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【摘 要】 精馏温度控制系统中，塔内的温度变化具有较大的滞后特征和大惯性的时间常数。实际改造中，引入PID串级控制方案，将其应用在精馏塔各温度控制回路中，解决了大惯性环节的时间问题，减小了系统的超调量，加快了系统的调节过程，最终使系统处于非常稳定的状态。
【关键词】 串级温度控制；FB41；WINCC
我单位系化工系统一制药行业，以生产扑热息痛为主的原料药。因生产过程中原材料冰醋酸消耗量较大，于2012年年底在其生产线上增加了一条醋酸回收精馏装置，投入使用后，在生产过程中发现很多问题，如大塔塔釜温度控制值与其设定值偏差较大，始终不能很好的稳定在设定温度上，误差温度常超过控制要求，塔釜温度的不稳又影响到塔中，塔顶温度，当塔顶温度偏离到正常范围值后，只有通过调节回流量间接的调整塔顶温度，在实际运行中，操作工需对回流进行多次调节和监控，劳动强度较大，温度的不稳定，造成精馏塔内气液不平衡，成品含酸量低于标准值，废水中含酸量增高，产品质量下降。为了确保该系统能稳定工作，我们在实际运行中，观察其温度曲线及其运行记录，结合其实际引入了PID串级控制系统的改进方案，并将其应用在塔釜的温度控制，塔顶的温度控制，以及塔釜的液位控制中，在控制上基本实现了全自动化控制，操作更加简便，工作更为稳定。
一、 温度控制系统的改进
1. 串级控制系统的介绍。PID串级控制系统是改善调节质量的一种比较常见的控制方案，通常应用于容量滞后较大，扰动变化激烈而且幅度大的过程，在过程控制中得到极为广泛的应用，由于精馏塔的精馏段和提馏段的干扰因素很多，如被加热流量和温度的扰动，压力的波动、热质的变化回流量的变化，而对这些干扰，传统的单回路PID控制系统并不能将所有的干扰都包含进去，不能将各点温度都能控制在设定值上，串级控制系统可以改善过程的动态特性，提高系统的控制质量，由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了震荡周期，在衰减系数相同的情况下，能迅速克服进入副回路的二次干扰，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。
在串级控制中由于内环的存在，是串级控制系统有一定的自适应能力。串级控制系统回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主控制器的输出。是一个变化量。主控制器按照被控对象的特征和扰动变化的情况，不断地纠正副回路的给定值。副控制器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性，众所周知，工业实际生产过程中包含許多非线性因素，所以在确定工作点以后，按照控制质量指标整定的控制器参数，只适合工作点附近，假如负荷变化过大了，超出了这个范围，那么它的控制质量会下降，这在单回路系统中是很难解决的，但是，在串级控制系统中就很轻而易举了。负荷的变化导致内回路有关参数的变化，几乎不会影响系统的控制质量，所以如果内环对象增益或调节阀的负荷随时变化时，不改变参数系统的内回路能自动克服扰动，保持或接近原有的相应曲线，从另一方面来看，由于内回路是一个流量随动系统，但系统操作条件或负荷改变时，外回路控制器将改变其输出值，内回路能快速跟踪，及时而又精确的控制流量，从而保证系统控制品质。
下面以大塔塔釜的温度控制为例介绍精馏塔温度的控制，对于二元精馏塔，当塔压恒定时，常用温度做为被控量。在精馏塔系统中，塔釜的温度对于产品的质量有很大的影响，因此，将塔底的温度作为主控参数，而塔釜的温度有与塔底再沸器中流过的蒸汽流量有密切的关系，因此将蒸汽调节阀门、蒸汽流量，作为副回路参数。
下图1为串级控制方框图，图中：D1为大塔塔釜温度的变化，D2为通入再沸器加热蒸汽流量的变化。
串级控制系统方框图
在串级温度控制系统中，温度检测变送器作为主调节器，起定值控制作用，且主控参数（塔釜温度）对温度控制的精度要求很高，允许波动温度很小 ，一般要求无余差，因此需要采用高精度的PID控制器；由于再沸器加热量的变化能够较快地反应在塔釜温度的变化上，而且能通过气动薄膜调节阀进行控制，因此选择进入再沸器加热蒸汽流量来作为串级控制的副控参数。在串级控制中，副调节器起随动控制作用，而且副控参数的调节也是为了保证主控参数的的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P调节器。
