双闭环比值控制在全自动智能配碱中的应用

熊万昌

(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 比值控制系统介绍

1.1 比值控制系统定义

比值控制系统是指实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。在化工炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要将两种或两种以上的物料保持一定的比例，如比例一旦失调，将影响生产或造成事故。在需要保持比例关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料，表征这种物料的参数称之为主动量，用Q1表示;另一种物料处于随动地位，这种物料称之为从动量或随动量，用Q2表示。主动量调节的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，主动量的变化不断改变从调节器的给定值，使从调节器的给定值适应负荷并随操作条件的而变化，即具有一定的自适应能力。

1.2 比值控制系统的原理

通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为流量Q1，从动量为副流量Q2。Q1与Q2的关系为：

Q2=K·Q1

(1)

式中，K为比例常数。因此，只要主副流量的给定值保持比例关系，或副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。

1.3 双闭环比值控制系统

某公司地处长江上游，安全环保压力很大，另一方面改成全自动智能配碱控制，对控制系统的安全性、可靠性、稳定性要求很高。为了克服单闭环比值控制系统中碱流量不受控制而产生的系统生产能力“失控”状况，在单闭环比值控制的基础上，对碱流量也设置了一个闭环回路(FIC0728)，构成对主副物料流量都进行控制的双闭环控制系统。该系统是由一个定值控制的主流量回路(FIC0728)和跟随主流量变化的副流量控制回路(FIC0729)组成。FIC0728能克服碱流量的扰动，实现定值控制。同理，副流量控制回路也能实现定值控制。当工艺需要加减负荷时，只要改变主流量的给定值，副流量就会按比例增加或减少，从而克服单闭环比值系统的缺点。其原理方框图如图1。

图1 原理方框图

2 比值控制系统的设计

2.1 比值控制系统的类型选用

比值控制分为单闭环控制系统、双闭环比值控制系统、串级闭环比值控制系统。根据某公司的工艺情况、负荷变化、控制要求等进行合理选择。工艺人员要求碱流量、脱盐水流量控制系统均需要闭合控制，故最后确定为双闭环比值控制系统。

2.2 主从物料的选择

主从物料的确定是控制系统设计的关键第一步，主要依循以下原则：①贵重原则;②不可控原则;③主导作用原则;④流量大小原则;⑤工艺需要原则。根据以上5项原则及工艺的实际生产情况，综合考虑后，确定碱流量为主动量，脱盐水流量为从动量或辅助量。

2.3 系统组成及仪表选型

双闭环流量比值控制系统主要分为系统软件及控制仪表硬件两部分。

2.3.1 系统软件

系统软件是在霍尼韦尔公司的PKS-C300 R310.1系统下自行开发的一键全自动智能配碱程序。

2.3.2 系统硬件

系统硬件：DN25 PN1.6流量计(FT0729)304不锈钢;DN80 PN1.6流量计(FT0728)304不锈钢;DN25 PN1.6调节阀(FV0729)304不锈钢; DN80 PN1.6调节阀(FV0728)304不锈钢; DN25 PN1.6截断阀(HV0705)304不锈钢

3 工艺流程介绍

用50%碱加水来配制成质量分数为38%的碱，整个过程为：用4-P0711A/B泵将碱液打入38%的碱液储存罐中，中间加入水来稀释。经过FIC0728来调节碱流量，FIC0729来调节加入的水流量，HS0705切断阀用来切断进入4-V0705的碱液和水。当4-V0705的液位LI0705高于85%，4-V0705库存量大于 60 t，碱与水的比值大于3.22或小于3.11时，HS0705全关;4-P0711A/B泵停止运行。见图2。

