摘 要 使用西門子博途V16編程軟件，編寫分程控制的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件，并應(yīng)用到氦氣壓縮機(jī)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(wèn)題，為低溫冷箱提供穩(wěn)定的氦氣。

關(guān)鍵詞 分程控制 氦液化器 氦氣壓縮機(jī) PID控制

中圖分類號(hào) TP273? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）02?0252?05

液氦是氦的液化體，無(wú)色無(wú)味透明，可達(dá)到毫開(kāi)級(jí)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(guò)液化循環(huán)使氦氣成為液體的制冷機(jī)。氦液化器系統(tǒng)中，氦氣壓縮機(jī)是制冷循環(huán)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，氦氣壓縮機(jī)對(duì)工質(zhì)氦氣進(jìn)行絕熱壓縮，并為整個(gè)氦液化器低溫系統(tǒng)提供動(dòng)能。因此，要對(duì)氦氣壓縮機(jī)排氣壓力和進(jìn)氣壓力進(jìn)行高效調(diào)節(jié)，保證低溫冷箱進(jìn)氣壓力和回氣壓力穩(wěn)定尤為重要。目前常用的控制方法是：對(duì)每個(gè)控制閥門編寫1個(gè)比例積分PID控制回路。通過(guò)設(shè)置閥門的比例積分PID參數(shù)，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(diào)節(jié)主閥、調(diào)節(jié)輔閥的增益和積分時(shí)間參數(shù)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。這種方法因每個(gè)閥門有獨(dú)立的比例積分PID控制回路，閥門組合配合控制難免會(huì)出現(xiàn)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(wèn)題。

1 分程控制介紹

1.1 分程控制原理和結(jié)構(gòu)

分程控制是將控制器輸出信號(hào)全程分割成2個(gè)信號(hào)段，每個(gè)信號(hào)段控制1個(gè)控制閥，每個(gè)控制閥僅在控制器輸出信號(hào)整個(gè)范圍的某段內(nèi)工作，它主要用于帶有邏輯關(guān)系的多種控制手段而又具有同一控制目的的系統(tǒng)中，是為協(xié)調(diào)不同控制手段的動(dòng)作邏輯而設(shè)計(jì)的。它也適用于一個(gè)對(duì)象特性非線性嚴(yán)重，需采取逐段逼近的方式進(jìn)行精確控制的系統(tǒng)。

分程控制主要使用1個(gè)比例積分PID控制器來(lái)控制2個(gè)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(shè)定值，PV為過(guò)程變量的測(cè)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(gè)輸出，分別作用在2個(gè)不同的閥門上。

1.2 分程控制的4種工作模式

分程控制調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)閥開(kāi)閉形式一般可分為兩種：閥門同向動(dòng)作分程控制，即隨調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)增大（或減小），兩閥門都是開(kāi)大（或關(guān)?。?；閥門異向動(dòng)作分程控制，即隨調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)增大（或減小），閥門總是一只關(guān)小而另一只開(kāi)大。根據(jù)分程控制動(dòng)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(biāo)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(biāo)中點(diǎn)是控制平衡位置（設(shè)定值等于測(cè)量值），單位%；縱坐標(biāo)是調(diào)節(jié)閥1和2的輸出，單位%。

先以第1種工作模式為例說(shuō)明。假設(shè)調(diào)節(jié)閥1是反應(yīng)釜的冷卻閥，調(diào)節(jié)閥2是反應(yīng)釜的加熱閥。比例積分PID的設(shè)定溫度為100 ℃。一開(kāi)始，反應(yīng)釜溫度為常溫，測(cè)量值為25 ℃，比例積分PID的輸出為100%。這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)閥2加熱閥全開(kāi)，調(diào)節(jié)閥1冷卻閥全關(guān)。隨著溫度測(cè)量值接近設(shè)定值，比例積分PID輸出接近平衡位置，調(diào)節(jié)閥2加熱閥逐漸開(kāi)小，最后接近0%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，比例積分PID輸出減小到平衡點(diǎn)左側(cè)，這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)閥1冷卻閥逐漸打開(kāi)，對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行冷卻，從而使反應(yīng)釜溫度保持在設(shè)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(shuō)明，假設(shè)調(diào)節(jié)閥1和調(diào)節(jié)閥2均為冷卻水壓力調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥1為調(diào)節(jié)主閥，調(diào)節(jié)閥2為調(diào)節(jié)輔閥。假設(shè)設(shè)定值為4 bar（1 bar=0.1 MPa），當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)測(cè)量值為0 bar。比例積分PID輸出為100%。調(diào)節(jié)閥1主閥和調(diào)節(jié)閥2輔閥同時(shí)100%全開(kāi)。當(dāng)壓力接近設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥2輔閥全關(guān)，系統(tǒng)靠調(diào)節(jié)閥1主閥控制冷卻水壓力。當(dāng)用水量增大，主閥全開(kāi)，也不能滿足設(shè)定壓力時(shí)，調(diào)節(jié)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(gè)過(guò)程變量、1個(gè)比例積分PID控制器、2個(gè)調(diào)節(jié)閥這種控制回路中，優(yōu)勢(shì)比較突出，可以保證每個(gè)閥門的動(dòng)作邏輯清晰，不會(huì)出現(xiàn)一邊加熱，一邊冷卻這類邏輯混亂的狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言、梯形圖LAD等多種語(yǔ)言混合編程。分程控制程序邏輯關(guān)系使用LAD梯形圖編程，計(jì)算公式使用SCL結(jié)構(gòu)化編程。