2. 软件程序。以上调节器的功能均有西门子编程软件STEP7中的PID功能块FB41来实现。在程序中使用了两个PID功能块FB41，主控制器DB100的输出脚LMN和副控制器DB200的SP-INT相连，主控制器的输出是副控制器的设定，从而构成一个串级控制回路，两个PID功能块都有自动，手动选择功能，在串级工作状态时副回路使用主回路的输出作为设定值，串级不工作时副回路的设定值可以单独给定，通过对PID模块中的MAN-ON的脚进行设置，可以使手动，自动状态进行无扰动切换，特性如下：①主回路具有Manual、Automatic 两种控制方式；②付回路具有Manual、Automatic + LSP （接受主回路的输出）三种控制方式；③在各种控制方式之间切换是无扰动的；④切手动时，外环内环同时切换，将外环FB41的PV-IN值强制写入外环FB41的SP-IN值；⑤控制器自动时，外环内环同时切换，将内环的LMN值写入内环的MAN值内；⑥无论手动，自动的状态如何，内环的FB41的PV-IN写入外环FB41的MAN值；⑦第一个PID是主调。主调的PV，SP一定是一个量级的单位。.LMN要根据输出来设定；⑧第二个PID为副调，副调的PV正常设定，SP是主调（第一个PID的输出LMN），因此主调（第一个PID）的输出.LMN的量程设置为与PV等量级的参数；⑨副调（第二个PID）的LMN与AO的输出相当，如控制调节阀门的开度（0～100%），那么LMN的量程就设置为0～100 。
在塔顶温度控制回路中，也引入了串级控制控制系统，主控制器的的输入为设定温度和实际温度。副控制器的输入为回流量的设定流量和实际流量。 同样控制阀位开度调节塔釜液位，一个PID输入设定水位和实际水位，输出一个阀门控制值，另一个PID以这个阀门控制值为设定值，以实际大塔采出流量为实际值。输出到阀门控制。
二、加入温度补偿功能
在精馏塔的温度检测中一般选用铠装式铂热电阻，由于其精度高，性能稳定，能适应恶劣的工作环境等优点，成为在精馏塔温度测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温器件，铂热电阻在作为温度测量使用时，一般分布在近四十米的精馏塔的塔体上，来测试各温度点的温度值，从精馏塔到自控室少则几十米多则上百米这样长的连接导线，它的自身引线的电阻也是相当可观的，如常用的RVVP 0.75M3*3 的屏蔽电缆，当长度为100米时，其导线电阻为8到10欧姆左右，且各温度点到控制室的导线长度相差很大，势必造成测量精度的下降。所以在实际改造中，我们在热电阻的输入程序中，加入了一个加法指令，在传感器输入量程转换后，减去这个导线的阻值，现场调试中，我们将电阻箱放在塔上的各温度测试点上，分别将电阻箱的阻值调节在100欧姆和138.5欧姆，然后在控制室的组态画面上來观察温度显示值，正确的温度应为0摄氏度和100摄氏度，但实际显示的温度值显然要高于现场电阻箱对应的温度，将该值减去标定温度值，即为该点的温度补偿值，程序如下图所示：
图中，来自AI模块的PIW256的原始数据为16位整数，首先用I-DI指令将整数转换成双整数，然后用DI-R指令转换成实数（Real），再用实数相除指令DIV-R后和温度补偿值相加，输出即为真实的温度值
三、上位机监控系统的改进
上位机监控软件使用的是西门子视窗组态软件WINCC V6.2，功能强大， Microsoft SQL Server 2005作为其组态数据和归档数据的存储数据库，变量存档接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能 以及报警信息系统记录和存储事件并予以显示的功能，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。但原有的程序画面上的退出按钮在设计上未编译退出口令，操作员在操作鼠标时，极易误触到退出按钮造成整个组态系统的退出，改进中将在WINCC中的退出按钮中加入C动作，并增加登陆按钮，设置登陆权限。方法如下：
登陆按钮C脚本：
