2009年第8秦第7(惡第123)←技術(shù)創(chuàng)新空分產(chǎn)品放空一供氣自動(dòng)調(diào)節(jié)的PID控制方法吳江(珠海共同機(jī)械設(shè)備有限公司,廣東珠海519090)摘要:本文使用一種分段控制方法,將空分產(chǎn)品管線的放空、供氣閥門使用同一PD模塊進(jìn)行電流分段控制,從而解決了兩閥門相關(guān)性問題,降低了控制成本,簡(jiǎn)化了控制難度關(guān)鍵詞:PID控制;空分;供氣;流量控制Abstract: This paper intruduce a segmentation control method to control the automatic vent and supply valves of Air SeparationUnit. This method can settle the problem of correlativity during the control of these two vavles and make the control system simplerKey words: PID Control; Air Separation Unit; Gas Supply; Flux Control中圖分類號(hào):TG1556文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-8089(2009)07-0082-02、引言存在穩(wěn)態(tài)誤差則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積統(tǒng)( System with Steady.- state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差在控制分、微分控制簡(jiǎn)稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PD控制是工業(yè)自器中必須引人“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著動(dòng)化控制中最為常見的一種反饋控制,它廣泛應(yīng)用于化工系統(tǒng)的時(shí)間的增加積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨各類單反饋、單輸出控制。著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一在空分產(chǎn)品中供氣管道經(jīng)常會(huì)遇到諸如用戶使用氣量不均步減小,直到等于零。因此比例+積分(P)控制器,可以使系統(tǒng)在勻?qū)е碌膲毫Σ▌?dòng),從而導(dǎo)致精餾塔壓力波動(dòng)而影響工況的情進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。況通常解決此類問題的方法是使用PD控制器,但由于一般產(chǎn)3微分(D)控制。在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差品管線都有產(chǎn)品放空以及產(chǎn)品供氣兩個(gè)自動(dòng)閥門,且兩只閥門相信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服關(guān)性較大,如果對(duì)兩只閥門分別使用PD控制控制難度相當(dāng)大。誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在二、常規(guī)PD控制有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后( delay)組件,具有抑制誤差的PD控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)?shù)淖饔玫淖兓俺啊?即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到柿確的數(shù)學(xué)模型該是零。這就是說在控制器中僅引人“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比時(shí)控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定,這時(shí)應(yīng)用PD控制技術(shù)最為方項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,其有比例+微分的控制器,便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象[或不能通過有效就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零甚至為負(fù)值從而避的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)最適合用PID控制技術(shù)。PD控免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,制實(shí)際中也有P和PD控制。PD控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的在空分設(shè)備中,通常使用的控制方式是PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。參考輸人閉環(huán)控制系統(tǒng)( closed- -loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被PD控制器一被控對(duì)象控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback),若極反饋信號(hào)性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。圖1PID控制邏輯模型三、PD系統(tǒng)在產(chǎn)量控制中的應(yīng)用1、比例(P)控制。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制1、控制系統(tǒng)需求?？諝夥蛛x設(shè)備是一種利用空氣不同成分沸器的輸出與輸人誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸點(diǎn)不同而使氧氣氮?dú)狻鍤夥蛛x的裝置。在空分系統(tǒng)中常規(guī)的出存在穩(wěn)態(tài)誤差( Steady- state error)產(chǎn)品氣體一般分為氧氣和氮?dú)?而這兩種氣體都是來自精餾塔2積分(1)控制。在積分控制中控制器的輸出與輸入誤差信中。