創(chuàng)建1個(gè)功能塊FB，添加輸入/輸出接口，創(chuàng)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(lái)設(shè)置Out1和Out2的工作模式；DeadBand為分程控制模塊的死區(qū)；Out1Act和Out2Act分別為Out1和Out2動(dòng)作的標(biāo)志位。

分程控制的計(jì)算公式如下：

調(diào)用分程控制模塊時(shí)，只需要在相應(yīng)的輸入/輸出引腳編輯符號(hào)變量和參數(shù)。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(diào)用，從而完成更復(fù)雜的邏輯控制。如創(chuàng)建1個(gè)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(shù)模轉(zhuǎn)換等，也可以編輯成項(xiàng)目庫(kù)和全局庫(kù)，方便被其他項(xiàng)目或者程序調(diào)用［1，2］。

3 分程控制在氦液化器控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 低溫設(shè)備控制系統(tǒng)壓縮機(jī)壓力控制調(diào)節(jié)邏輯

圖4為氦液化器控制系統(tǒng)上位機(jī)界面截圖，其中D1100為氦氣緩沖罐，當(dāng)PI1110高壓壓力低壓設(shè)定值大于測(cè)量值時(shí)，CV1112泄壓閥全關(guān)，CV1212加載閥自動(dòng)按分程控制模塊計(jì)算比例打開(kāi)，緩沖罐氦氣進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)氣管道進(jìn)行補(bǔ)氣。當(dāng)高壓壓力測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，CV1212加載閥全關(guān)，CV1112泄壓閥按分程控制模塊計(jì)算比例打開(kāi)，高壓側(cè)氦氣進(jìn)入緩沖罐進(jìn)行泄壓。按照分程控制的工作模式1動(dòng)作，這樣就能避免：2個(gè)PID控制器分別控制2個(gè)閥門，當(dāng)接近設(shè)定值時(shí)2個(gè)閥門同時(shí)打開(kāi)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(cè)壓力PI1210，當(dāng)全開(kāi)也不能滿足設(shè)定壓力時(shí)，CV1111控制輔閥按分程控制比例打開(kāi)。按照分程控制工作模式3動(dòng)作，這樣就能避免：當(dāng)控制主閥還有調(diào)節(jié)余量時(shí)，控制輔閥就參與控制的情況出現(xiàn)。

氦液化器在氣體純化、氣體降溫及氣體液化等不同的運(yùn)行階段，制冷循環(huán)管道內(nèi)氦氣流量變化波動(dòng)較大。通過(guò)2個(gè)分程控制，對(duì)4個(gè)閥門進(jìn)行配合控制，能維持氦氣壓縮機(jī)排氣和回氣壓力穩(wěn)定，為降溫和液化提供一個(gè)穩(wěn)定的氦氣供應(yīng)。

圖5是上述4個(gè)閥門的彈出控制面板，控制面板能對(duì)閥門自動(dòng)、斜率、手動(dòng)和關(guān)閉4種工作模式進(jìn)行切換，還可對(duì)PID自動(dòng)控制設(shè)定值、比例、積分時(shí)間、微分時(shí)間、死區(qū)及輸出上下限等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可以顯示過(guò)程變量值、模塊輸出值和一些報(bào)警信息。

3.2 DeadBand死區(qū)的使用

為了避免調(diào)節(jié)閥在壓力設(shè)定值附近頻繁動(dòng)作，可以設(shè)置分程控制DeadBand這個(gè)參數(shù)，即使用Dead Band死區(qū)功能，這樣既能保持氦液化器壓力穩(wěn)定又能降低閥門動(dòng)作頻率，從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命。圖6a是DeadBand設(shè)置為負(fù)數(shù)時(shí)的輸入輸出邏輯圖，圖6b是DeadBand設(shè)置為正數(shù)時(shí)的輸入輸出邏輯圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

分程控制的控制邏輯能很好地應(yīng)用在1個(gè)過(guò)程變量、1個(gè)比例積分PID控制器、2個(gè)控制調(diào)節(jié)閥的控制場(chǎng)合，因此用于氦液化器的氦氣壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力和排氣壓力控制方面效果很好。設(shè)置分程控制DeadBand死區(qū)參數(shù)后，能有效地減少調(diào)節(jié)閥在設(shè)定值附近的動(dòng)作，從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命。因此，可以在氦液化器其他的關(guān)鍵控制點(diǎn)或者其他低溫設(shè)備控制系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。

參 考 文 獻(xiàn)

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

［2］ 胡學(xué)林.可編程控制器教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

（收稿日期：2022-07-05）

作者簡(jiǎn)介：吳曉剛（1981-），助理工程師，從事低溫設(shè)備控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)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(tǒng)中的應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（2）：252-255；274.