提高自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表控制精度的實(shí)用電路設(shè)計(jì)

安玉婷

[摘 ? ?要]調(diào)節(jié)類儀表包括很多，有電動(dòng)調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)活塞式調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、伺服放大器、直接作用調(diào)節(jié)閥及閥附件等。就調(diào)節(jié)儀表的自動(dòng)控制精度問(wèn)題展開(kāi)探討，并提出幾個(gè)實(shí)用電路的設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)調(diào)節(jié);儀表精度;使用電路;電路設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TP214 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）01–0–04

[Abstract]There are many regulating instruments， including electric regulator， pneumatic regulator， pneumatic， electric and hydraulic actuator， pneumatic piston regulating valve， pneumatic diaphragm regulating valve， electric regulating valve， solenoid valve， servo amplifier， direct acting regulating valve and valve accessories. This paper discusses the automatic control accuracy of regulating instruments， and puts forward the design of several practical circuits.

[Keywords]automatic regulation; Instrument accuracy; Use circuit; circuit design

1 自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表的概念及內(nèi)容

自動(dòng)化儀表是由多個(gè)自動(dòng)化元件組成的，其是一種具有比較完善功能的自動(dòng)化技術(shù)工具。自動(dòng)化儀表可同時(shí)具備多項(xiàng)功能，如顯示、測(cè)量、記錄、控制、報(bào)警等。自動(dòng)化儀表本身就是一個(gè)系統(tǒng)，但是其又是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。自動(dòng)化儀表也是一種“信息機(jī)器”，其主要功能就是轉(zhuǎn)換信息形式，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。而信號(hào)可以按時(shí)間域或頻率域表達(dá)，且信號(hào)的傳輸可調(diào)制成連續(xù)的模擬量或斷續(xù)的數(shù)字量形式。

自動(dòng)化儀表以其測(cè)量精確、顯示清晰、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。同時(shí)自動(dòng)化檢測(cè)儀表的內(nèi)部具有和微機(jī)的接口，其是自動(dòng)化控制系統(tǒng)重要的部分，也被稱為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的眼睛。自動(dòng)化儀表主要有溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量?jī)x表、環(huán)保儀器儀表、電工儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化儀表及一些過(guò)程分析儀表等?？筛鶕?jù)不同的使用用途進(jìn)行分類，如按照能源使用類別可分為電動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表、液動(dòng)儀表;根據(jù)組合的方式來(lái)分可以有單元組合儀表、基地式儀表以及綜合控制儀表。按照安裝儀表的方式來(lái)分，有架裝儀表、盤裝儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀表。

2 儀表自控率較低的原因分析與提升措施分析

2.1 儀表自控率較低的原因

通過(guò)對(duì)使用儀表裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，其存在的問(wèn)題主要?dú)w結(jié)為以下內(nèi)容：

（1）在正常生產(chǎn)時(shí)，部分儀表裝置無(wú)法正常使用;

（2）儀表裝置的控制方案不合理，與實(shí)際工藝操作不相符，導(dǎo)致控制效果較差很難投入到實(shí)際使用中。如閃蒸塔液無(wú)控制回路，無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)控制，只能是工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制;

（3）儀表本身存在設(shè)計(jì)缺陷，在實(shí)際使用時(shí)不好用。如部分常減壓裝置，自動(dòng)波動(dòng)較大，液位指示精度較低，波動(dòng)范圍較大。如塔頂注水裝置的自動(dòng)化控制存在問(wèn)題，每次補(bǔ)水不夠及時(shí)，影響企業(yè)正常生產(chǎn)。如常壓爐氧表在實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常存在失靈的情況，還需要對(duì)該裝置進(jìn)行完善和優(yōu)化。如在瓦斯進(jìn)料時(shí)的壓力較大，調(diào)節(jié)閥很難進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行

