分程控制系统的分析及应用

中国化工贸易分程控制系统的分析及应用

马强

李现

周威

457000）

（河南濮阳中原大化集团公司仪表技术组，河南濮阳

摘

要：通过对分程控制回路的深入分析，并对控制阀门流通力进行设计计算，达到优化工艺流程，精确控制工艺指标的目的。

控制点分程功能模块

1.扩大调节阀的可调范围

有时生产过程要求有较大范围的流量变化，但是控制阀的可调范围是有限制的（一般柱塞式控制阀的可调范围R=50），若采用一个控关键词：分程控制

在现代化石油化工的仪表控制部分，分程控制系统起着至关重要的作用。通过对分程控制系统的加强理解和分析，在实际控制组态中加以合理的使用，得以实现优化工艺流程，精确控制工艺指标的目的，本文拟从浅至深的对分程控制系统进行概述分析。

一、分程控制系统的定义

在一般的过程控制系统中，一个控制器的输出信号只带动一个控制阀作全行程的动作。而分程控制系统中，一个控制器的输出信号分割成两个（或多个）不同量程范围，带动不同的两个（或多个）控制阀，每个控制阀只能在控制器输出信号的某一区段范围内作全行程的动作，控制器输出信号区段的划分需要根据生产工艺要求来确定。

二、分程控制信号与阀门动作关系

在分程控制系统中，控制器的输出与控制阀的动作的关系可以划分为两种形式：一种是同向动作，即随着控制器输出信号的增大或减小，两个控制阀在各自全行程的信号区段内都开大或关小；另一种是异向动作，即随着控制器输出信号的增大或减小，两个控制阀在各自全行程的信号区段内一个开大、一个关小。一个分程控制系统是同向动作还是异向动作只取决于工艺的控制要求，与控制器和阀门定位器的正反作用无关。

三、分程点的确定

分程控制是控制器利用两个阀门分别来对同一个被控变量进行控制，如果控制器输出在两个阀门的区段内的过程增益相差太大，那么控制器的输出对于被控变量的作用在一个阀门区段内较慢，另一个区阀门段内较快。在这种情况下，我们可以通过改变分程点的位置来平衡两个区段内的控制强度，使得分程控制系统更加平稳。

四、分程功能模块的实现方法

DCS、PLC等电子控制系统利用方便的软件组态来实现过程控制和运算，其强大的控制器来执行过程控制和运算功能。下面以横河的CENTUMVP系统为例，简单介绍分程控制在DCS系统中的实现方法。

SPLIT功能块把PID控制块的输出信号分成两个信号分别送入两个MLD-SW手操块，然后经过手操块后再送到AO通道。增加手操块主要是为了让每个阀门能单独的被手动操作，在工程实施中每个阀门必须要增加手动模块以便于操作工可以手动干预，分程控制的信号区段的划分和范围的转换是由SPLIT功能块来实现的。

SPLIT功能块根据设定值SV来计算两个操作输出值MV1和MV2，信号范围的转换中SV的值与PID控制块的输出值相对应，MV1和MV2的值分别与两个控制阀的输入值相对应。

当SV的值在预定范围之内时（一般为0~100%），MV1和MV2的值可由下列公式得出：

每个DCS厂家对于分程块的组态都有区别，但分程块的本质是完成输入与两个输出之间的范围转换，也就是上面两个公式中MV和SV之间的运算。在PLC中组态分程控制时，由于PLC没有分程功能块，分程控制必须由组态人员利用运算功能来实现，所以在工程设计文件中，我们用运算功能来表示分程控制更符合分程控制的本质，而手动操作功能我们可以在备注里说明。

五、分程控制系统的应用

038中国化工贸易ChinaChemicalTrade制阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个控制阀并联的分成控制方案。

某锅炉产汽压力为10MPa高压蒸汽，而生产上需要的是4MPa中压蒸汽。如果采用单个的控制阀，则需要选用一个很大口径的控制阀，在正常工作时，控制阀开度很小，由于压差大、温度高，控制阀会产生振荡，使被控压力产生波动，控制品质不好，同时高速蒸汽对阀座

的汽蚀现象十分严重。若采用分程控制（

如右图所示），把两个不同口径的控制阀并联起来使用，在正常情况下，一个控制阀工作，在特殊情况下，另一个控制阀同时工作，满足了工艺要求，又提高了控制质量。

设在分程控制中两只控制阀的最大流通能力分别为CAmax=10，CBmax=100，控制阀的可调比为RA=RB=50，由于R=Cmax/Cmin，因此每个控制阀的最小流通能力为：

CAmin=CAmax/RA=0.2CBmin=CBmax/RB=2

两个控制阀并联同向动作时，其组合可调比应该为组合阀最大流通能力和最小流通能力之比，即：

RAB=(CAmax+CBmax)/CAmin=550

可见，上面分程控制阀的可调比是单个控制阀可调比的11倍，从而改善了控制阀的工作特性，提高了系统的控制精度。

2.采用两种介质来控制，以满足工艺生产的要求

工艺上有时要求一个被控变量采用两种或两种以上的介质来进行控制，如某些间歇式生产的化学反应过程中，当反应物料投入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前，需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行而不断放出热量，这些放出放出的热量如不及时移走，反应就会越来越剧烈，以致会有爆炸的危险。如果在该系统充采用分程控制，利用A、B两台控制阀，分别控制冷却水与蒸汽两种不同的介质，以满足工艺上需要冷却和加热的不同需要。

从生产安全角度考虑，本方案中选择蒸汽控制阀为气开式，冷却水控制阀为气关式。因为，一旦出现供气中断情况，A阀将处于全开，B阀将处于全关，这样就不会因为反应器温度过高而导致生产事故。

3.采用两种手段来控制，以满足工艺生产的要求

在某些石化产品的贮罐中，由于介质不宜与空气长时间接触，常常在贮罐上方充以惰性气体N2，以使介质与空气隔绝，通常称之为氮封。为了保证空气不进贮罐，一般要求氮气压力应保持为微正压。这里需要考虑一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化，当抽取物料时，氮封压力会下降，如不及时向贮罐中补充N2，贮罐就有被吸瘪的危险。而当向贮罐中入料时，氮封压力又会上升，如不及时排出贮罐中一部分N2，贮罐就可能被鼓坏。为了维持氮封的压力，也可采用分程控制方案。

当贮罐压力升高时，控制器逐步关闭充N2阀A，接着将放空阀B打开，于是通过放空的办法将贮罐内的压力降下来。当贮罐内压力降低时，控制器逐步关闭放空阀B，接着将充

N2

阀A慢慢打开，于是N2被补充到贮罐中，以提高贮罐的压力。

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马强， 李现， 周威

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China Chemical Trade2013(3)

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