的确定系数R2尽可能高。

（1）尝试处理所有数据。

选中所有数据对，拟合生成系列1曲线，获得公式Y=1.2643X2+4.07X+48.811，确定系数R2=0.9839，对于较高精度的拟合要求，该曲线R2相对较低。

（2）根据（1）的结果，将数据组进行分段处理。

根据（1）中散点图，较容易地确定拐点（17.58，450.01）。计算拐点之前的数据段相关性r2=0.9999，相关性极强，拟合生成系列2 曲线，获得公式Y=25.614X-0.8086，确定系数R2=1，拟合精度极高适用于现场要求；

计算拐点后数据组（含拐点）的相关性r2=0.9977，相关性极强，生成系列3曲线，获得公式Y=1.724X2+4.4638X-167.76，确定系数R2=0.9993，精度极高适用于现场要求。详细情况参考图1。

为得到拟合曲线在某kPa点的拟合误差大小，将系列1、2、3的拟合公式分别进行算术代入，验证对应点的误差及误差百分比。确定系列1曲线拟合公式的误差最大点处的相对误差高达28%，无法满足较高的工艺控制要求；确定系列2曲线最大误差点在（1.98，50.01）附近，相对误差约为0.2%；确定系列3曲线的最大误差点在拐点附近，拐点处的相对误差约为1.46%。考虑到工艺系统的运行区间在540dm3～740dm3之间，全部落在系列3的拟合曲线内，而在该运行区间内的相对误差最大百分比约为0.63%。从仪表测量及控制角度分析，该精度满足较高的工艺控制要求。

图3 仿真测试

3 编程设计

根据测量原理及西门子编程手册，按照获得的系列2和系列3拟合曲线，进行分段编程设计。

（1）判断密度管完全淹没工况。

根据仪表量程与精度，计算最大允许误差，当液位信号与密度信号实际差值大于最大允许误差时，认为密度仪表管已完全被淹没，密度仪表示数不再发生变化，为固定的2.96kPa，液位仪表示数随液位升高逐渐增大；若小于2.96kPa，默认为密度测量管未完全淹没，密度变送器补偿无效，以水的密度1.0g/cm3来替代运算。

（2）确定实际密度。

标定试验采用的介质是密度为1.0g/cm3的水，而实际运行中，随着蒸发次数的不同，密度将为大于1.0g/cm3的某个变化值，因此当密度管完全淹没时，密度变送器的测量值也不再为固定的2.96kPa。根据液位和密度仪表的测量值，确定介质与水的密度比，并代入运算。

（3）确定拐点，程序分段，对系列2和系列3曲线编程。

根据曲线拟合时确定的拐点（17.58，450.01）分段编程，由液位、密度仪表和确定等效去离子水后的压力与17.58kPa比较，数值小于17.58时，采用系列2拟合曲线运算输出，数值大于17.58时采用系列3拟合曲线运算输出。

（4）对逻辑块封装调用。

封装逻辑块，并与现场仪表信号输入、联锁输出互联并调用，参考图2。

4 仿真器选点仿真对比

均匀选取标定数据组中部分点进行仿真。由于CFC程序中功能块处理的过程值信号为整型，在仿真时需对仿真界面IW870和IW872的液位和密度信号进行反译，反译公式为：Int =（KPa/Range）*27648。以第五个点（23.03,850.09）为例进行仿真。

编译下载整个工程项目，激活仿真器，在IW870窗口输入23.03kPa对应的液位信号值，在IW872窗口输入2.96kPa对应的密度信号值，监视封装块，仿真过程参考图3。其余选取点的仿真值与实际标定值误差较小，满足工艺要求。

5 结语

在该工艺流程中，使用设备的介质体积来实现联锁控制与常规的液位控制联锁有较大区别。由于设备为非规则实体，不同的液位高度段，相同的液位差值却对应着不同的体积，为保证运行的安全平稳可靠，控制系统联锁采用了体积值而非相对模糊的液位值。现场仪表采集到的kPa信号也需进一步处理转化为dm3信号。初步分析工程标定数据较为线性，采用Excel散点图建立简单的数学模型，获得较好的拟合曲线，CFC语言编程实现运行联锁。可为其他控制工程存在类似控制要求以及类似的信号转化时提供技术参考。