更換。

（4）儀表調(diào)節(jié)閥的控制穩(wěn)定性較差，部分調(diào)節(jié)閥存在嚴(yán)重的內(nèi)漏問(wèn)題，且隨著使用時(shí)間的增加，內(nèi)漏情況會(huì)更加嚴(yán)重。同時(shí)一部分調(diào)節(jié)閥定位器精度較低，且存在調(diào)節(jié)閥不靈活，定位器不穩(wěn)定的情況，這會(huì)造成嚴(yán)重的控制波動(dòng)，進(jìn)而影響自動(dòng)控制效果[1]。

（5）控制閥門型號(hào)不適合，造成閥門的開(kāi)度存在過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題，部分新設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)際工況存在嚴(yán)重不符，影響了控制回路的自動(dòng)效果。

（6）部分裝置回路PID參數(shù)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重偏差，很難整體對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的控制波動(dòng)，且穩(wěn)定性極差，這會(huì)影響最終的控制效果，甚至系統(tǒng)根本無(wú)法對(duì)裝置進(jìn)行控制。這種情況工作人員更愿意使用手動(dòng)控制，而不愿意使用自動(dòng)控制。如重整裝置想加氫并持續(xù)增加爐口的溫度，但由于裝置的PID參數(shù)設(shè)置不合理，無(wú)法對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行有效克制，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t口的溫度無(wú)法得到穩(wěn)定控制，裝置在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中存在較大的偏差。

（7）儀表的部分回路較為復(fù)雜且存在滯后回路，如果只靠PID進(jìn)行控制很難取得理想的控制效果，同時(shí)還會(huì)因?yàn)楣に囋蛟斐筛蠓鹊牟▌?dòng)，甚至?xí)l(fā)生全關(guān)現(xiàn)象，這將會(huì)嚴(yán)重影響裝置自身的穩(wěn)定性。為了減少這些風(fēng)險(xiǎn)對(duì)裝置穩(wěn)定性的影響，工作人員一般會(huì)選擇手動(dòng)控制。

（8）先控功能無(wú)法起到理想的控制效果，需要提前做工作，解決先控穩(wěn)定性較低的問(wèn)題。

（9）對(duì)回路進(jìn)行控制時(shí)，各回路之間會(huì)存在較為嚴(yán)重的干擾，如常減壓裝置、渣油加氫裝置等在進(jìn)行控制時(shí)容易受到干擾，影響裝置的穩(wěn)定性，因此，工作人員通常采用手動(dòng)的方式進(jìn)行控制。

（10）在裝置開(kāi)啟和停止時(shí)使用的控制回路，根據(jù)工藝要求可以選擇間歇式或有選擇性的控制回路，這種回路可以滿足裝置的控制要求。

（11）儀表裝置的管理問(wèn)題，儀表裝置的管理工作對(duì)工作人員的技術(shù)水平要求較高，但部分工作人員并不了解儀表裝置的實(shí)際工藝需求，進(jìn)而沒(méi)有投控主動(dòng)權(quán)，這就導(dǎo)致很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，企業(yè)自動(dòng)率低且缺乏有效的解決手段。同時(shí)裝置控制人員往往安于現(xiàn)狀，只要裝置的自控率在合理的范圍內(nèi)就可以，并沒(méi)有提高自控率的意愿，同時(shí)認(rèn)為手動(dòng)控制更加安全，導(dǎo)致自控率低的問(wèn)題長(zhǎng)期存在。此外，企業(yè)管理層在該方面的監(jiān)管力度不足，且缺乏科學(xué)有效地管理模式和管理流程。

2.2 提升儀表自控率的措施

（1）構(gòu)建相對(duì)完善的儀表自控率監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)管理人員對(duì)各個(gè)裝置自控率的實(shí)時(shí)查詢，并監(jiān)督各個(gè)裝置的實(shí)時(shí)投用情況;將構(gòu)建的自控率監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，科學(xué)設(shè)置自控率控制指標(biāo)，為企業(yè)的自控率考核奠定良好基礎(chǔ)。

