提高自动调节仪表控制精度的实用电路设计

安玉婷

[摘    要]调节类仪表包括很多，有电动调节器、气动调节器、气动执行机构、电动执行机构、液动执行机构、气动活塞式调节阀、气动薄膜调节阀、电动调节阀、电磁阀、伺服放大器、直接作用调节阀及阀附件等。就调节仪表的自动控制精度问题展开探讨，并提出几个实用电路的设计。

[关键词]自动调节;仪表精度;使用电路;电路设计

[中图分类号]TP214 [文献标志码]A [文章编号]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 自动调节仪表的概念及内容

自动化仪表是由多个自动化元件组成的，其是一种具有比较完善功能的自动化技术工具。自动化仪表可同时具备多项功能，如显示、测量、记录、控制、报警等。自动化仪表本身就是一个系统，但是其又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表也是一种“信息机器”，其主要功能就是转换信息形式，把输入信号转换成输出信号。而信号可以按时间域或频率域表达，且信号的传输可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。

自动化仪表以其测量精确、显示清晰、操作简单等优势，广泛运用到工业生产当中。同时自动化检测仪表的内部具有和微机的接口，其是自动化控制系统重要的部分，也被称为自动化控制系统的眼睛。自动化仪表主要有温度仪表、压力仪表、物位仪表、流量仪表、环保仪器仪表、电工仪器仪表、工业自动化仪表及一些过程分析仪表等。可根据不同的使用用途进行分类，如按照能源使用类别可分为电动仪表、气动仪表、液动仪表;根据组合的方式来分可以有单元组合仪表、基地式仪表以及综合控制仪表。按照安装仪表的方式来分，有架装仪表、盘装仪表和现场仪表。

2 仪表自控率较低的原因分析与提升措施分析

2.1 仪表自控率较低的原因

通过对使用仪表装置的运行状态进行分析，其存在的问题主要归结为以下内容：

（1）在正常生产时，部分仪表装置无法正常使用;

（2）仪表装置的控制方案不合理，与实际工艺操作不相符，导致控制效果较差很难投入到实际使用中。如闪蒸塔液无控制回路，无法进行自动控制，只能是工作人员进行手动控制;

（3）仪表本身存在设计缺陷，在实际使用时不好用。如部分常减压装置，自动波动较大，液位指示精度较低，波动范围较大。如塔顶注水装置的自动化控制存在问题，每次补水不够及时，影响企业正常生产。如常压炉氧表在实际使用时经常存在失灵的情况，还需要对该装置进行完善和优化。如在瓦斯进料时的压力较大，调节阀很难进行调节，需要对调节阀进行

更换。

（4）仪表调节阀的控制稳定性较差，部分调节阀存在严重的内漏问题，且随着使用时间的增加，内漏情况会更加严重。同时一部分调节阀定位器精度较低，且存在调节阀不灵活，定位器不稳定的情况，这会造成严重的控制波动，进而影响自动控制效果[1]。

（5）控制阀门型号不适合，造成阀门的开度存在过大或过小的问题，部分新设备的参数设计与实际工况存在严重不符，影响了控制回路的自动效果。

（6）部分装置回路PID參数设计存在严重偏差，很难整体对参数进行调整，在实际使用时会产生非常严重的控制波动，且稳定性极差，这会影响最终的控制效果，甚至系统根本无法对装置进行控制。这种情况工作人员更愿意使用手动控制，而不愿意使用自动控制。如重整装置想加氢并持续增加炉口的温度，但由于装置的PID参数设置不合理，无法对扰动进行有效克制，进而导致炉口的温度无法得到稳定控制，装置在长期使用的过程中存在较大的偏差。

（7）仪表的部分回路较为复杂且存在滞后回路，如果只靠PID进行控制很难取得理想的控制效果，同时还会因为工艺原因造成更大幅度的波动，甚至会发生全关现象，这将会严重影响装置自身的稳定性。为了减少这些风险对装置稳定性的影响，工作人员一般会选择手动控制。

（8）先控功能无法起到理想的控制效果，需要提前做工作，解决先控稳定性较低的问题。

（9）对回路进行控制时，各回路之间会存在较为严重的干扰，如常减压装置、渣油加氢装置等在进行控制时容易受到干扰，影响装置的稳定性，因此，工作人员通常采用手动的方式进行控制。

（10）在装置开启和停止时使用的控制回路，根据工艺要求可以选择间歇式或有选择性的控制回路，这种回路可以满足装置的控制要求。

（11）仪表装置的管理问题，仪表装置的管理工作对工作人员的技术水平要求较高，但部分工作人员并不了解仪表装置的实际工艺需求，进而没有投控主动权，这就导致很长的一段时间内，企业自动率低且缺乏有效的解决手段。同时装置控制人员往往安于现状，只要装置的自控率在合理的范围内就可以，并没有提高自控率的意愿，同时认为手动控制更加安全，导致自控率低的问题长期存在。此外，企业管理层在该方面的监管力度不足，且缺乏科学有效地管理模式和管理流程。