#include "apdefap.h"
void OnLButtonDown（char* lpszPictureName， char* lpszObjectName， char* lpszPropertyName， UINT nFlags， int x， int y）
{
#pragma code（"useadmin.dll"）
#include"PWRT_api.h"
#pragma code（）
PWRTLogin（'C'）；
}
退出按钮C脚本：
#include "apdefap.h"
void OnLButtonDown（char* lpszPictureName， char* lpszObjectName， char* lpszPropertyName， UINT nFlags， int x， int y）
{
#pragma code（"useadmin.dll"）
#include"PWRT_api.h"
#pragma code（）
PWRTLogout（）；
}
在WINCC-用户管理器中新增可以退出画面的用户名和密码，然后在画面退出按钮的属性设置-其他-授权选择相应的授权，既可实现该功能。
四、结束语
经过改进后的控制系统与之前相比，功能较为完善，投运后，观察大塔塔釜的温度曲线基本在一条直线上，当进入再沸器的蒸汽压力在3kg到5kg之间变化时，塔釜温度和规定值相比较，误差不超过1摄氏度，进出料量也很稳定，完全不受外界蒸汽波动压力影响，从操作曲线和分析结果看，当进料量为1000/h，进酸含量在45%-50%时，成品酸的含量均保持在75%以上，废水中酸的含量均小于1%，整个精馏塔在自动调节过程中完全达到了物料，气—液，热量三个平衡，而且操作方便简单，大大减小了操作人员的负担，确保了产品质量的稳定。
参考文献：
[1] 王爱广.过程控制技术[M] 北京：化学工业出版社 2005
[2] 王春艳.PID在精馏塔控制中的应用 [J] 济南大学学报自然科学版，2006，（6）：238——241
[3] 西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子WinCC V6.0 北京：北京航空航天大学出版社，2005：1-3
[4] 廖常初.S7-300 /400PLC应用技术 北京：机械工业出版社，2011.
【关键词】 串级温度控制；FB41；WINCC
我单位系化工系统一制药行业，以生产扑热息痛为主的原料药。因生产过程中原材料冰醋酸消耗量较大，于2012年年底在其生产线上增加了一条醋酸回收精馏装置，投入使用后，在生产过程中发现很多问题，如大塔塔釜温度控制值与其设定值偏差较大，始终不能很好的稳定在设定温度上，误差温度常超过控制要求，塔釜温度的不稳又影响到塔中，塔顶温度，当塔顶温度偏离到正常范围值后，只有通过调节回流量间接的调整塔顶温度，在实际运行中，操作工需对回流进行多次调节和监控，劳动强度较大，温度的不稳定，造成精馏塔内气液不平衡，成品含酸量低于标准值，废水中含酸量增高，产品质量下降。为了确保该系统能稳定工作，我们在实际运行中，观察其温度曲线及其运行记录，结合其实际引入了PID串级控制系统的改进方案，并将其应用在塔釜的温度控制，塔顶的温度控制，以及塔釜的液位控制中，在控制上基本实现了全自动化控制，操作更加简便，工作更为稳定。
一、 温度控制系统的改进
1. 串级控制系统的介绍。PID串级控制系统是改善调节质量的一种比较常见的控制方案，通常应用于容量滞后较大，扰动变化激烈而且幅度大的过程，在过程控制中得到极为广泛的应用，由于精馏塔的精馏段和提馏段的干扰因素很多，如被加热流量和温度的扰动，压力的波动、热质的变化回流量的变化，而对这些干扰，传统的单回路PID控制系统并不能将所有的干扰都包含进去，不能将各点温度都能控制在设定值上，串级控制系统可以改善过程的动态特性，提高系统的控制质量，由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了震荡周期，在衰减系数相同的情况下，能迅速克服进入副回路的二次干扰，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。