（2）組建自控率提升攻關(guān)隊(duì)伍，隊(duì)伍成員要囊括機(jī)動(dòng)儀表管理工作人員、企業(yè)生產(chǎn)管理人員、儀表維修養(yǎng)護(hù)人員，以及各個(gè)運(yùn)行部門的技術(shù)人員，要求各個(gè)崗位工作人員對(duì)接各個(gè)裝置控制和管理，對(duì)已經(jīng)投用自控回路的控制效果進(jìn)行調(diào)查分析，同時(shí)對(duì)未投控的回路及投用效果不理想的回路進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)組建的自控率提升攻關(guān)隊(duì)伍對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探討，提出有針對(duì)性的解決方案，通過(guò)開(kāi)展自控率控制攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)儀表自控率的穩(wěn)步提高。

（3）找到制約回路投控自控和影響各個(gè)裝置正常運(yùn)行儀表的深層原因，提出儀表裝置等優(yōu)化控制方案，確保儀表裝置的靈敏度、可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確率等性能完好。例如，對(duì)熱點(diǎn)運(yùn)行部由于長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)生大量磨損和泄漏的儀表裝置，控制效果穩(wěn)定性不佳的儀表調(diào)節(jié)閥進(jìn)行更換;對(duì)因使用年限較長(zhǎng)、定位精準(zhǔn)度過(guò)低的焦化裝置的調(diào)節(jié)閥也要進(jìn)行更換。

（4）對(duì)于因?yàn)楣に嚰夹g(shù)不達(dá)標(biāo)或者一些生產(chǎn)條件限制而偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)、控制閥門型號(hào)選擇不相應(yīng)、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開(kāi)度超過(guò)80%或者小于10%的、設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)重偏離實(shí)際運(yùn)行工況的，以及嚴(yán)重影響裝置控制回路投自動(dòng)的調(diào)節(jié)閥等，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行重新核算、改造或換新。

（5）與工藝技術(shù)、裝置設(shè)備及儀表等共同攻關(guān)，提出儀表自控率優(yōu)化控制措施，確保實(shí)現(xiàn)控制回路投自動(dòng)控制，并進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化改造常減壓、渣油加氫等裝置[2]。

3 自動(dòng)控制率計(jì)算方法

3.1 總體思路

想要進(jìn)一步提升儀表自控率，需要先把裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行中的自控率值準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。針對(duì)其中的各種在線生產(chǎn)裝置，投產(chǎn)初期階段，各臺(tái)輸出設(shè)備都需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況對(duì)被控變量進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)。但是通過(guò)數(shù)年生產(chǎn)檢驗(yàn)分析能夠發(fā)現(xiàn)相關(guān)回路結(jié)構(gòu)的變化越加明顯。其中部分回路因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)工藝原理和安裝環(huán)境等因素的影響，其應(yīng)用條件也出現(xiàn)了明顯的變化，即便是投入到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。工藝參數(shù)劇烈波動(dòng)，使裝置無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在部分回路中，還存在間歇投用以及停用設(shè)備投入的現(xiàn)象，為此需要結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行綜合分析。

對(duì)裝置儀表自控率進(jìn)行計(jì)算分析前，還需要對(duì)裝置內(nèi)部各個(gè)回路進(jìn)行計(jì)算，聯(lián)合不同專業(yè)技術(shù)人員針對(duì)其中所有未投用自動(dòng)控制回路進(jìn)行逐條分析，并提出針對(duì)性的整改方案。在間歇性的設(shè)備自控回路當(dāng)中，需要利用計(jì)算編程呈現(xiàn)出回路自控率真實(shí)數(shù)值。自控率公式如下所示：

