分程控制在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐建鑫，李明艷

（天津渤?；ぜ瘓F(tuán)公司，天津300480）

在工業(yè)生產(chǎn)中，有時使用單臺調(diào)節(jié)閥難以滿足復(fù)雜的工藝控制要求， 需要2 個調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分程控制。所謂分程控制，一般是指用1 個調(diào)節(jié)器去控制2 個閥門且按輸出信號的不同區(qū)間去操作不同的閥門。分程控制一般有2 種應(yīng)用，一種是反向調(diào)節(jié)，在特殊工況下，用2 臺調(diào)節(jié)閥控制2 種不同介質(zhì)；另一種是同向調(diào)節(jié)，用于擴大可調(diào)比，即調(diào)節(jié)閥最大流通能力與最小流通能力之比[1]。渤?；ぜ瘓F(tuán)公司糊樹脂生產(chǎn)過程就采用了分程控制，實現(xiàn)了復(fù)雜的控制要求。

1 分程控制的分類

1.1 反向調(diào)節(jié)規(guī)律

反向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖a 見圖1。

圖1 中，A 閥為氣關(guān)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由4 mA增大到12 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.02 MPa 增大到0.06 MPa 時，閥門開度由100%減小至0，即由全開到全關(guān)；B 閥為氣開閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由12 mA 增大到20 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 時，閥門開度由0 增大至100%，即由全關(guān)到全開，反向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖b 見圖2。

圖2 反向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖b

圖2 中，A 閥為氣開閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由4 mA增大到12 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.02 MPa 增大到0.06 MPa 時，閥門開度由0 增大至100%，即由全關(guān)到全開；B 閥為氣關(guān)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由12 mA 增大到20 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 時，閥門開度由100%減小至0，即由全開到全關(guān)。

1.2 同向調(diào)節(jié)規(guī)律

同向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖a 見圖3。

圖3 同向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖a

圖3 中，A、B 閥均為氣開閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由4 mA 增大到12 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.02 MPa增大到0.06 MPa 時，A 閥門開度由0 增大至100%，即由全關(guān)到全開； 當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由12 mA 增大到20 mA 時， 對應(yīng)氣源信號由0.06 MPa 增大到0.10 MPa 時，B 閥門開度由0 增大至100%，即由全關(guān)到全開，同向調(diào)節(jié)規(guī)律示意圖b 見圖4。

圖4 中，A、B 閥均為氣關(guān)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由4 mA 增大到12 mA 時，對應(yīng)氣源信號由0.02 MPa增大到0.06 MPa 時，A 閥門開度由100%減小至0，即由全開到全關(guān)；當(dāng)調(diào)節(jié)器信號由12 mA 增大到20 mA，對應(yīng)氣源信號由0.06 MPa 增大到0.10 MPa時，B 閥門開度由100%減小至0，即由全開到全關(guān)。

2 分程控制方案的實施方式

分程控制方案的實現(xiàn)方式通常有2 種，即硬件分程和軟件分程。

2.1 硬件分程

在硬件分程控制系統(tǒng)中，閥門定位器是核心部件，控制器輸出的信號分別在2 臺定位器上實現(xiàn)對2 臺控制閥的全程動作調(diào)節(jié)。需要在現(xiàn)場對2 個定位器進(jìn)行信號整定，通過改變閥門定位器的彈簧或零點，實現(xiàn)相應(yīng)閥門作全程動作。具體實現(xiàn)方法，就是對0.02～0.10 MPa 信號進(jìn)行分配，調(diào)節(jié)器輸出的4～12 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號時對應(yīng)閥門輸入0.02～0.06 MPa氣動信號，使A 閥全程動作；調(diào)節(jié)器輸出的12～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號時對應(yīng)閥門輸入0.06～0.10 MPa 氣動信號，B 閥作全程動作。2 臺閥的控制信號通過一個AO 卡通道送出。在電氣硬件連接上，2 臺調(diào)節(jié)閥在同一個控制回路中，相當(dāng)于串聯(lián)，一旦有1 臺閥出現(xiàn)故障，就會影響整個控制系統(tǒng)，且人員誤操作風(fēng)險比較大，在早期的糊樹脂生產(chǎn)裝置中采用硬件分程的比較多，但現(xiàn)場對定位器整定繁瑣，現(xiàn)在已逐漸淘汰這種方式。

