PID算法在酒精精餾塔中控制的實(shí)現(xiàn)

邸書玉 遲環(huán)宇

摘 要：主要介紹了酒精精餾的控制原理和方法，就如何運(yùn)用PID調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)一種穩(wěn)定性高、超調(diào)量小的酒精精餾塔溫度控制進(jìn)行了闡述，利用STEP 7軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并給出了工程的初值選取方法和系統(tǒng)運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：PID;PLC;精餾塔控制

中圖分類號(hào)：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）34-0066-03

The Realization of PID Algorithm in Alcohol Distillation Tower Control

DI Shuyu1 CHI Huanyu2

（1. School of Information and Control Engineering， JiLin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022;2.Jihua Group Instrument Co.， Ltd.，Jilin Jilin 132022）

Abstract： This paper mainly introduced the control principle and method of alcohol distillation. It expounded how to use PID control to realize the temperature control of alcohol distillation tower with high stability and small overshoot. The control system was programmed with step 7 software， and the initial value selection method and system operation effect were given.

Keywords： PID;PLC; alcohol distillation tower control

蒸餾是酒精生產(chǎn)過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序。酒精精餾塔是酒精蒸餾生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，精餾塔的控制好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量消耗。影響精餾塔運(yùn)行的因素較多，各變量之間相互關(guān)聯(lián)，交叉耦合，工藝控制復(fù)雜。要使蒸餾過(guò)程達(dá)到物料、熱量平衡，做到進(jìn)醪穩(wěn)，成品酒穩(wěn)，就需要控制好標(biāo)志塔正常運(yùn)行的主要工藝參數(shù)：蒸汽壓力、精塔頂溫、中溫、冷凝器酒氣溫度、塔底液位。因此，選擇正確的PID控制方案，進(jìn)行合理的變量配對(duì)至關(guān)重要。

1 工藝簡(jiǎn)介

精餾過(guò)程是通過(guò)反復(fù)的氣化與冷凝，使混合物料的各組圖組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度，即從塔頂分離出揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分，從塔底分離出揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分[1]。塔頂、塔中和塔底溫度的控制對(duì)分餾的效果有最直接的影響，塔底溫度高、塔頂溫度低時(shí)，酒精會(huì)蒸發(fā)，反之則會(huì)形成釜?dú)?，物料能量損失大，不利于節(jié)能。

酒精蒸餾流程為：發(fā)酵后的成熟醪用往復(fù)泵自醪池須經(jīng)預(yù)熱器進(jìn)入粗塔頂部。在粗塔底部用加熱蒸汽加熱，塔底排出酒糟。粗酒精蒸汽經(jīng)塔頂部排出后進(jìn)入精塔底部，在脫水塔底部通入加熱蒸汽，把酒精廢水脫盡，然后自脫水塔底部排出。提濃后酒精依次進(jìn)入預(yù)熱器、冷凝器，冷凝液全部回流精塔頂層，還有部分未冷凝的酒汽經(jīng)冷凝器冷凝后作為工業(yè)酒精，低沸點(diǎn)雜質(zhì)排入大氣，成品酒在精塔頂取出[2]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塔頂溫度TIC428、TIC429A/B，壓力PIC428，液位LIC408是比較典型PID控制。壓力、溫度控制是精餾塔控制的關(guān)鍵。系統(tǒng)要求將精餾塔塔釜溫度控制在155.40℃，最大不能超過(guò)196.75℃。精餾塔熱源為工廠電站產(chǎn)生的飽和蒸汽，精餾塔溫度由蒸汽流量閥控制。因溫度控制存在較大滯后性性，所以選擇積分分離式PID來(lái)控制粗、精餾塔溫度，當(dāng)有溫度誤差[X]，當(dāng)偏差[ek<X]時(shí)，用PID調(diào)節(jié)來(lái)確保溫度的控制精度，當(dāng)[ek>X]時(shí)，用PID調(diào)節(jié)來(lái)減少溫度的超調(diào)[3]。