儀表自動(dòng)控制率=實(shí)際投用儀表自動(dòng)控制回路數(shù)/（總控制回路數(shù)-非儀表原因停用控制回路數(shù)）×100%

按照該公式，在DCS系統(tǒng)內(nèi)利用組態(tài)，顯示自控率數(shù)值[3]。

3.2 間歇回路

以橫河CS3000DCS系統(tǒng)舉例，先把統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得的回路列表逐一輸入順控表內(nèi)，而觸發(fā)條件則是回路自動(dòng)切換狀態(tài)。隨后通過(guò)DCS組態(tài)功能環(huán)節(jié)中的CALCU對(duì)自動(dòng)回路數(shù)量總和進(jìn)行自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)，并把最終計(jì)算出的數(shù)值當(dāng)成自控率分子。公式內(nèi)分母數(shù)值，因其存在一種間歇性回路，所以需要實(shí)施系統(tǒng)分析，率先統(tǒng)計(jì)出所有的間歇性回路形式。①設(shè)備切換的間歇回路具體是由機(jī)組、成套設(shè)備以及管線等部分構(gòu)成。②根據(jù)季節(jié)性規(guī)律所投放的間歇性回路，如夏季投放自動(dòng)化回路，而冬季為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)，則會(huì)投放手動(dòng)調(diào)節(jié)的回路。③臨時(shí)操作間歇性回路，如添加操作以及制備催化劑等內(nèi)容。

針對(duì)不同間歇性回路，所使用的統(tǒng)計(jì)方法也各不相同，針對(duì)第一種狀況，需要掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，即需要通過(guò)哪種條件對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，同時(shí)需要對(duì)設(shè)備附屬自控回路數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷設(shè)備性質(zhì)屬性，如此便能通過(guò)CALCU功能模塊實(shí)現(xiàn)該種功能。

在設(shè)備處于運(yùn)行環(huán)境下，附屬回路總數(shù)可以計(jì)算到自控回路數(shù)量總額當(dāng)中，假如其中某條回路并不是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，分子值便會(huì)降低，分母數(shù)量不變，從而導(dǎo)致自控率下降。在設(shè)備尚未處于投入運(yùn)行的狀態(tài)下，其附屬回路也不能被添加到自控回路中進(jìn)行計(jì)算，自控率除了需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之外，工藝專業(yè)還需要聯(lián)合儀表專業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)工作，同時(shí)把已經(jīng)停止運(yùn)行的設(shè)備自控回路調(diào)整到手動(dòng)控制模式，提高數(shù)據(jù)信息真實(shí)性。如果間歇回路是第二和第三種狀況，則可以通過(guò)CALCU功能模塊計(jì)算出相關(guān)間歇操作回路的自動(dòng)回路值即可，以分母形式體現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)操作狀態(tài)下，控制回路總數(shù)擴(kuò)大，無(wú)操作環(huán)境下，回路不會(huì)計(jì)算到總回路數(shù)，如此便能將間歇操作裝置的自控率變化準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，計(jì)算自控率的平均數(shù)值。

4 提高自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表控制精度的電路設(shè)計(jì)

4.1 量程自動(dòng)切換電路

本部分所設(shè)計(jì)的量程自動(dòng)切換電路，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大等顯著特點(diǎn)。與一般量程自動(dòng)切換電路相比教，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

電路由模擬開(kāi)關(guān)CC4066、譯碼電路、四施密特觸發(fā)器CC4093和一塊集成運(yùn)放加電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

該電路的工作過(guò)程是，譯碼電路將放大電路的輸出信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)輸出較小時(shí)，接通高放大倍數(shù)通路，將運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)提高;當(dāng)輸出信號(hào)較大時(shí)，接通低放大倍數(shù)通路，實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，譯碼電路還把量程擋次轉(zhuǎn)換信號(hào)輸送到計(jì)時(shí)器時(shí)序控制電路或模擬信號(hào)輸出電路，使輸出與量程切換一致。

量程切換擋次由集成運(yùn)放的反相輸入端外接四分檔電阻來(lái)決定，本電路是四個(gè)擋次的測(cè)量電路，集成運(yùn)算放大器的反饋電阻取640 kΩ，四分檔電阻分別取160 kΩ、40 kΩ、10 kΩ、5 kΩ。電路的放大倍數(shù)是：

640/160=4 640/40=16

640/10=64 640/5=128

在放大電路輸出端和譯碼電路輸入端接入一片四施密特觸發(fā)器CC4093。利用施密特觸發(fā)器的滯同特性穩(wěn)定比較器的輸出，放大電路的輸出信號(hào)與比較電路的某一給定值相比較，比較結(jié)果控制摸擬開(kāi)關(guān)。輸出信號(hào)大，摸擬開(kāi)關(guān)接通低放大倍數(shù)的輸入通路;輸出信小，摸擬開(kāi)關(guān)接通高放大倍數(shù)的輸入通道。當(dāng)輸出信與某給定信號(hào)接近時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的相應(yīng)觸點(diǎn)頻繁啟停，輸出信號(hào)為浪涌信號(hào)，為克服此現(xiàn)象，放大電路輸出端與比較電路之間加了施密特觸發(fā)器，由施密特觸發(fā)的滯回特性來(lái)穩(wěn)定輸出[4]。

