串級控制系統在DCS中的應用

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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串級控制系統在DCS中的應用

132022 中國石油吉林石化公司有機合成廠 吉林 吉林|崔巍

摘要：在現代工業生產和科技發展的過程中，控制系統是大量設備應用的重要組成部分。自動化控制已成為衡量工業現代化的一個重要指標。在復雜控制系統中，串級控制系統在化工廠應用最為普遍，串級控制系統是一個雙回路系統，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。關鍵詞；串級；自動化；控制器

串級控制系統是由其結構上的特征而得名的。它是由主、副兩個調節器串接工作的。主調節器的輸出作為副調節器的給定值，副調節器的輸出去操縱調節閥，以實現對主變量的定值控制。

我廠某裝置控制不穩定現象

聚合反應釜內進行放熱反應，釜溫過高會發生事故，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，從而難以控制其穩定。

原因分析

a串級控制系統應用的場合

①對象的滯后和時間常數很大。

②擾動變化激而且幅度大的過程。

③負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。

④參數互相關聯的過程

b串級控制系統的特點

①在系統結構上，它由兩個串接工作的調節器構成的雙閉環控制系統。

②系統的目的在于通過設置副變量來提高對主變量的控制質量。

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系統對負荷改變時有一定的自適應能力。

c選擇串級控制系統中主、副調節器的控制規律

①串級控制系統的目的是為了高精度的穩定主變量，對主變量要求較高，一般不允許有余差，所以主調節器一般選擇比例積分控制規律，當對象滯后較大時，也可以引入適當的微分作用。

②串級控制系統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節器的輸出變化而變化的，所以副調節器一般采用比例控制規律就可以了，必要時引入適當的積分作用，而微分作用一般是不需要的。

解決措施

a針對這一現象，采用串級控制系統。

b確定主、副變量

主調節器所檢測和控制的變量為主變量，即工藝控制指標；副調節器所檢測和控制的變量為副變量，是為了穩定主變量而引入的輔助變量。

主變量是釜內溫度，副變量是夾套內溫度。

c確定調節閥的氣開、氣關形式

為了在氣源中斷時保證冷卻水繼續供應，防止釜溫過高，發生安全事故，所以調節閥應采用氣關型。

d確定主、副調節器的作用方向

副調節器的作用方向與副對象特性、調節閥的氣開、氣關有關，其選擇方法與簡單控制系統中調節器正、反作用的選擇相同，是按照使副回路成為一個負反饋系統的原則來確定的。主調節器的作用方向選擇：當主、副變量增加或減小時，如果要求調節閥的動作方向一致，則主調節器選擇反作用，反之，選擇正作用。串級控制系統中主調節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，而與執行器的氣開、氣關型式及副調節器的作用方向無關。

主調節器的作用方向由于主、副變量增加時，都要求冷卻水的調節閥開大，因此主調節器應為反作用，副調節器的作用方向可按簡單控制系統的原則來確定。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，調節閥為氣關型，也是“-”方向，故副調節器應為反作用。

主要干擾是冷卻水的溫度波動

整個串級控制系統的工作過程是這樣的：冷卻水的溫度升高，則夾套內的溫度升高，由于副調節器為反作用，其輸出降低，因而氣關型的閥門開大，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溫度的影響，提高了控制質量。

這時釜內溫度由于某些次要干擾的影響而波動，該系統也能加以克服。釜內溫度升高，則反作用的主調節器輸出降低，因而使副調節器的給定值降低，其輸出也降低，于是調節閥開大，冷卻水流量增加以使釜內溫度降低，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，副調節器的輸出增加，調節閥關小，減少冷卻水流量以克服冷卻水壓力增加夾套內溫度的影響。這時為了及時克服冷卻水壓力波動對流量的影響，不要等夾套內溫度變化才開始控制，可改進方案，采用釜內溫度與冷卻水流量的串級控制系統，以進一步提高控制質量。

串級控制系統的投運方法

先投副環，再投主環

a將副調節器放在手動上，主調節器放在手動上，并把正反作用開關分別放在正確位置上，調節參數分別放在預定的位置上。

b用副調節器的手操進行控制

c當主參數接近給定值，副參數也較平穩后，調節主調節器的手操進行設定，使副調節器的偏差為零，將副調節器的手動切到自動，副調節器實行給定值調節。

d調節主調節器給定值，使主調節器偏差為零。

e將主調節器切向自動，完成串級控制系統的投運工作。

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年機械工業出版社.。

［3］《自動化控制工程設計》，作者：李駪 姜秀英，2009年電子工業出版社.