2.2 提升仪表自控率的措施

（1）构建相对完善的仪表自控率监控系统，实现各级管理人员对各个装置自控率的实时查询，并监督各个装置的实时投用情况;将构建的自控率监控系统优势充分发挥出来，科学设置自控率控制指标，为企业的自控率考核奠定良好基础。

（2）组建自控率提升攻关队伍，队伍成员要囊括机动仪表管理工作人员、企业生产管理人员、仪表维修养护人员，以及各个运行部门的技术人员，要求各个岗位工作人员对接各个装置控制和管理，对已经投用自控回路的控制效果进行调查分析，同时对未投控的回路及投用效果不理想的回路进行调整和优化设计，通过组建的自控率提升攻关队伍对上述问题进行探讨，提出有针对性的解决方案，通过开展自控率控制攻关，实现仪表自控率的稳步提高。

（3）找到制约回路投控自控和影响各个装置正常运行仪表的深层原因，提出仪表装置等优化控制方案，确保仪表装置的灵敏度、可靠性、稳定性、准确率等性能完好。例如，对热点运行部由于长期运行发生大量磨损和泄漏的仪表装置，控制效果稳定性不佳的仪表调节阀进行更换;对因使用年限较长、定位精准度过低的焦化装置的调节阀也要进行更换。

（4）对于因为工艺技术不达标或者一些生产条件限制而偏离设计指标、控制阀门型号选择不相应、调节阀调节开度超过80%或者小于10%的、设计参数严重偏离实际运行工况的，以及严重影响装置控制回路投自动的调节阀等，要根据实际情况进行重新核算、改造或换新。

（5）与工艺技术、装置设备及仪表等共同攻关，提出仪表自控率优化控制措施，确保实现控制回路投自动控制，并进一步调整和优化改造常减压、渣油加氢等装置[2]。

3 自动控制率计算方法

3.1 总体思路

想要进一步提升仪表自控率，需要先把装置实时运行中的自控率值准确计算出来。针对其中的各种在线生产装置，投产初期阶段，各台输出设备都需要结合现场实际运行状况对被控变量进行自动化调节。但是通过数年生产检验分析能够发现相关回路结构的变化越加明显。其中部分回路因为现场调节工艺原理和安装环境等因素的影响，其应用条件也出现了明显的变化，即便是投入到实际应用过程中，也会出现调节不稳定的现象。工艺参数剧烈波动，使装置无法稳定运行，同时在部分回路中，还存在间歇投用以及停用设备投入的现象，为此需要结合实际状况进行综合分析。

对装置仪表自控率进行计算分析前，还需要对装置内部各个回路进行计算，联合不同专业技术人员针对其中所有未投用自动控制回路进行逐条分析，并提出针对性的整改方案。在间歇性的设备自控回路当中，需要利用计算编程呈现出回路自控率真实数值。自控率公式如下所示：

仪表自动控制率=实际投用仪表自动控制回路数/（总控制回路数-非仪表原因停用控制回路数）×100%

按照该公式，在DCS系统内利用组态，显示自控率数值[3]。

3.2 间歇回路

以横河CS3000DCS系统举例，先把统计计算获得的回路列表逐一输入顺控表内，而触发条件则是回路自动切换状态。随后通过DCS组态功能环节中的CALCU对自动回路数量总和进行自动化统计，并把最终计算出的数值当成自控率分子。公式内分母数值，因其存在一种间歇性回路，所以需要实施系统分析，率先统计出所有的间歇性回路形式。①设备切换的间歇回路具体是由机组、成套设备以及管线等部分构成。②根据季节性规律所投放的间歇性回路，如夏季投放自动化回路，而冬季为了实现稳定运行的目标，则会投放手动调节的回路。③臨时操作间歇性回路，如添加操作以及制备催化剂等内容。

针对不同间歇性回路，所使用的统计方法也各不相同，针对第一种状况，需要掌握设备运行状况，即需要通过哪种条件对设备运行状态进行判定，同时需要对设备附属自控回路数量进行统计，判断设备性质属性，如此便能通过CALCU功能模块实现该种功能。

在设备处于运行环境下，附属回路总数可以计算到自控回路数量总额当中，假如其中某条回路并不是自动运行状态，分子值便会降低，分母数量不变，从而导致自控率下降。在设备尚未处于投入运行的状态下，其附属回路也不能被添加到自控回路中进行计算，自控率除了需要对相关设备进行统计之外，工艺专业还需要联合仪表专业进行相应的统计工作，同时把已经停止运行的设备自控回路调整到手动控制模式，提高数据信息真实性。如果间歇回路是第二和第三种状况，则可以通过CALCU功能模块计算出相关间歇操作回路的自动回路值即可，以分母形式体现出来，实现操作状态下，控制回路总数扩大，无操作环境下，回路不会计算到总回路数，如此便能将间歇操作装置的自控率变化准确计算出来，计算自控率的平均数值。