在串级控制中由于内环的存在，是串级控制系统有一定的自适应能力。串级控制系统回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主控制器的输出。是一个变化量。主控制器按照被控对象的特征和扰动变化的情况，不断地纠正副回路的给定值。副控制器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性，众所周知，工业实际生产过程中包含許多非线性因素，所以在确定工作点以后，按照控制质量指标整定的控制器参数，只适合工作点附近，假如负荷变化过大了，超出了这个范围，那么它的控制质量会下降，这在单回路系统中是很难解决的，但是，在串级控制系统中就很轻而易举了。负荷的变化导致内回路有关参数的变化，几乎不会影响系统的控制质量，所以如果内环对象增益或调节阀的负荷随时变化时，不改变参数系统的内回路能自动克服扰动，保持或接近原有的相应曲线，从另一方面来看，由于内回路是一个流量随动系统，但系统操作条件或负荷改变时，外回路控制器将改变其输出值，内回路能快速跟踪，及时而又精确的控制流量，从而保证系统控制品质。
下面以大塔塔釜的温度控制为例介绍精馏塔温度的控制，对于二元精馏塔，当塔压恒定时，常用温度做为被控量。在精馏塔系统中，塔釜的温度对于产品的质量有很大的影响，因此，将塔底的温度作为主控参数，而塔釜的温度有与塔底再沸器中流过的蒸汽流量有密切的关系，因此将蒸汽调节阀门、蒸汽流量，作为副回路参数。
下图1为串级控制方框图，图中：D1为大塔塔釜温度的变化，D2为通入再沸器加热蒸汽流量的变化。
串级控制系统方框图
在串级温度控制系统中，温度检测变送器作为主调节器，起定值控制作用，且主控参数（塔釜温度）对温度控制的精度要求很高，允许波动温度很小 ，一般要求无余差，因此需要采用高精度的PID控制器；由于再沸器加热量的变化能够较快地反应在塔釜温度的变化上，而且能通过气动薄膜调节阀进行控制，因此选择进入再沸器加热蒸汽流量来作为串级控制的副控参数。在串级控制中，副调节器起随动控制作用，而且副控参数的调节也是为了保证主控参数的的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P调节器。
2. 软件程序。以上调节器的功能均有西门子编程软件STEP7中的PID功能块FB41来实现。在程序中使用了两个PID功能块FB41，主控制器DB100的输出脚LMN和副控制器DB200的SP-INT相连，主控制器的输出是副控制器的设定，从而构成一个串级控制回路，两个PID功能块都有自动，手动选择功能，在串级工作状态时副回路使用主回路的输出作为设定值，串级不工作时副回路的设定值可以单独给定，通过对PID模块中的MAN-ON的脚进行设置，可以使手动，自动状态进行无扰动切换，特性如下：①主回路具有Manual、Automatic 两种控制方式；②付回路具有Manual、Automatic + LSP （接受主回路的输出）三种控制方式；③在各种控制方式之间切换是无扰动的；④切手动时，外环内环同时切换，将外环FB41的PV-IN值强制写入外环FB41的SP-IN值；⑤控制器自动时，外环内环同时切换，将内环的LMN值写入内环的MAN值内；⑥无论手动，自动的状态如何，内环的FB41的PV-IN写入外环FB41的MAN值；⑦第一个PID是主调。主调的PV，SP一定是一个量级的单位。.LMN要根据输出来设定；⑧第二个PID为副调，副调的PV正常设定，SP是主调（第一个PID的输出LMN），因此主调（第一个PID）的输出.LMN的量程设置为与PV等量级的参数；⑨副调（第二个PID）的LMN与AO的输出相当，如控制调节阀门的开度（0～100%），那么LMN的量程就设置为0～100 。
在塔顶温度控制回路中，也引入了串级控制控制系统，主控制器的的输入为设定温度和实际温度。副控制器的输入为回流量的设定流量和实际流量。 同样控制阀位开度调节塔釜液位，一个PID输入设定水位和实际水位，输出一个阀门控制值，另一个PID以这个阀门控制值为设定值，以实际大塔采出流量为实际值。输出到阀门控制。
二、加入温度补偿功能