4.2 用PLL構(gòu)成的可控頻率變換電路的

鎖相環(huán)路是一個(gè)對(duì)微弱電信號(hào)的頻率和相位進(jìn)行檢測(cè)和控制的閉環(huán)系統(tǒng)，用PLL表示。PLL由相位比較電器PD、窄帶濾波器LPF和壓控振蕩器VCD等構(gòu)成，在其反饋通路中接入變頻電路，變頻電路的頻率變換由7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CC4024和單八路模擬開(kāi)關(guān)CC4051組成。變頻范圍是f/2～f/128。

將模擬開(kāi)關(guān)4051的禁止端接低電平，即（6）INh接地。選通輸入端A、B、C有八個(gè)不同的數(shù)值組合，每一種組合信號(hào)接通與之相應(yīng)的開(kāi)關(guān)通路。例如，當(dāng)CBA=110時(shí)，4051的接通通道是6、即引腳2和它的引腳3連通：這樣，4024的Q6端（引腳4）與4046的PH12端（引腳3）接通。此時(shí)，4024實(shí)現(xiàn)64分頻。

f0=64f1

電路實(shí)現(xiàn)了64倍頻，該電路能實(shí)現(xiàn)的變換頻率是f0=2nf1，n=0、1、2…7。

由于鎖相環(huán)路的穩(wěn)定度取決于輸入信號(hào)的頻率f1，它又具有良好的窄帶濾波器LPF，輸出的頻譜純度好。其f0的控制精度高，用于拖動(dòng)控制，例如控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使轉(zhuǎn)速精度提高幾十倍。

4.3 數(shù)值比較輸出電路

使用計(jì)數(shù)輸入電路用雙BCD同步加計(jì)數(shù)器CC4510，數(shù)值預(yù)置電路用BCD碼拔盤KL-3、數(shù)值比較電路用CC4585，邏輯處理電路用四2輸入與門CC4081，模擬開(kāi)關(guān)用三組兩路的摸擬開(kāi)關(guān)CC4053，壓控振蕩器用鎖相環(huán)CC4046。

數(shù)值預(yù)置電路輸出的給定值與計(jì)數(shù)輸入電路輸出的隨機(jī)數(shù)字信號(hào)在數(shù)值比較電路中進(jìn)行比較;當(dāng)輸數(shù)值小于給定值時(shí)，比較器的輸出量經(jīng)邏輯處理電路后接通模擬開(kāi)關(guān)，使壓控振蕩器VCD接入某一定值電壓信號(hào)，輸出與之相應(yīng)的頻率信號(hào)。

當(dāng)輸入數(shù)值接近給定值時(shí)，即輸入數(shù)值的高位與給定值的高位相等，輸入數(shù)值的低位小于給定值的低位時(shí)，比較器的輸出發(fā)生改變，此時(shí)的輸出量經(jīng)邏輯電路及模擬開(kāi)關(guān)電路后，使VCD接入另一定值的電壓信號(hào)，VCD輸出的頻率變低。

當(dāng)輸入數(shù)值等于給定值時(shí)，同上述理由類同，VCI輸出的頻率信號(hào)的頻率變到最低。

如果用VCD的輸出頻率信號(hào)去控制步進(jìn)電機(jī)，用么，視輸入數(shù)值的大小，電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)在不同的三個(gè)轉(zhuǎn)速上。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表的概念及內(nèi)容進(jìn)行闡述，對(duì)儀表自控率較低的原因展開(kāi)分析，對(duì)自動(dòng)控制率的計(jì)算方法進(jìn)行展示，最后對(duì)提升自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表控制精度的實(shí)用電路進(jìn)行展示。

參考文獻(xiàn)

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