4 提高自动调节仪表控制精度的电路设计

4.1 量程自动切换电路

本部分所设计的量程自动切换电路，具有测量精度高、测量范围大等显著特点。与一般量程自动切换电路相比教，其结构更加简单。

电路由模拟开关CC4066、译码电路、四施密特触发器CC4093和一块集成运放加电阻网络构成。

该电路的工作过程是，译码电路将放大电路的输出信号与给定信号进行比较，当输出较小时，接通高放大倍数通路，将运算放大器的放大倍数提高;当输出信号较大时，接通低放大倍数通路，实现量程的转换。同时，译码电路还把量程挡次转换信号输送到计时器时序控制电路或模拟信号输出电路，使输出与量程切换一致。

量程切换挡次由集成运放的反相输入端外接四分档电阻来决定，本电路是四个挡次的测量电路，集成运算放大器的反馈电阻取640 kΩ，四分档电阻分别取160 kΩ、40 kΩ、10 kΩ、5 kΩ。电路的放大倍数是：

640/160=4 640/40=16

640/10=64 640/5=128

在放大电路输出端和译码电路输入端接入一片四施密特触发器CC4093。利用施密特触发器的滞同特性稳定比较器的输出，放大电路的输出信号与比较电路的某一给定值相比较，比较结果控制摸拟开关。输出信号大，摸拟开关接通低放大倍数的输入通路;输出信小，摸拟开关接通高放大倍数的输入通道。当输出信与某给定信号接近时，模拟开关的相应触点频繁启停，输出信号为浪涌信号，为克服此现象，放大电路输出端与比较电路之间加了施密特触发器，由施密特触发的滞回特性来稳定输出[4]。

4.2 用PLL构成的可控频率变换电路的

锁相环路是一个对微弱电信号的频率和相位进行检测和控制的闭环系统，用PLL表示。PLL由相位比较电器PD、窄带滤波器LPF和压控振荡器VCD等构成，在其反馈通路中接入变频电路，变频电路的频率变换由7位二进制串行计数器CC4024和单八路模拟开关CC4051组成。变频范围是f/2～f/128。

将模拟开关4051的禁止端接低电平，即（6）INh接地。选通输入端A、B、C有八个不同的数值组合，每一种组合信号接通与之相应的开关通路。例如，当CBA=110时，4051的接通通道是6、即引脚2和它的引脚3连通：这样，4024的Q6端（引脚4）与4046的PH12端（引脚3）接通。此时，4024实现64分频。

f0=64f1

电路实现了64倍频，该电路能实现的变换频率是f0=2nf1，n=0、1、2…7。

由于锁相环路的稳定度取决于输入信号的频率f1，它又具有良好的窄带滤波器LPF，输出的频谱纯度好。其f0的控制精度高，用于拖动控制，例如控制电动机的转速，可使转速精度提高几十倍。

4.3 数值比较输出电路

使用计数输入电路用双BCD同步加计数器CC4510，数值预置电路用BCD码拔盘KL-3、数值比较电路用CC4585，逻辑处理电路用四2输入与门CC4081，模拟开关用三组两路的摸拟开关CC4053，压控振荡器用锁相环CC4046。

数值预置电路输出的给定值与计数输入电路输出的随机数字信号在数值比较电路中进行比较;当输数值小于给定值时，比较器的输出量经逻辑处理电路后接通模拟开关，使压控振荡器VCD接入某一定值电压信号，输出与之相应的频率信号。

当输入数值接近给定值时，即输入数值的高位与给定值的高位相等，输入数值的低位小于给定值的低位时，比较器的输出发生改变，此时的输出量经逻辑电路及模拟开关电路后，使VCD接入另一定值的电压信号，VCD输出的频率变低。

当输入数值等于给定值时，同上述理由类同，VCI输出的频率信号的频率变到最低。

如果用VCD的输出频率信号去控制步进电机，用么，视输入数值的大小，电机将运转在不同的三个转速上。

5 结束语

对自动调节仪表的概念及内容进行阐述，对仪表自控率较低的原因展开分析，对自动控制率的计算方法进行展示，最后对提升自动调节仪表控制精度的实用电路进行展示。

参考文献

[1] 阮晓英，阮洋.仪表自控率实时统计功能在CS3000系统的实现[J].设备管理与维修，2018（8）：47-48.

[2] 许兆权，徐龙甫.提高仪表自控率以增强装置运行稳定性[J].中国仪器仪表，2017（9）：41-45.

[3] 李效彪.儀表自控率低原因及提升措施[J].百科论坛电子杂志，2019（1）：590-591.

[4] 胡平杰.仪表回路有效投用率低的原因分析及其提高策略[J].化工自动化及仪表，2019，46（1）：9-12，21.