分程控制在氦液化器控制系統中的應用

摘 要 使用西門子博途V16編程軟件，編寫分程控制的標準庫文件，并應用到氦氣壓縮機排氣壓力和吸氣壓力控制中。解決了閥門組合邏輯控制存在的問題，為低溫冷箱提供穩定的氦氣。

關鍵詞 分程控制 氦液化器 氦氣壓縮機 PID控制

中圖分類號 TP273? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0252?05

液氦是氦的液化體，無色無味透明，可達到毫開級的超低溫，是一種最主要的低溫源。氦液化器以氦作制冷劑，通過液化循環使氦氣成為液體的制冷機。氦液化器系統中，氦氣壓縮機是制冷循環中的關鍵設備之一，氦氣壓縮機對工質氦氣進行絕熱壓縮，并為整個氦液化器低溫系統提供動能。因此，要對氦氣壓縮機排氣壓力和進氣壓力進行高效調節，保證低溫冷箱進氣壓力和回氣壓力穩定尤為重要。目前常用的控制方法是：對每個控制閥門編寫1個比例積分PID控制回路。通過設置閥門的比例積分PID參數，如高壓氦氣加載閥門使用正向控制、高壓氦氣卸載閥門使用反向控制、低壓氦氣調節主閥、調節輔閥的增益和積分時間參數不同，來實現獨立控制。這種方法因每個閥門有獨立的比例積分PID控制回路，閥門組合配合控制難免會出現控制效率不高和邏輯不清晰的情況。因此，筆者引入分程控制，以期有效解決上述問題。

1 分程控制介紹

1.1 分程控制原理和結構

分程控制是將控制器輸出信號全程分割成2個信號段，每個信號段控制1個控制閥，每個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍的某段內工作，它主要用于帶有邏輯關系的多種控制手段而又具有同一控制目的的系統中，是為協調不同控制手段的動作邏輯而設計的。它也適用于一個對象特性非線性嚴重，需采取逐段逼近的方式進行精確控制的系統。

分程控制主要使用1個比例積分PID控制器來控制2個閥門，控制原理如圖1所示，其中SP為比例積分PID控制器的設定值，PV為過程變量的測量值，MV為比例積分PID控制器的輸出（即分程控制器的輸入），OUT1和OUT2是分程控制器的2個輸出，分別作用在2個不同的閥門上。

1.2 分程控制的4種工作模式

分程控制調節中，調節閥開閉形式一般可分為兩種：閥門同向動作分程控制，即隨調節器輸出信號增大（或減小），兩閥門都是開大（或關小）；閥門異向動作分程控制，即隨調節器的輸出信號增大（或減小），閥門總是一只關小而另一只開大。根據分程控制動作和方向的不同，可以分為4種不同的工作模式，如圖2所示，圖中橫坐標是分程控制器的輸入，也就是比例積分PID控制模塊的輸出，橫坐標中點是控制平衡位置（設定值等于測量值），單位%；縱坐標是調節閥1和2的輸出，單位%。

先以第1種工作模式為例說明。假設調節閥1是反應釜的冷卻閥，調節閥2是反應釜的加熱閥。比例積分PID的設定溫度為100 ℃。一開始，反應釜溫度為常溫，測量值為25 ℃，比例積分PID的輸出為100%。這個時候調節閥2加熱閥全開，調節閥1冷卻閥全關。隨著溫度測量值接近設定值，比例積分PID輸出接近平衡位置，調節閥2加熱閥逐漸開小，最后接近0%。當溫度繼續升高，比例積分PID輸出減小到平衡點左側，這個時候調節閥1冷卻閥逐漸打開，對反應釜進行冷卻，從而使反應釜溫度保持在設定值左右。第2種工作模式邏輯與第1種類似，只是控制方向相反。

再以第3種工作模式為例說明，假設調節閥1和調節閥2均為冷卻水壓力調節閥。調節閥1為調節主閥，調節閥2為調節輔閥。假設設定值為4 bar（1 bar=0.1 MPa），當系統剛啟動時測量值為0 bar。比例積分PID輸出為100%。調節閥1主閥和調節閥2輔閥同時100%全開。當壓力接近設定值時，調節閥2輔閥全關，系統靠調節閥1主閥控制冷卻水壓力。當用水量增大，主閥全開，也不能滿足設定壓力時，調節閥2輔閥才參與控制。第4種工作模式與第3種工作模式類似，只是控制方向相反。

由上面的論述可以看出：分程控制在1個過程變量、1個比例積分PID控制器、2個調節閥這種控制回路中，優勢比較突出，可以保證每個閥門的動作邏輯清晰，不會出現一邊加熱，一邊冷卻這類邏輯混亂的狀態。