图2 工艺流程图

3.1 碱与水两者之间的理论计算

化简整理后得：

这个值即为碱流量与水流量的比值，自动程序就引用这个比值进行自动加碱和水，见图3。

图3 比值计算图

4 程序智能功能的实现

4.1 加水过多的智能判断

在程序当中引入了FIC0728.PIDA.PV与FIC0729.PIDA.PV1的实时比值，同时，为了保险，做了两者的流量累积之比，即FQ0728.TOTALIZERA.PV与FQ0729.TOTALIZER.PV之间的比值。两种比值只要负向偏离了0.05，且该值(<3.117)连续 180 s 时，就自动停4-P0711A/B泵，HS0705阀门全关，FIC0728、FIC0729调节回路关到-6.9。出现这种情况有二种原因：其一是FIC0729调节回路PID参数优化调整不到位，长期出现超调现象;其二是FIC0729的阀门定位器调整得不好，实际开度与FIC0729.PIDA.OP不一致，偏大了。

4.2 加碱过多的智能判断

4.1中两种比值只要正向偏离了0.05，且该值(大于3.217)连续 180 s 时，就自动停4-P0711A/B泵，HS0705阀门全关，FIC0728、FIC0729调节回路关到-6.9。出现这种情况有三种情况：其一是FIC0728调节回路PID参数优化调整不位，长期出现超调现象;其二是FIC0728的阀门定位器调整得不好，实际开度与FIC0728.PIDA.OP不一致，偏大了。其三是4-P0711A/B换了新的泵，输出能力更大了，相同的输出，因为液体压力更大，流速增大，造成碱流量加多了。

4.3 4-V0705库存不大于60t的智能判断

根据安全环保的要求，4-V0705的液位LI0705.DACA.OV不能高于85%。为了确保安全，再增加了MSA0705库存量，每次配碱的总库存量不能大于 60 t。总库存的计算方法：在自动配碱程序启动时的原始库存量+FQ0728.TOTALIZERA.PV+FQ0729.TOTAIZERA.PV，见图4。

图4 总库存计算图

由于每一次配碱原始库存不一样，因此每一次程序启动时都要把原始库存数据取出来，具体的方法如图5。在设置时间时，时间太短，取出数据不具代表性;时间太长，取出来的数据包含了新加入的碱，数据不准确。经过反复试验，确定使用 3 s 间隔。

图5 取原始库存数据图

当总库存量大于 60 t 或LI0705.DACA.PV大于85%时，配碱程序自动停止，即自动停4-P0711A/B泵，HS0705阀门全关，FIC0728、FIC0729调节回路关到-6.9。

5 FIC0728与FIC0729比值控制

在实际生产中，FIC0729跟踪FIC0728按比值3.167来进行调节。将FIC0728.PIDA.PV除以3.167的值作为FIC0729.PIDA.SP，见图6。

图6 FIC0729.PIDA.SP图

6 FIC0728.PIDA.SP/OP原始给定值的确定

FIC0728.PIDA.SP的原始给定值是根据工艺人员多年的实践经验数据及管径大小、安全环保等综合考虑后得出的一个经验数据。重庆本部FIC0728.PIDA.SP程序启动后原始值为10t/h，FIC0728的范围为0～35 t/h。

根据FIC0728.PIDA.SP=10T/h，再结合图7和图8计算出对应的开度=28.57%。

图7 各种阀门的流量特性图

图8 流量与开度的对应图

7 FIC0728投用后效果图

从图9中看出，每一个批次的FIC0728.PIDA.DA CA.PV与FIC0728.PIDA.OP都能保持一致性。

图9 效果图

8 FIC0729投用后效果图

从图10中看出，每一个批次的FIC0729.PIDA.DA CA.PV与FIC0728.PIDA.OP都是一致，批次的重复性和再现性都很稳定。

图10 效果图

9 结束语

比值控制在全自动智能配碱中的应用效果是十分理想的，配出来的碱质量分数都在38%。用程序来代替人工手动配碱，有以下几个优点：一方面批次之间差异很小;另一方面是用一键启动配碱，大大降低了操作人员的劳动强度和时间，节约了人力资源。另外程序中增加了智能判断功能和联锁，使整个过程都安全可靠。尤其在程序启动时最原始的给定值和调节回路的输出值的确定，可以有效降低初始振荡，快速稳定，对配比精度有重要作用。