時間比例算法在流程工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用

陳煥良+曾欣+馬良榮+朱晃佐+胡鑫+廖利平

摘 要：本文以中控U6-200一體化PLC與C3900多功能智能控制器在流程工業(yè)現(xiàn)場控制中的成功應(yīng)用為例，闡述了整體實(shí)施過程中的控制思想和整體配置及解決方案，同時介紹了實(shí)施步驟、應(yīng)用案例等。

關(guān)鍵詞：時間比例；占空比；反應(yīng)釜溫度控制；PH控制；智能儀表

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

0 引言

目前，位于化工自動化最底層的控制器仍然是以PID為主流。PID方法是一種基于過程參數(shù)的控制算法，其控制原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便，但在控制對象非線性時變、給定突變、大時滯系統(tǒng)等情況下，過程模型難以確定，參數(shù)調(diào)整往往比較困難，即使可行也因調(diào)整時間過長、超調(diào)量過大，使控制效果不佳，因此，使用先進(jìn)的控制理論來彌補(bǔ)PID控制方法的不足，成為目前國內(nèi)外自動控制方面的一個主要課題。

1 過程控制器的概述

浙江中控自動化儀表有限公司在2006年投入了大量的研發(fā)力量，研發(fā)了基于對象控制的新型過程控制器，填補(bǔ)了無紙記錄儀和DCS之間的面向?qū)ο蟮男⌒涂刂葡到y(tǒng)的空白。

過程控制器是一款可編程的多回路控制器，主要型號分為C3900系列和一體化PLC（U6-200系列）。過程控制器內(nèi)部最多包含8個單回路PID控制模塊、3個程序控制模塊、6個ON/OFF控制模塊、RLZ溫度專用算法，可實(shí)現(xiàn)單回路控制、多回路控制，每個回路除可以作為普通的PID回路外還可以結(jié)合運(yùn)算、函數(shù)功能，設(shè)置成三沖量、串級、比率、分程、自動選擇、非線性控制、位式控制及用戶定制等多種復(fù)雜的控制方案，其控制輸出信號可以通過繼電器觸點(diǎn)、直流電流模擬信號輸出給執(zhí)行器。

2 以下通過在不同工藝情況下的幾個成功案例，來簡要說明一下時間比例算法在流程工業(yè)現(xiàn)場的運(yùn)用

案例一：鹽城甌華化工硝化反應(yīng)釜溫度控制

現(xiàn)場情況：用戶現(xiàn)場是很典型的溫度控制手段，熱水和冷卻水切換進(jìn)入夾套對反應(yīng)釜釜溫進(jìn)行控制。操作工一般按經(jīng)驗(yàn)來控制釜溫，釜溫的控制也跟操作工的熟練程度有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)較好的操作工一般能控制到（40～42）℃，一般的操作工可能會控制在（38～42）℃。

工藝情況：投入固體料后定量加入硝酸，攪拌后進(jìn)行升溫操作，在夾套能通過熱水，到溫度升到38℃就可以滴加硫酸，硫酸是用戶事先打入的高位槽中的，滴加速度一般控制在24.6L/h，此流速是經(jīng)過計(jì)算得到的，一般14個小時將高位槽內(nèi)的硫酸均速地加入到反應(yīng)釜，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)。放熱反應(yīng)不是很劇烈，但一般溫度低于（37～38）℃后滴加硫酸后將不再反應(yīng)。

用戶操作工一般的操作方法：加熱到38℃后關(guān)閉熱水閥，讓熱水在夾套內(nèi)與反應(yīng)釜換熱一段時間后基本上達(dá)到38.5℃后就開始滴硫酸，開始滴加后反應(yīng)釜溫會緩慢上升，看溫度的變化情況調(diào)節(jié)夾套出口閥位，一般開兩圈，大概的閥位在30%左右，用戶調(diào)溫的另一個參照為夾套出口溫度，測量手段用手直接摸來感覺溫度情況。

