比值控制在過(guò)程控制中的應(yīng)用

1 比值控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

比值控制系統(tǒng)是一種物料量隨另一種物料量而變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的不同要求，常用比值控制系統(tǒng)有定比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)。

定比值控制系統(tǒng)有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及雙閉環(huán)控制系統(tǒng)3種形式。其特點(diǎn)是以保持主流量F1和副流量F2比值一定為目的。比值計(jì)算塊的參數(shù)經(jīng)計(jì)算設(shè)置好后不再變動(dòng)，工藝要求的實(shí)際流量比值k也就固定不變；當(dāng)主流量F1發(fā)生變化時(shí)，比值控制回路快速隨動(dòng)跟蹤，使副流量F2=k*F1關(guān)系變化，嚴(yán)格保持F2與F1的比例關(guān)系。

變比值控制系統(tǒng)就是自動(dòng)修正比值系數(shù)，它是以比值控制系統(tǒng)為副回路的串級(jí)控制系統(tǒng)。副回路任務(wù)是克服干擾，保證主控制器輸出設(shè)定的比值系數(shù)，而主回路的任務(wù)是保證表征產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的主被控變量恒定，在變比值控制系統(tǒng)中的主被控變量必須是連續(xù)可測(cè)的。

2 固相水合工藝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工藝簡(jiǎn)介

在純堿煅燒工藝中，煅燒制得的純堿堆積密度在0.45～0.79 t/m3稱為輕質(zhì)純堿或輕灰。重灰即重質(zhì)純堿，堆積密度在0.8 t/m3以上，由于其顆粒和堆積密度比輕質(zhì)純堿大，故可減少包裝和儲(chǔ)存的費(fèi)用。以重灰作原料的玻璃生產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)的玻璃主要用在電視機(jī)、電腦顯示器等用顯像管的高端玻璃制品上。在用重灰作原料生產(chǎn)時(shí)可提高產(chǎn)量，延長(zhǎng)玻璃窯的使用周期，故重灰特別受到用戶的歡迎。

目前，工業(yè)化生產(chǎn)中，主要以輕灰為原料制造重灰，其生產(chǎn)方法主要有擠壓法、固相水合法及液相水合法等幾種。固相水合法又稱水混法，它是在35.4～109 ℃范圍內(nèi)，水和輕灰按一定水堿比混合，形成顆粒均勻，粒度≥70%、總堿度≥99.2%、比重≥900 kg/m3的一水堿，并且釋放出熱量：

Na2CO3+H2O=Na2CO3·H2O+14.1 kJ/mol

一水堿在109 ℃以上可以失去結(jié)晶水而生成密度在0.85 t/m3以上的重質(zhì)純堿，并吸熱：

Na2CO3·H2O=Na2CO3+H2O-14.1 kJ/mol

每摩爾的一水堿釋放或吸收14.1 kJ的熱量。

工藝控制流程如圖1所示。

2.2 控制方案選擇與比值計(jì)算

通過(guò)分析固相水合工藝可以看出，要保證粒度、總堿度和比重這三個(gè)重要指標(biāo)，控制好水合機(jī)產(chǎn)出的一水堿含水量非常關(guān)鍵。而影響含水量的主要因素是Na2CO3和化合水的比值，保證了進(jìn)入到水合機(jī)里的Na2CO3和化合水的比值，基本上也就控制了一水堿的顆粒度。在控制方案選擇時(shí)，Na2CO3作為主物料，化合水作為從物料，引入單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，副變量（從物料）形成閉環(huán)負(fù)反饋控制回路，起到克服自身干擾的作用。其系統(tǒng)方塊圖如圖2所示。

控制好一水堿的含水量，主要是控制好水合機(jī)中的Na2CO3和化合水的配比關(guān)系，選定Na2CO3作為主物料流量F1，化合水作為從物料流量F2，構(gòu)成比值控制回路。工藝要求的流量比值關(guān)系：F2= k*F1。已知Na2CO3（F1）投入量為25 t/h，比值系數(shù)（k）為0.36，求得化合水流量（F2）為9 m3/h。

為了能夠定量控制進(jìn)堿量，由DCS遙控輸出4～20 mA的DC電流信號(hào)，控制電機(jī)變頻器，由變頻器輸出頻率（Hz）信號(hào)控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)交流電機(jī)帶動(dòng)螺旋給料器轉(zhuǎn)動(dòng)，將純堿推進(jìn)到水合機(jī)里，這樣進(jìn)堿量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率就成正比例關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)就能得到進(jìn)堿量與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因頻率是由變頻器來(lái)輸出的，所以這個(gè)頻率可以直接控制測(cè)量。這樣通過(guò)控制頻率就能間接完成進(jìn)堿量測(cè)定，使進(jìn)堿量平穩(wěn)精確得到控制。

3 比值控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 功能塊選擇

純堿廠固相水合工藝系統(tǒng)采用美國(guó)艾默生公司的Deltav DCS工業(yè)控制系統(tǒng)。比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中間過(guò)程變量計(jì)算及其控制是由計(jì)算機(jī)功能模塊搭建來(lái)實(shí)現(xiàn)的，確定好控制方案后，在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行組態(tài)控制，選擇一些控制需要的功能模塊，如PID算法塊、Ratio比值計(jì)算塊、AO輸出塊，這些模塊的功能將代替常規(guī)儀表中的調(diào)節(jié)器、比值控制器等。最后建立組態(tài)好操作員控制界面工藝流程圖（建立工藝流程及數(shù)據(jù)鏈接，顯示便于生產(chǎn)操作）、報(bào)警組態(tài)及顯示、歷史趨勢(shì)線等工作。

3.2 功能講解

圖3是水合機(jī)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖。在圖中由SP作為工藝控制參數(shù)設(shè)定，它分兩路，一路進(jìn)入AO1，通過(guò)AO1輸出4～20 mA電流進(jìn)入電機(jī)變頻器，控制螺旋給料器，將純堿Na2Co3送入到水合機(jī)里。另一路進(jìn)入到RTO比值計(jì)算塊與系數(shù)設(shè)定k相乘后，將計(jì)算結(jié)果SV以外給定的方式送入PID1化合水控制器，在PID1中化合水電磁流量計(jì)送來(lái)的流量信號(hào)PV與SV做差值運(yùn)算后的偏差信號(hào)，經(jīng)PID運(yùn)算輸出去控制調(diào)節(jié)閥開度。化合水的流量將嚴(yán)格根據(jù)公式F2=k*F1進(jìn)行隨從比例控制。在水合機(jī)中這兩種物料混合后，產(chǎn)出合格的一水堿。

4 出現(xiàn)的問(wèn)題及解決的方法

4.1 存在的問(wèn)題

由于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)只考慮如何來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種物料流量之間的比值關(guān)系，未考慮兩種物料混合后最終質(zhì)量是否符合要求。對(duì)最終質(zhì)量還需要靠人工取樣化驗(yàn)來(lái)確定產(chǎn)品質(zhì)量，這個(gè)過(guò)程緩慢而又不能及時(shí)精確調(diào)整比值控制系統(tǒng)，造成生產(chǎn)滯后調(diào)節(jié)。

4.2 解決的方法

可以在系統(tǒng)中安裝在線產(chǎn)品成分及粒度分析儀，通過(guò)它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，建立起數(shù)學(xué)運(yùn)算模型。將運(yùn)算結(jié)果連接到比值控制系統(tǒng)中，達(dá)到精確及時(shí)控制最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

比值控制系統(tǒng)在純堿行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較為成功，取得較好的控制效果及經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛應(yīng)用在化工企業(yè)生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)

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