由于精餾塔的精餾過程需要穩(wěn)定的壓力和溫度這就要求產(chǎn)號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后品氣管線保持相對(duì)恒定的設(shè)計(jì)流量。然而對(duì)于下游用氣產(chǎn)線很2009年第8第7期(惡第123期)多時(shí)候產(chǎn)品氣的使用又有著不規(guī)律性(即存在使用波峰與波谷)。如果V>=50,AO=100,AO2=(V-50)×2因此在產(chǎn)品管線,一般會(huì)設(shè)置兩個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門,一個(gè)用于放空這樣,假設(shè)初始值v=0,AI值小于設(shè)定值ST,PD系統(tǒng)會(huì)自另一個(gè)用于供氣,這樣就能在下游產(chǎn)線需要大量氣體時(shí)(波峰)關(guān)動(dòng)增大V此時(shí)氮?dú)夤忾y開始打開不斷調(diào)節(jié)流量。當(dāng)V增大到小放空閥開大供氣閥,而在下游產(chǎn)線需要少量氣體時(shí)(波谷)關(guān)50時(shí),如果AI值仍然小于ST則說明下游產(chǎn)線需求較少,供氣閥小供氣閥開大放空閥以保證管線流出精餾塔的氣量相對(duì)恒定。全開仍然不能將流量用完此時(shí)由于V>50氮?dú)夥趴臻y會(huì)逐漸打此時(shí)的操作原則是保證供氣原則即在流量偏低的時(shí)候優(yōu)先開大開,進(jìn)行氮?dú)夥趴毡３窒到y(tǒng)穩(wěn)定。相反,當(dāng)A大于ST時(shí)PID系供氣閥,當(dāng)供氣閥全開時(shí)如果流量仍然低于設(shè)定值則開始開大統(tǒng)會(huì)逐漸減小V值這樣在V>50的情況下放空閥逐漸關(guān)閉,當(dāng)放空閥;而當(dāng)流量高于設(shè)定值時(shí)先關(guān)閉放空閥,當(dāng)放空閥全關(guān)V-50時(shí)放空閥全關(guān)供氣閥全開,此時(shí)如果A仍然大于ST,時(shí),如果流量仍然高于設(shè)定值,再逐漸關(guān)小供氣閥。V繼續(xù)減小,相當(dāng)于系統(tǒng)開始關(guān)小供氣閥直至兩閥全關(guān)。此方法由于是兩個(gè)閥門分開控制,而兩個(gè)閥門都與流量有相關(guān)性,由于是純數(shù)字運(yùn)算,并沒有模擬量參與,所以不存在由于一個(gè)因此如果采用兩個(gè)PD控制器分別控制兩個(gè)閥門,會(huì)由于影響被PID控制器控制兩個(gè)閥門而導(dǎo)致的控制精度減半的問題控參數(shù)的因素不唯一而導(dǎo)致控制邏輯紊亂。而要消除這些相關(guān)性Al需要做大量的輔助判斷,不但使控制程序非常復(fù)雜,而且大大增加了出錯(cuò)的叮能。2、解決方案。為解決此問題我們一般采用分段控制的方法采用一個(gè)PD控制器,對(duì)于同一個(gè)反饋來源設(shè)置一個(gè)虛擬的輸PD控制器出,對(duì)于此虛擬輸出做出判斷,選擇受控閥門,并作出計(jì)算將計(jì)算結(jié)果分別輸入相應(yīng)閥門控制器,實(shí)現(xiàn)控制這樣既解決了相關(guān)性問題,也減少了以個(gè)PID控制器的使用,節(jié)約了成本3、實(shí)例。下面筆者以一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。本項(xiàng)目是珠海共同機(jī)械設(shè)備有限公司給印尼石油公司配套的高純氮+液化V>50?裝置項(xiàng)目,項(xiàng)目整體控制系統(tǒng)采用西門子PC+上位機(jī)的準(zhǔn)DCS控制系統(tǒng),在PLC的選擇上使用了西門子S7-200。CPU226+EM23+EM235*5+ADAM4017*4的模塊配置,系統(tǒng)Aol=Vx2A02=(V-50)2中共計(jì)DB2個(gè),DO32個(gè),AI52個(gè),AO5個(gè),其中的一個(gè)A用于氮?dú)饬髁匡@示,兩個(gè)AO(這里記為AO1,AO2)用于對(duì)氮?dú)夤忾y圖3控制原理圖門以及氮?dú)夥趴臻y們的控制,CPU226的一個(gè)PD控制回路用于至此,控制邏輯結(jié)束,但由于實(shí)際情況中,AO1氮?dú)夤忾y是對(duì)氮?dú)饬髁康腜D控制。下圖為控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置圖。氣開閥即隨著AO1值增大,供氣閥開度逐漸增大;而AO2氮?dú)獠僮黩羻T放空閥為氣關(guān)閥,隨AO2值增大,放空閥的開度反而會(huì)逐漸減噴墨打印機(jī)小。為解決這個(gè)問題,我們?cè)谙到y(tǒng)中增加了一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算:F485AO2-R=100-AO2這樣,實(shí)際的兩個(gè)輸出緩沖器為AO1以及AO2-R,解決問題4、調(diào)試結(jié)果。在將控制邏輯程序?qū)懞孟螺d入PLC以及上位機(jī)后我們對(duì)氮?dú)饬髁靠刂七M(jìn)行了PD參數(shù)調(diào)試調(diào)試結(jié)果表明,在PID參數(shù)調(diào)整結(jié)束后流量曲線較為平滑沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)而在流量變化時(shí),閥門相應(yīng)較為迅速并沒有出現(xiàn)預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)的精度減半問題四、結(jié)語在空分系統(tǒng)中對(duì)產(chǎn)品氣的控制看似問題較小,其實(shí)一旦控制不力會(huì)導(dǎo)致整個(gè)精餾工況紊亂直至崩潰,上文的控制方法較好的解決了產(chǎn)品氣放空閥和供氣閥的相互配合問題,并節(jié)約了成現(xiàn)場(chǎng)儀表現(xiàn)場(chǎng)儀喪本。該控制方式在我公司印尼項(xiàng)目2007年投產(chǎn)使用至今,系統(tǒng)一圖2系統(tǒng)配置圖切正常。在這個(gè)PID系統(tǒng)中輸入反饋信號(hào)為AI,我們首先采用一個(gè)內(nèi)部變量V作為輸出信號(hào)然后將輸出信號(hào)Ⅴ一份為二分別將參考文獻(xiàn):前一半信號(hào)經(jīng)過處理賦予供氣閥(A01),而后一半信號(hào)處理后賦[]S7-200可編程邏樣控制器系統(tǒng)手冊(cè)西門子公司,2007予(AO2)。即假設(shè)v的范圍是0-100,AOI,AO2的調(diào)節(jié)范圍也是[2]張運(yùn)剛,宋小春郭武強(qiáng)從入門到精通:西門子S7-200100,則PLC技術(shù)與應(yīng)用人民郵電出版社,2007如果<50,AOl=Vx2,AO2=0[3]俞金壽,蔣慰孫過程控制工程電子工業(yè)出版社,2007