PID算法在酒精精餾塔中控制的實現

邸書玉 遲環宇

摘 要：主要介紹了酒精精餾的控制原理和方法，就如何運用PID調節控制，實現一種穩定性高、超調量小的酒精精餾塔溫度控制進行了闡述，利用STEP 7軟件對控制系統進行編程設計，并給出了工程的初值選取方法和系統運行效果。

關鍵詞：PID;PLC;精餾塔控制

中圖分類號：TM571 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0066-03

The Realization of PID Algorithm in Alcohol Distillation Tower Control

DI Shuyu1 CHI Huanyu2

（1. School of Information and Control Engineering， JiLin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022;2.Jihua Group Instrument Co.， Ltd.，Jilin Jilin 132022）

Abstract： This paper mainly introduced the control principle and method of alcohol distillation. It expounded how to use PID control to realize the temperature control of alcohol distillation tower with high stability and small overshoot. The control system was programmed with step 7 software， and the initial value selection method and system operation effect were given.

Keywords： PID;PLC; alcohol distillation tower control

蒸餾是酒精生產過程中的一道關鍵工序。酒精精餾塔是酒精蒸餾生產過程中的關鍵設備，精餾塔的控制好壞直接影響產品質量、產量和能量消耗。影響精餾塔運行的因素較多，各變量之間相互關聯，交叉耦合，工藝控制復雜。要使蒸餾過程達到物料、熱量平衡，做到進醪穩，成品酒穩，就需要控制好標志塔正常運行的主要工藝參數：蒸汽壓力、精塔頂溫、中溫、冷凝器酒氣溫度、塔底液位。因此，選擇正確的PID控制方案，進行合理的變量配對至關重要。

1 工藝簡介

精餾過程是通過反復的氣化與冷凝，使混合物料的各組圖組分分離，分別達到規定的純度，即從塔頂分離出揮發度較大的關鍵組分，從塔底分離出揮發度較小的關鍵組分[1]。塔頂、塔中和塔底溫度的控制對分餾的效果有最直接的影響，塔底溫度高、塔頂溫度低時，酒精會蒸發，反之則會形成釜殘，物料能量損失大，不利于節能。

酒精蒸餾流程為：發酵后的成熟醪用往復泵自醪池須經預熱器進入粗塔頂部。在粗塔底部用加熱蒸汽加熱，塔底排出酒糟。粗酒精蒸汽經塔頂部排出后進入精塔底部，在脫水塔底部通入加熱蒸汽，把酒精廢水脫盡，然后自脫水塔底部排出。提濃后酒精依次進入預熱器、冷凝器，冷凝液全部回流精塔頂層，還有部分未冷凝的酒汽經冷凝器冷凝后作為工業酒精，低沸點雜質排入大氣，成品酒在精塔頂取出[2]。

2 控制系統設計

塔頂溫度TIC428、TIC429A/B，壓力PIC428，液位LIC408是比較典型PID控制。壓力、溫度控制是精餾塔控制的關鍵。系統要求將精餾塔塔釜溫度控制在155.40℃，最大不能超過196.75℃。精餾塔熱源為工廠電站產生的飽和蒸汽，精餾塔溫度由蒸汽流量閥控制。因溫度控制存在較大滯后性性，所以選擇積分分離式PID來控制粗、精餾塔溫度，當有溫度誤差[X]，當偏差[ek<X]時，用PID調節來確保溫度的控制精度，當[ek>X]時，用PID調節來減少溫度的超調[3]。

2.1 PLC中PID控制原理

使用S7-300PLC對溫度進行PID控制。圖1中的虛線部分由PLC來實現。溫度傳感器將被控量實際值[PVt]測量轉換為標準電壓信號或電流信號，通過PLC的AI模塊進行模數轉換，根據用戶編寫的PID控制程序，將測量值與給定值[spt]比較，通過二者的偏差[et]進行PID算法的運算得到輸出操作信號[ut]，送給AO模塊進行數模轉換，轉換后的信號用來控制調節閥等執行機構。偏差[et]為：

[et=spt-pvt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，[spt]為給定值;[pvt]是過程變量（反饋量）。

2.2 PID控制功能塊的算法原理

編程組態軟件STEP7有3個PID控制軟件包，即實現連續控制（FB41，FB58）、實現步進控制（FB42）、脈寬調制生成脈沖（FB43）[4]。

PID控制器的輸出[ut]與輸入[et]的關系式為：

[u（t）=Kce（t）+1Ti0te（t）dt+Tdde（t）dt+u0]? ? ? ? ? （1）

由[z]變換，位置式PID控制器的[z]傳遞函數為：

[Gc（z）=KP+Kizz-1+Kdz-1z]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

通過工程計算可以初步確定式中比例增益[Kc]、積分時間[Ti]和微分時間[Td]，但還需要進一步調整以達到最優控制的控制效果。式（1）中，[u0]為模擬器的輸出初始值，其他分別是比例作用（與偏差成正比）、積分作用（與偏差的積分成正比）和微分作用（與偏差的微分成正比），由于作用不同，可以構成P、PI和PD控制器[5]。設采樣周期為[T]，將式（1）離散化，第[k]次采樣時控制器的輸出為：

[u（k）=Kce（k）+TsTii=1ke（i）+TdTse（k）-e（k-1）+us]? （3）

其溫度輸出[Yt]為CV的測量范圍;[ut]為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0%～100%表示。

Simulink仿真圖如圖2所示。仿真測量溫度為180～300℃，[K]=1.75，[T]=8min，[τ]=5min，[Kc]=0.7，[Ti]=12min，[Td]=2.5min。

2.3 PID控制應用

根據工藝流程進行塔頂、中、底的壓力，溫度和液位程序編寫。塔頂溫度使用FC105來采集，使用PID控制模塊FB58進行溫度控制，FB58整定后的輸出經FC106模塊給調節閥，通過進料的多少來達到控制溫度的目的[6]。溫度調節PID程序如圖3所示。

3 監控系統結構

精餾塔監控系統如圖4所示。其由2個精餾塔組成，40個溫度點，10個壓力，5個流量，7個液位監測，精餾由兩個S7300 315-2DP共20個IO模塊組成。精餾塔的控制系統具有實時監控、歷史數據瀏覽、便于數據的縱向對比和故障的分析判斷、報表打印、報警數據、PID設定等功能。上位機與下位機通過MPI通信，采用WinCC進行監控畫面的開發制作，實現數據的快速傳輸、控制系統監控圖。實際溫度運行曲線中最上端曲線為實際運行曲線（見圖5）。

4 結語

通過仿真和實際運行表明，酒精精餾塔內溫度、壓力、液位PID控制達到預期效果，控制塔內溫度的波動范圍在155.40～196.75℃時，超量[δ]≤1.2，滿足預期要求。

參考文獻：

[1]陳曦，趙德瑞，呂湘曄，等.S7-300PLC在精餾塔溫度控制系統中的應用[J].自動化儀表，2011（3）：39-41.

[2]王文強.基于S7-300與STEP7實現的PID控制器[J].化學工程與裝備，2011（11）：118-121.

[2]陳曦，何益.化工精餾塔的PLC溫度控制系統設計[J].儀表技術與傳感器，2011（11）：77-79.

[3]任俊杰，李永霞，李媛，等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現[J].制造業自動化，2009（4）：20-23.

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[5]王平先.酒精蒸餾工序重要工藝參數的控制[J].宿州學院學報，2005（5）：97-99.

[6]何益，胡姍姍，劉增強.基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統設計[J].化工自動化及儀表，2011（6）：76-78.