2.1 PLC中PID控制原理

使用S7-300PLC對(duì)溫度進(jìn)行PID控制。圖1中的虛線部分由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器將被控量實(shí)際值[PVt]測(cè)量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)，通過(guò)PLC的AI模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶編寫的PID控制程序，將測(cè)量值與給定值[spt]比較，通過(guò)二者的偏差[et]進(jìn)行PID算法的運(yùn)算得到輸出操作信號(hào)[ut]，送給AO模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。偏差[et]為：

[et=spt-pvt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，[spt]為給定值;[pvt]是過(guò)程變量（反饋量）。

2.2 PID控制功能塊的算法原理

編程組態(tài)軟件STEP7有3個(gè)PID控制軟件包，即實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制（FB41，F(xiàn)B58）、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制（FB42）、脈寬調(diào)制生成脈沖（FB43）[4]。

PID控制器的輸出[ut]與輸入[et]的關(guān)系式為：

[u（t）=Kce（t）+1Ti0te（t）dt+Tdde（t）dt+u0]? ? ? ? ? （1）

由[z]變換，位置式PID控制器的[z]傳遞函數(shù)為：

[Gc（z）=KP+Kizz-1+Kdz-1z]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

通過(guò)工程計(jì)算可以初步確定式中比例增益[Kc]、積分時(shí)間[Ti]和微分時(shí)間[Td]，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制的控制效果。式（1）中，[u0]為模擬器的輸出初始值，其他分別是比例作用（與偏差成正比）、積分作用（與偏差的積分成正比）和微分作用（與偏差的微分成正比），由于作用不同，可以構(gòu)成P、PI和PD控制器[5]。設(shè)采樣周期為[T]，將式（1）離散化，第[k]次采樣時(shí)控制器的輸出為：

[u（k）=Kce（k）+TsTii=1ke（i）+TdTse（k）-e（k-1）+us]? （3）

其溫度輸出[Yt]為CV的測(cè)量范圍;[ut]為MV的變化范圍，對(duì)于閥位開度通常用0%～100%表示。

Simulink仿真圖如圖2所示。仿真測(cè)量溫度為180～300℃，[K]=1.75，[T]=8min，[τ]=5min，[Kc]=0.7，[Ti]=12min，[Td]=2.5min。

2.3 PID控制應(yīng)用

根據(jù)工藝流程進(jìn)行塔頂、中、底的壓力，溫度和液位程序編寫。塔頂溫度使用FC105來(lái)采集，使用PID控制模塊FB58進(jìn)行溫度控制，F(xiàn)B58整定后的輸出經(jīng)FC106模塊給調(diào)節(jié)閥，通過(guò)進(jìn)料的多少來(lái)達(dá)到控制溫度的目的[6]。溫度調(diào)節(jié)PID程序如圖3所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

精餾塔監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。其由2個(gè)精餾塔組成，40個(gè)溫度點(diǎn)，10個(gè)壓力，5個(gè)流量，7個(gè)液位監(jiān)測(cè)，精餾由兩個(gè)S7300 315-2DP共20個(gè)IO模塊組成。精餾塔的控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、便于數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ群凸收系姆治雠袛?、?bào)表打印、報(bào)警數(shù)據(jù)、PID設(shè)定等功能。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)MPI通信，采用WinCC進(jìn)行監(jiān)控畫面的開發(fā)制作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸、控制系統(tǒng)監(jiān)控圖。實(shí)際溫度運(yùn)行曲線中最上端曲線為實(shí)際運(yùn)行曲線（見圖5）。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真和實(shí)際運(yùn)行表明，酒精精餾塔內(nèi)溫度、壓力、液位PID控制達(dá)到預(yù)期效果，控制塔內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍在155.40～196.75℃時(shí)，超量[δ]≤1.2，滿足預(yù)期要求。

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