串級控制系統(tǒng)在DCS中的應(yīng)用

132022 中國石油吉林石化公司有機合成廠 吉林 吉林|崔巍

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串級控制系統(tǒng)在DCS中的應(yīng)用

132022 中國石油吉林石化公司有機合成廠 吉林 吉林|崔巍

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科技發(fā)展的過程中，控制系統(tǒng)是大量設(shè)備應(yīng)用的重要組成部分。自動化控制已成為衡量工業(yè)現(xiàn)代化的一個重要指標。在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，串級控制系統(tǒng)在化工廠應(yīng)用最為普遍，串級控制系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)，一個控制器的輸出作為另一個控制器的給定值，這樣的控制被成為串級控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞；串級；自動化；控制器

串級控制系統(tǒng)是由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名的。它是由主、副兩個調(diào)節(jié)器串接工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)對主變量的定值控制。

我廠某裝置控制不穩(wěn)定現(xiàn)象

聚合反應(yīng)釜內(nèi)進行放熱反應(yīng)，釜溫過高會發(fā)生事故，對此，采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高，且冷卻水壓力、溫度波動較大，從而難以控制其穩(wěn)定。

原因分析

a串級控制系統(tǒng)應(yīng)用的場合

①對象的滯后和時間常數(shù)很大。

②擾動變化激而且幅度大的過程。

③負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。

④參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程

b串級控制系統(tǒng)的特點

①在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它由兩個串接工作的調(diào)節(jié)器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

②系統(tǒng)的目的在于通過設(shè)置副變量來提高對主變量的控制質(zhì)量。

③由于副回路的存在，對進入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對主變量的影響。

④系統(tǒng)對負荷改變時有一定的自適應(yīng)能力。

c選擇串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律

①串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度的穩(wěn)定主變量，對主變量要求較高，一般不允許有余差，所以主調(diào)節(jié)器一般選擇比例積分控制規(guī)律，當對象滯后較大時，也可以引入適當?shù)奈⒎肿饔谩?/p>

②串級控制系統(tǒng)中對副變量的要求不嚴，在控制過程中，副變量是不斷跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化而變化的，所以副調(diào)節(jié)器一般采用比例控制規(guī)律就可以了，必要時引入適當?shù)姆e分作用，而微分作用一般是不需要的。

解決措施

a針對這一現(xiàn)象，采用串級控制系統(tǒng)。

b確定主、副變量

主調(diào)節(jié)器所檢測和控制的變量為主變量，即工藝控制指標；副調(diào)節(jié)器所檢測和控制的變量為副變量，是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。

主變量是釜內(nèi)溫度，副變量是夾套內(nèi)溫度。

c確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式

為了在氣源中斷時保證冷卻水繼續(xù)供應(yīng)，防止釜溫過高，發(fā)生安全事故，所以調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用氣關(guān)型。

d確定主、副調(diào)節(jié)器的作用方向

副調(diào)節(jié)器的作用方向與副對象特性、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇相同，是按照使副回路成為一個負反饋系統(tǒng)的原則來確定的。主調(diào)節(jié)器的作用方向選擇：當主、副變量增加或減小時，如果要求調(diào)節(jié)閥的動作方向一致，則主調(diào)節(jié)器選擇反作用，反之，選擇正作用。串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，或者說，只取決于主對象的特性，而與執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及副調(diào)節(jié)器的作用方向無關(guān)。

主調(diào)節(jié)器的作用方向由于主、副變量增加時，都要求冷卻水的調(diào)節(jié)閥開大，因此主調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用，副調(diào)節(jié)器的作用方向可按簡單控制系統(tǒng)的原則來確定。由于冷卻水流量增加時，夾套溫度是下降的，即副對象為“-”方向，調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)型，也是“-”方向，故副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用。

主要干擾是冷卻水的溫度波動

整個串級控制系統(tǒng)的工作過程是這樣的：冷卻水的溫度升高，則夾套內(nèi)的溫度升高，由于副調(diào)節(jié)器為反作用，其輸出降低，因而氣關(guān)型的閥門開大，冷卻水流量增加以及時克服冷卻水溫度變化對夾套溫度的影響，因而減少以致消除冷卻水溫度波動對釜內(nèi)溫度的影響，提高了控制質(zhì)量。

這時釜內(nèi)溫度由于某些次要干擾的影響而波動，該系統(tǒng)也能加以克服。釜內(nèi)溫度升高，則反作用的主調(diào)節(jié)器輸出降低，因而使副調(diào)節(jié)器的給定值降低，其輸出也降低，于是調(diào)節(jié)閥開大，冷卻水流量增加以使釜內(nèi)溫度降低，起到負反饋的控制作用。

主要干擾是冷卻水壓力波動

整個串級控制系統(tǒng)工作過程是這樣的：冷卻水壓力增加，則流量增加，使夾套溫度下降，副調(diào)節(jié)器的輸出增加，調(diào)節(jié)閥關(guān)小，減少冷卻水流量以克服冷卻水壓力增加夾套內(nèi)溫度的影響。這時為了及時克服冷卻水壓力波動對流量的影響，不要等夾套內(nèi)溫度變化才開始控制，可改進方案，采用釜內(nèi)溫度與冷卻水流量的串級控制系統(tǒng)，以進一步提高控制質(zhì)量。

串級控制系統(tǒng)的投運方法

先投副環(huán)，再投主環(huán)

a將副調(diào)節(jié)器放在手動上，主調(diào)節(jié)器放在手動上，并把正反作用開關(guān)分別放在正確位置上，調(diào)節(jié)參數(shù)分別放在預(yù)定的位置上。

b用副調(diào)節(jié)器的手操進行控制

c當主參數(shù)接近給定值，副參數(shù)也較平穩(wěn)后，調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的手操進行設(shè)定，使副調(diào)節(jié)器的偏差為零，將副調(diào)節(jié)器的手動切到自動，副調(diào)節(jié)器實行給定值調(diào)節(jié)。

d調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器給定值，使主調(diào)節(jié)器偏差為零。

e將主調(diào)節(jié)器切向自動，完成串級控制系統(tǒng)的投運工作。

參考：

［1］《自動化儀表與過程控制》，作者：張智賢，2009年中國電力出版社.

［2］《過程控制與自動化儀表》，作者：潘永湘 等，2011年機械工業(yè)出版社.。

［3］《自動化控制工程設(shè)計》，作者：李駪 姜秀英，2009年電子工業(yè)出版社.