孙小凌 徐术平

摘 要： 某化工项目中热解炉在正常运行过程中负压需保持稳定。在此采用临界比例度法在PLC调节器中直接进行罗茨风机PID参数的初步整定、计算出整定参数，然后根据实际调节情况进行参数的进一步调整，确定最终的整定值。热解炉进料和喷嘴清洗的实际工况运行，证明了调节器的调节性能好，热解炉的负压稳定性好，满足了工艺要求。该整定方法具有快速性、直观性和适应强的特点。该文对于工艺设备可进行多次试验和允许临界振荡工况的系统具有良好的工程实践和借鉴意义。

关键词： 临界比例度法； PID整定； 负压； 罗茨风机

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）05?0161?03

0 引 言

某化工项目中，料液被输送到500 ℃的热解炉中，在搅拌的作用下受热气化，进行分解、中和反应。产生的热解气通过热解炉中的金属高温过滤器，进入燃烧炉、完全燃烧生成烟道气，进入骤冷器进行骤冷。然后经过喷射洗涤器冷却净化和高效气体过滤器过滤后，自罗茨排风机排至室外烟囱。该工艺原理如图1所示。

为了防止热解炉中热解气体的外泄漏，同时保护工艺设备和测量仪表，工艺要求热解炉运行期间负压在-1.5～-3.0 kPa范围——工艺定值为-2.5 kPa，这主要通过控制与热解炉负压连锁的罗茨排风机风量来实现。

1 罗茨风机控制

通过PLC和电气控制箱对变频器控制实现罗茨风机风量的调节。罗茨风机的控制原理如图2所示。ATV21变频器采用使用其内部电源的SOURCE（源，正）标准接法（公共端：P24）[1]；电气控制箱实现变频器的就地/远方和手动/自动控制方式的切换，以及将变频器的故障信号传递给PLC。其中，在远方、自动模式下PLC根据热解炉的实时负压和负压定值进行PID运算，并向变频器输出4～20 mA信号，变频器转换为相应的风机运行频率；其余控制模式下，罗茨风机在额定功率下运行。

2 PID整定

PID参数整定的方法有很多种，常用的有试凑法、经验法、临界比例度法、衰减曲线法和Ziegler?Nichols等[2?3]。其中，临界比例度法不需要知道被控对象的动态特性，而是通过总结前人理论和实践的经验，利用经验公式得到PID控制的最优整定参数[4]。用来确定被控对象动态特性的参数有两个：临界增益[Ku]和临界振荡周期[Tu。]

根据经验数据，基于负压控制的罗茨风机风量调节适合采用PI调节器[5]。如第1节所述，罗茨风机和热解炉之间有燃烧炉和骤冷器等其他工艺设备，致使难以确定罗茨风机调节系统数学模型的具体参数。在热解炉未进料的情况下工艺允许反复启动罗茨风机——电机功率22 kW，热解炉的负压对罗茨风机的风量响应快、时间滞后常数小。因此，采用临界比例度法进行罗茨风机的PI调节器整定，具体整定过程如下：

（1） 将调节器设置成纯比例作用，比例增益[KP=5。]为了避免整定过程中，热解炉负压大幅超过其允许范围，将热解炉负压的定值设置为-1.6 kPa；

（2） 启动罗茨风机，将系统投入闭环运行，从PLC上观察热解炉的负压曲线；

（3） 如果负压曲线是衰减的，则停止风机、增大比例增益[KP，]重做试验；

（4） 如果负压曲线的振荡幅度是不断增大，则停止风机、减小比例增益[KP，]重做试验。

重复上述步骤（3），步骤（4），当[KP=45]时，出现如图3所示的等幅振荡曲线。此时的比例增益就是临界增益[Ku。]

（5） 图3中3个典型时刻的负压如表1所示，据此计算出对应的临界周期[Tu=]15 s。

对于PI调节器，[KP=0.45×45=]20.2，[TI=0.83×15=]12.5 s。

（7） 将计算好的[KP]和[TI]参数值在调节器上设置好，并将热解炉负压的定值设置为-2.5 kPa。将系统投入闭环运行，启动罗茨风机。根据热解炉的负压曲线，对调节器的参数进行进一步的微调。图4是[KP=20]和[TI=30]时的负压曲线，表3是图4中9个典型时刻的负压值。

（8） 根据图4和表3，计算表4中对应的调节时间和调节次数等性能指标。

从图4和表4可知，在该PI整定值下热解炉的负压虽然可以较为快速的调节，但调节次数较多、振荡调节时间较久。因此，应减弱积分作用，即增加积分时间[TI=]50 s。

3 实际运行效果

3.1 进料阶段

热解炉加热到正常运行温度500 ℃后，于05：12：47 pm时刻启动罗茨风机，热解炉的负压不断下降。05：17：55 pm时刻开始负压低于定值-2.5 kPa，于05：17：59 pm时刻达到最小值-2.855 9 kPa，之后负压在调节器的调节作用下开始稳定；05：18：27 pm左右，开始向热解炉中进料液；根据工艺要求，缓慢增加进料速率；05：39：59 pm停止进料操作。

图5是罗茨风机启动和热解炉正常进料阶段的负压曲线，表5是图5中典型时刻的热解炉负压值。根据图5和表5计算的性能指标填入表4中。

从图5可知，整个进料过程中随着进料速度的增加，热解炉的负压波动逐渐小幅增大，但调节器的动态性能好、负压稳定，满足工艺要求。从表4可知，修改PI整定值即增加积分时间[TI=50]后，调节次数减少到3次，调节时间减少到51 s。调节性能得到极大改善。

3.2 喷嘴清洗阶段

正常进料结束后，05：40：29 pm开始进行进料喷嘴的清洗，05：40：36 pm结束喷嘴清洗。清洗过程中热解炉负压发生剧烈波动，在05：40：39 pm时刻负压迅速增到0.737 8 kPa，远超热解炉负压的允许范围（-1.5～-3.0 kPa）。但经PLC调节器的控制，11 s后负压（-1.814 2 kPa）快速降到允许范围.，最终经过6个调节周期稳定。

图6是喷嘴清洗阶段的负压曲线，表6是图6中典型时刻负压值。根据图6和表6计算的性能指标填入表4中。

从图6和表4可知，在喷嘴清洗造成负压大振幅波动情况下该调节器仍可快速将负压调节到正常范围，而且负压经5个调节周期较快地达到稳定状态（调节时间83 s），调节性能好，满足了工艺要求。

4 结 语

采用临界比例度法整定的罗茨风机调节器，在热解炉正常进料和喷嘴清洗过程中动态响应快、稳定性好。对于整定阶段允许控制对象反复启停、被控量与控制对象之间的时间滞后常数小，尤其是难以建立对象具体数学模型的工艺系统，都可采用本文所述的方法快速进行PID参数整定。

参考文献

[1] 施耐德电气公司.ATV21异步电机变频器用户手册[EB/OL].[[2006?10?23] .]http：// wenku.baidu.com/view/cdc3e303cc17552 [?]707220847.html.

[2] 李少远，王景成.智能控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 王玉德，韩秀庆，韩秀勇，等.PID参数调整仿真比较研究[J].电气自动化，2011，33（6）：1?3.

[4] 何芝强.PID控制器参数整定方法及其应用研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[5] 金奇，邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报（自然科学），2008，22（5）：91?94.

[6] 孙跃光，林怀蔚，周华茂，等.基于临界比例度法整定PID控制器参数的仿真研究[J].现代电子技术，2012，35（8）：192?194.