2 分控控制程序的編寫

分程控制程序的編寫使用的是西門子PLC編程軟件博途V16，該軟件支持SCL結構化編程語言、梯形圖LAD等多種語言混合編程。分程控制程序邏輯關系使用LAD梯形圖編程，計算公式使用SCL結構化編程。

創建1個功能塊FB，添加輸入/輸出接口，創建的分控控制功能塊如圖3所示。

圖中，In為分程控制模塊的輸入，是比例積分PID控制模塊的輸出；InScaleHigh和InScaleLow為In的上量程和下量程；NeutPos是平衡位置；Out1和Out2為分程控制模塊的輸出；Out1ScaleHigh、Out1ScaleLow、Out2ScaleHigh、Out2ScaleLow用來設置Out1和Out2的工作模式；DeadBand為分程控制模塊的死區；Out1Act和Out2Act分別為Out1和Out2動作的標志位。

分程控制的計算公式如下：

調用分程控制模塊時，只需要在相應的輸入/輸出引腳編輯符號變量和參數。分程控制功能塊FB可以被其他功能塊FB、功能FC和組織塊OB調用，從而完成更復雜的邏輯控制。如創建1個閥門控制功能塊FB：包含分程控制、比例積分PID、斜率輸出及數模轉換等，也可以編輯成項目庫和全局庫，方便被其他項目或者程序調用［1，2］。

3 分程控制在氦液化器控制系統的應用

3.1 低溫設備控制系統壓縮機壓力控制調節邏輯

圖4為氦液化器控制系統上位機界面截圖，其中D1100為氦氣緩沖罐，當PI1110高壓壓力低壓設定值大于測量值時，CV1112泄壓閥全關，CV1212加載閥自動按分程控制模塊計算比例打開，緩沖罐氦氣進入壓縮機進氣管道進行補氣。當高壓壓力測量值大于設定值時，CV1212加載閥全關，CV1112泄壓閥按分程控制模塊計算比例打開，高壓側氦氣進入緩沖罐進行泄壓。按照分程控制的工作模式1動作，這樣就能避免：2個PID控制器分別控制2個閥門，當接近設定值時2個閥門同時打開這種邏輯混亂的情況。

CV1110為低壓壓力控制主閥，CV1111為低壓壓力控制輔閥。正常情況下CV1110控制主閥控制低壓側壓力PI1210，當全開也不能滿足設定壓力時，CV1111控制輔閥按分程控制比例打開。按照分程控制工作模式3動作，這樣就能避免：當控制主閥還有調節余量時，控制輔閥就參與控制的情況出現。

氦液化器在氣體純化、氣體降溫及氣體液化等不同的運行階段，制冷循環管道內氦氣流量變化波動較大。通過2個分程控制，對4個閥門進行配合控制，能維持氦氣壓縮機排氣和回氣壓力穩定，為降溫和液化提供一個穩定的氦氣供應。

圖5是上述4個閥門的彈出控制面板，控制面板能對閥門自動、斜率、手動和關閉4種工作模式進行切換，還可對PID自動控制設定值、比例、積分時間、微分時間、死區及輸出上下限等參數進行設置，也可以顯示過程變量值、模塊輸出值和一些報警信息。

3.2 DeadBand死區的使用

為了避免調節閥在壓力設定值附近頻繁動作，可以設置分程控制DeadBand這個參數，即使用Dead Band死區功能，這樣既能保持氦液化器壓力穩定又能降低閥門動作頻率，從而延長閥門的使用壽命。圖6a是DeadBand設置為負數時的輸入輸出邏輯圖，圖6b是DeadBand設置為正數時的輸入輸出邏輯圖。

4 結束語

分程控制的控制邏輯能很好地應用在1個過程變量、1個比例積分PID控制器、2個控制調節閥的控制場合，因此用于氦液化器的氦氣壓縮機進氣壓力和排氣壓力控制方面效果很好。設置分程控制DeadBand死區參數后，能有效地減少調節閥在設定值附近的動作，從而延長閥門的使用壽命。因此，可以在氦液化器其他的關鍵控制點或者其他低溫設備控制系統中進行推廣。

參 考 文 獻

［1］ 沈精虎.西門子系列PLC原理與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］ 胡學林.可編程控制器教程［M］.北京：電子工業出版社，2003.

（收稿日期：2022-07-05）

作者簡介：吳曉剛（1981-），助理工程師，從事低溫設備控制系統開發和調試工作，cousin15@163.com。

引用本文：吳曉剛.分程控制在氦液化器控制系統中的應用［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：252-255；274.