2.2 軟件分程

在CS3000 系統(tǒng)中，提供了專門實現(xiàn)分程控制的SPLIT 功能塊，以軟件組態(tài)來實現(xiàn)分程的功能。

2.2.1 SPLIT 功能塊的原理

在CS3000 系統(tǒng)中，SPLIT 功能塊的作用是接收控制器的輸出信號作為設(shè)定值，通過信號分配器開關(guān)和信號范圍轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生2 個輸出信號。利用其內(nèi)部信號范圍轉(zhuǎn)換器，對控制器輸出信號進(jìn)行分配運算，得到2 個操縱控制閥的操作輸出信號，而這2 個操作輸出信號工作范圍為標(biāo)準(zhǔn)信號 （對應(yīng)1～5 VDC或4～20 mA DC）。SPLIT 功能塊功能框圖見圖5。

圖5 SPCIT功能塊功能框圖

SET 外設(shè)定值輸入端；OUT1輸出端1；OUT2輸出端2；CSV 串級設(shè)定值；SV 設(shè)定值；SW 分配器開關(guān)參數(shù)值；MV1操作輸出值1；MV2操作輸出值2；RSV 遠(yuǎn)程設(shè)定值CAS 串級方式；AUT 自動方式；RCAS 遠(yuǎn)程串級方式。

當(dāng)SW=0 時，SPLIT 停止信號分配；當(dāng)SW=1時，只將SV 分配給MV1；當(dāng)SW=2 時，只將SV 分配給MV2；當(dāng)SW=3 時，將SV 同時分配給MV1和MV2。通常的分程應(yīng)用中在SPLIT 功能塊的參數(shù)調(diào)整畫面中都設(shè)定SW=3。

在軟分程控制中，控制器輸出信號經(jīng)分離信號模塊SPLIT 分為2 路，通過2 個AO 卡通道送出信號；信號范圍都是4～20 mA，2 個調(diào)節(jié)閥分別位于2個回路中，對調(diào)節(jié)閥的操作分2 路進(jìn)行，彼此互不影響。且無需到現(xiàn)場重新整定定位器，只需根據(jù)工藝要求設(shè)定相應(yīng)的控制程序即可。

2.2.2 軟件分程的優(yōu)點

軟件組態(tài)方式實現(xiàn)分程控制，易于調(diào)試和修改，更易于實現(xiàn)，方便靈活高效。使控制更加可靠，克服了硬件分程現(xiàn)場調(diào)試定位器的繁瑣、不準(zhǔn)確、穩(wěn)定性差等缺點。

3 分程控制的應(yīng)用

3.1 分程控制反向調(diào)節(jié)的應(yīng)用

渤?；ぜ瘓F(tuán)糊樹脂生產(chǎn)過程，單體VCM 以及引發(fā)劑各種物料投入設(shè)備后，為了使其達(dá)到反應(yīng)溫度，開始時需要提供一定的熱量。達(dá)到反應(yīng)溫度后，物料迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且不斷釋放出熱量，這些熱量會使反應(yīng)越來越劇烈，如果不及時帶走這些熱量，聚合釜就會發(fā)生爆炸。因此，該項目既要進(jìn)行反應(yīng)前預(yù)熱，又要及時移走反應(yīng)熱。從設(shè)備安全角度考慮，進(jìn)蒸汽閥選故障關(guān)即氣開型調(diào)節(jié)閥，加冷水閥應(yīng)選故障開即氣關(guān)閥。種子乳液法釜溫控制，用的是以圖1 所示的反向調(diào)節(jié)規(guī)律。

溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用，在反應(yīng)前升溫階段，溫度測量值低于系統(tǒng)設(shè)定值，因此調(diào)節(jié)器輸出增大，蒸汽閥如圖1 中的B 閥開度增大，冷水閥如圖1 中的A 閥關(guān)閉。使反應(yīng)器溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時，開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，于是就有熱量放出，反應(yīng)物的溫度逐漸提高。當(dāng)溫度測量值大于給定值時，調(diào)節(jié)器輸出減小，（調(diào)節(jié)器是反作用）。隨著調(diào)節(jié)器輸出的減小，蒸汽閥是氣開閥開度逐漸減小直至完全關(guān)閉，而冷水閥是氣關(guān)閥則逐漸打開。這時反應(yīng)器夾套中流過的是冷水，反應(yīng)熱會被冷水迅速帶走。從而使反應(yīng)溫度得到平穩(wěn)的控制。

正常反應(yīng)階段的釜內(nèi)溫度串級分程控制，釜溫TC100 為主參數(shù)，設(shè)定值就是反應(yīng)溫度；夾套水溫度TC112 為副參數(shù)，控制冷水閥TV112-1 圖1 中A 閥和蒸汽TV112-2 圖中B 閥，按╲╱進(jìn)行模型分程控制，其中，TV112-1 在4～12 mA 由開到關(guān)，TV112-2在12～20 mA 由關(guān)到開。分程控制由軟件組態(tài)實現(xiàn)見圖6。

靠冷水和低壓蒸汽使溫度恒定，其中冷水使用氣動蝶閥，蒸汽使用氣動單座調(diào)節(jié)閥，其中冷水蝶閥TV-112A-1 可以手動控制。

3.2 同向調(diào)節(jié)的應(yīng)用

干燥器入口溫度控制就是擴大可調(diào)范圍的典型應(yīng)用。采用圖3 所示的調(diào)節(jié)規(guī)律，工藝流程簡圖見圖7。

圖6 分程控制軟件組態(tài)示意圖

圖7 分程控制工藝流程圖

根據(jù)現(xiàn)場工藝條件，控制蒸汽的2 臺閥均采用故障關(guān)，氣開型。TV-321A-1，口徑DN300，三偏心金屬蝶閥，介質(zhì)為0.6MPa，165 ℃的低壓蒸氣；TV-321A-2，口徑DN150，氣動單座調(diào)節(jié)閥，介質(zhì)為1.6 MPa，205 ℃的高壓蒸氣.干燥時干燥器入口溫度設(shè)定值180 ℃?？刂品桨笐?yīng)用SPLIT 功能塊，實現(xiàn)軟分程。

溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用，在干燥開始階段，溫度測量值低于系統(tǒng)設(shè)定值，因此調(diào)節(jié)器輸出增大，蒸汽閥如圖3 中的A 閥開度增大，直至全開，仍低于設(shè)定值，調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)增大，B 閥逐漸開啟，直至達(dá)到設(shè)定值。調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)，使溫度穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)；當(dāng)溫度測量值大于給定值時，調(diào)節(jié)器輸出減小，（調(diào)節(jié)器是反作用）。隨著調(diào)節(jié)器輸出的減小，B 蒸汽閥是氣開閥開度逐漸減小直至完全關(guān)閉，若仍高于設(shè)定值則A 閥也逐漸減小至全關(guān)。從而使干燥器入口溫度得到平穩(wěn)的控制。同向調(diào)節(jié)類似于單回路調(diào)節(jié)。

正常應(yīng)用中PID 塊投自動，SPLIT 塊投串級。由順控表控制2 個帶自動開關(guān)的手操器置自動狀態(tài)。SPLIT 功能塊SP321A 在調(diào)整畫面中需置SW=3，才能保證信號分程后從兩路輸出，分別控制TV321A_1和TV321A_2，見圖8。

4 結(jié)語

本文結(jié)合渤?；ぜ瘓F(tuán)公司糊樹脂生產(chǎn)過程的復(fù)雜控制回路，講述了分程控制在CS3000 系統(tǒng)中的組態(tài)與實現(xiàn)。根據(jù)工藝的復(fù)雜控制要求，采用合理的控制方案，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到指定的要求，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 軟件組態(tài)示意圖

［1］王驥程，祝和云.化工過程控制工程.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.