在精馏塔的温度检测中一般选用铠装式铂热电阻，由于其精度高，性能稳定，能适应恶劣的工作环境等优点，成为在精馏塔温度测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温器件，铂热电阻在作为温度测量使用时，一般分布在近四十米的精馏塔的塔体上，来测试各温度点的温度值，从精馏塔到自控室少则几十米多则上百米这样长的连接导线，它的自身引线的电阻也是相当可观的，如常用的RVVP 0.75M3*3 的屏蔽电缆，当长度为100米时，其导线电阻为8到10欧姆左右，且各温度点到控制室的导线长度相差很大，势必造成测量精度的下降。所以在实际改造中，我们在热电阻的输入程序中，加入了一个加法指令，在传感器输入量程转换后，减去这个导线的阻值，现场调试中，我们将电阻箱放在塔上的各温度测试点上，分别将电阻箱的阻值调节在100欧姆和138.5欧姆，然后在控制室的组态画面上來观察温度显示值，正确的温度应为0摄氏度和100摄氏度，但实际显示的温度值显然要高于现场电阻箱对应的温度，将该值减去标定温度值，即为该点的温度补偿值，程序如下图所示：
图中，来自AI模块的PIW256的原始数据为16位整数，首先用I-DI指令将整数转换成双整数，然后用DI-R指令转换成实数（Real），再用实数相除指令DIV-R后和温度补偿值相加，输出即为真实的温度值
三、上位机监控系统的改进
上位机监控软件使用的是西门子视窗组态软件WINCC V6.2，功能强大， Microsoft SQL Server 2005作为其组态数据和归档数据的存储数据库，变量存档接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能 以及报警信息系统记录和存储事件并予以显示的功能，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。但原有的程序画面上的退出按钮在设计上未编译退出口令，操作员在操作鼠标时，极易误触到退出按钮造成整个组态系统的退出，改进中将在WINCC中的退出按钮中加入C动作，并增加登陆按钮，设置登陆权限。方法如下：
登陆按钮C脚本：
#include "apdefap.h"
void OnLButtonDown（char* lpszPictureName， char* lpszObjectName， char* lpszPropertyName， UINT nFlags， int x， int y）
{
#pragma code（"useadmin.dll"）
#include"PWRT_api.h"
#pragma code（）
PWRTLogin（'C'）；
}
退出按钮C脚本：
#include "apdefap.h"
void OnLButtonDown（char* lpszPictureName， char* lpszObjectName， char* lpszPropertyName， UINT nFlags， int x， int y）
{
#pragma code（"useadmin.dll"）
#include"PWRT_api.h"
#pragma code（）
PWRTLogout（）；
}
在WINCC-用户管理器中新增可以退出画面的用户名和密码，然后在画面退出按钮的属性设置-其他-授权选择相应的授权，既可实现该功能。
四、结束语
经过改进后的控制系统与之前相比，功能较为完善，投运后，观察大塔塔釜的温度曲线基本在一条直线上，当进入再沸器的蒸汽压力在3kg到5kg之间变化时，塔釜温度和规定值相比较，误差不超过1摄氏度，进出料量也很稳定，完全不受外界蒸汽波动压力影响，从操作曲线和分析结果看，当进料量为1000/h，进酸含量在45%-50%时，成品酸的含量均保持在75%以上，废水中酸的含量均小于1%，整个精馏塔在自动调节过程中完全达到了物料，气—液，热量三个平衡，而且操作方便简单，大大减小了操作人员的负担，确保了产品质量的稳定。
参考文献：
[1] 王爱广.过程控制技术[M] 北京：化学工业出版社 2005
[2] 王春艳.PID在精馏塔控制中的应用 [J] 济南大学学报自然科学版，2006，（6）：238——241
[3] 西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子WinCC V6.0 北京：北京航空航天大学出版社，2005：1-3
[4] 廖常初.S7-300 /400PLC应用技术 北京：机械工业出版社，2011.