現(xiàn)場調(diào)試情況：通過一天的觀察，了解了用戶的人工操作情況，查看用戶操作的一些關(guān)鍵點(diǎn)。接下去就是實(shí)施過程，想到的第一種方案是通過串級控制的方式，將釜溫做為主控，夾套出口溫度做為副控，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證失敗，分析原因?yàn)閵A套出口溫度存在著較大的滯后，將溫度下移至夾套可能效果更好，但基于用戶無法現(xiàn)場動火更改測點(diǎn)，此方案被放棄；想到的第二種方案是U6中的針對溫度的專用算法RLZ算法，但RLZ算法需要在全開全關(guān)一整個過程中看其測量值的變化而自整定參數(shù)，但因?yàn)橐磺Ф嗌萘康膴A套的大滯后全開和全關(guān)變化的整個過程，工藝條件無法滿足，所以該方法未嘗試便已被放棄；想到的第三種方案是嘗試通過能量守恒的這個大方向，反應(yīng)釜放出的熱量與夾套加入的冷卻水的冷量在某種程度上應(yīng)該是一種動態(tài)的平衡?；谶@種總體方向接下去就是考慮使用何種方法實(shí)施，根據(jù)以往對PH控制的經(jīng)驗(yàn)，想到用時間比例算法與AO通道進(jìn)行串聯(lián)，對溫度區(qū)間進(jìn)行分割，根據(jù)之前的調(diào)試了解了夾套大概的滯后時間，將其做為確定時間比例周期，剛開始控制效果不是很理想，但大體確定可控，就調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：參數(shù)設(shè)定上是有缺陷的，1、時間比例周期太小，一開始設(shè)定是30秒；2、溫度區(qū)間分得不夠細(xì)（幾個節(jié)點(diǎn)是39.5、40、40.5、41、42），；3、時間比例輸出跳躍性大（0、5、10、15、20、30）；4、閥位設(shè)定過大，加入量過大而導(dǎo)致冷量的累積過大，到后段不可控；5、沒有考慮夾套出口溫度的變化。根據(jù)分析，對時間比例的可行性表示肯定態(tài)度，就之前失敗原因進(jìn)行一一修改：1、將時間比例周期改到40秒；2、對溫度區(qū)間進(jìn)行第一步細(xì)化，共分九段；3、將時間比例輸出設(shè)置得更平穩(wěn)（0、3、5、7、9、11、15、20），考慮到溫度超過42℃后一直全開會導(dǎo)致過調(diào)，結(jié)合之前的分析和操作工調(diào)溫的經(jīng)驗(yàn)，將開閥時間定為一半時間全開，在后面的測試中得到應(yīng)證；4、閥位限定在最大25%，當(dāng)溫度高于42℃時閥位自動開到100%；5、因?yàn)榭刂剖情_環(huán)控制，必須將幾種極端情況進(jìn)行考慮，當(dāng)夾套溫度高過38℃時認(rèn)為夾套內(nèi)還是之前加熱過的熱水，此時加大閥門的開度，在原基礎(chǔ)上加5%，以加快對熱水的中和，當(dāng)夾套溫度低于30℃時認(rèn)為夾套的溫度可能已經(jīng)過調(diào)了，將時間比例輸出為0，不再加冷卻水。

通過以上的處理，當(dāng)開始滴加硫酸時將時間比例投入后，觀察用戶一個生產(chǎn)周期（28個小時）溫度控制在始終保持在（40～41.5）℃之間?？刂魄€如圖1所示。

案例二：浙大高分子實(shí)驗(yàn)室溫度控制

時間比例算法一個很大的缺點(diǎn)就是沒有辦法閉環(huán)控制，所以要考慮到的極端或特殊的情況要全面，如果有一個沒有想到就會造成不可控的情況出現(xiàn)，所以也一直在摸索，必須將開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)才是真正實(shí)現(xiàn)有效控制的最好方法。浙大高分子實(shí)驗(yàn)室溫度控制項(xiàng)目的實(shí)施真是解決了閉環(huán)問題，該項(xiàng)目是研究彈性體隨溫度變化的特性，目前廣泛應(yīng)用于橡膠輪胎的生產(chǎn)中，在該項(xiàng)目的實(shí)施過程就考慮了的閉環(huán)，主要通過表達(dá)式完成對升溫速率的運(yùn)算從而得到設(shè)定溫度值SV，將此溫度作為PID的設(shè)定溫度，過程側(cè)量值PV與設(shè)定值SV通過PID運(yùn)算，將其運(yùn)算輸出的值（PID.OUT）作為時間比例算法中占空比的來源，借助于占空比對加熱絲進(jìn)行通斷控制，運(yùn)用PID與時間比例復(fù)合使用，使整個控制過程達(dá)到閉環(huán)控制，從而真正達(dá)到對加熱速度的有效控制。

案例三：廊坊國藥集團(tuán)單滴定反應(yīng)釜PH控制

眾所周知PH有兩大特性：滯后性和非線性，正因?yàn)檫@兩大特性，所以控制難度非常大，特別是在工業(yè)現(xiàn)場更是一大難題。常見的控制方法有非線性函數(shù)、PID+復(fù)雜算法、非線性增益、時間比例算法等，針對不同的工藝現(xiàn)場有不同的用法，而該控制方案主要闡述的是時間比例算法在反應(yīng)釜單滴定這種常用的工藝中的應(yīng)用。控制思想與溫度控制的思想相類似，但與溫度控制不同的是難點(diǎn)在于時間周期的判斷和周期滴加時間的選取。通過現(xiàn)場勘察，幾個工藝流程手動操作了解下來，工藝情況是在3000L的反應(yīng)釜內(nèi)，在Φ10滴加管道上安裝有氣動切斷閥，滴加管道直接伸入反應(yīng)釜中部以下，一般反應(yīng)液會在反應(yīng)三分之二左右，在反應(yīng)釜另一側(cè)使用梅特勒頂插式PH計(jì)檢測PH值，控制要求是將反應(yīng)釜內(nèi)部PH值從母液的13.5左右通過5%左右的鹽酸溶液滴加精確得控制到9.15，中間時間沒有具體要求，一般控制在兩小時內(nèi)?，F(xiàn)場測試情況從滴定堿液到反應(yīng)釜后通過攪拌后反應(yīng)大概的時候是40秒，所以最后確定時間周期設(shè)為40秒，將9.20-9.15作為死區(qū)，然后對PH值進(jìn)行分區(qū)，將13.5至9.20分成8個區(qū)間，越接近9.20分得越細(xì)，通過幾個流程的測試并對區(qū)間及占空比值的修正，最后控制的效果為9.15+0.1。

3 結(jié)束語

工業(yè)現(xiàn)場工藝紛繁復(fù)雜，針對不同工藝，通過不同的控制思想，可以將不可能變成可能，只要我們努力去發(fā)現(xiàn)，結(jié)合書本的理論知識。工業(yè)現(xiàn)場總能找到一款適合現(xiàn)場的控制方法，而時間比例算法是其中一種很好的方法，其運(yùn)用領(lǐng)域非常廣泛。