控制系统的安装和调试

5.5.1 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 443 5.5.2 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 控制系统的安装和调试 安装 阀门 在安装之前必须要确保阀门的尺寸、压力等级、材质和连接必须满足其所要安装的工况条件。 所有知名的自动控制设备厂家都会为他们的设备提供正确的安装说明。同时也会提供设备安装的数据， 以及所需的日常维护的说明。在很多情况下，厂家也会提供现场调试服务。有时，也会有周期性的售后服 务。本节只涉及到在安装之前要考虑到的主要点。 控制阀的上下游必须保持清洁无阻碍。如果阀门受到管道失真应力，就会影响阀门的正确操作。必须 要保证所有的法兰连接一致性，管道有足够的支撑。通常控制阀安装在水平管线上，阀门的主轴处于垂直 面内。 在使用之前，管道系统需要进行压力试验。通常压力试验时的压力高于正常工况下的压力。保证控制 阀及其内部件的设计能承受这个测试压力。 控制阀是关键设备，如果有垃圾或其他研磨杂质进入控制阀则容易造成损坏。因此在大多数情况下， 为防止杂质进入控制阀，需要在控制阀管线上游安装过滤器。 控制阀必须安装在容易接触到的地方，以方便日常维护，如更换填料和内部件。同时，在阀门的上游 需要安装全通径的切断阀，以保证在进行维护时将停机时间降到最短。 如果设备在控制阀进行维护阶段仍需运行，这样就需要安装旁通。但是，安装在旁通管道上的阀 控制阀安装时需要保证正确的安装方向，以确保正确的流动方向。通常在控制阀的阀体铸件上标有流 动方向的箭头。阀门必须具备合适的流通能力，产生的压降在可以接受的范围内。 蒸汽携带冷凝水流过控制阀，缩短控制阀的使用寿命。这个疏水点对于处于关闭状态的阀门也很重要，如 果没有布置冷凝水疏水点，当阀门打开时水锤会产生严重的后果。汽水分离器和过滤器能保证良好的蒸汽 品质。 执行器/感应器 同样，厂方会提供一些说明资料。执行器通常垂直安装在控制阀上，但有时电动执行器应用于高温介 质如蒸汽时，会有不同的推荐安装方式。 通常，执行器应该远离以下工况，如：过热，湿度高，腐蚀环境。这些工况容易引起某些组件的过早损 坏，如膜片和电子元件。制造商会提供其设备的推荐的最大使用环境温度。对于某些电动执行器，如果内部 会产生冷凝，应该内置加热器。总之，在无法避免这些情况时，选用的执行器需要满足这些安装条件。 执行器、定位器等的密封可以用国家电工标准的封装等级来衡量。封装等级表示盒体的防尘防水等级。 如果有可能会被水冲淋，选择低防水等级的电动执行器是不可行的。 为保证感应器能正确有效反应所测的实际值，应保证感应器完全正确浸没在测量液中。使用保护套可 图5.5.1 蒸汽气动减压站 高压蒸汽 汽水分离器 截止阀 控制阀 定位器 过滤器 (侧装) 低压蒸汽 控制器 门必须要质量可靠，是具有节流特性的阀芯或者具有正确Kvs值的另一个控制阀。正常情况下旁通的任何泄 漏都会影响到控制系统的正确作用。在任何情况下都不推荐使用手动的旁通阀。 在蒸汽系统中，在控制阀的上游需要安装汽水分离器和/或疏水点，如图5.5.1所示。这样可以防止 444 5.5.3 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 以在检测或更换感应器时无需将管道系统、容器或设备放空。但是，保护套会使反应时间滞后。在保护套 内使用导热介质会减小滞后。 电源线和信号线 对于气动系统，压缩空气和气动信号管线必须干燥、无油、干净、无泄漏。将气动控制器置于阀门和 执行器的附近可以减小由管线的容积和压损带来的滞后。 通常，阀门、执行器和定位器或转换器会作为一个整体预先安装好整体出厂。如果没有预先安装好， 需要将执行器安装在阀门上，定位器（对于气动控制）要安装在执行器上。要根据供货商的操作说明进行 正确的安装，保证达到阀门的正确行程。 电动和电气控制的电线 线、单独的接地导线、自动控制器。电线必须加以保护以防止受到机械损坏。 控制器 如前所述，应用系统产生的变化要慢于控制系统的反应时间。因此我们需要对控制器的参数、比例带 或增益、积分时间和微分时间进行调谐，以适合不同的应用。 控制器的参数调节有很多方法，大部分都涉及到数学计算。控制回路的运行特性可以被预测，但是制 程或应用的特性通常很难确定，由经验参数来决定。可以找到换热率的计算方法，但这些内容已经超出了 本节的范畴。 在设定控制器的参数之前，熟悉一下各种控制术语(P、I和D)是很有用的，以及比例带的三种设定，例 如，太宽、太窄、正确。 比例带总结（比例控制） 正确的比例带 = 稳定性好，反应快 一定程度偏差 过大的比例带 = 更好的稳定性，反应慢 偏差较大 过小的比例带 = 稳定性差，反应快速 偏差较小伴有振荡 图5.5.2 负载改变时的比例带设定的影响 设定点 温度 时间 A - 比例带过宽 C - 正确 B - 比例带过窄 通常，很多明显的“控制”问题会追溯到接线不正确。举一个极端一点的例子，将110V的电压接到 24V的电机上，会造成电机烧坏。因此必须注意线路系统，一定要按照供货商的操作说明，以及当地法规 操作。电气系统中经常会碰到“噪声”或电气干扰，结果是很难诊断的操作问题。因此有必要使用屏蔽 比例带（见图5.5.2） 如果比例带太宽，会有很大的偏移，但是系统会很稳定。（曲线A） 减小比例带会减小偏移。 如果比例带太小会引起不稳定和振荡。（曲线B） 最合适的比例带如曲线C所示，只要将比例带设为稍稍大于产生振荡的值即可。 445 5.5.4 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 设定点 时间 A - 太短 C - 正确 B - 太长 积分作用总结 正确的 IAT = 消除偏差 稳定 - 无超调 过短的 IAT = 消除偏差 反应过快，引起不稳定和超调 过长的 IAT = 消除偏差 反应慢，稳定，无超调 温度 B - 太长 积分作用(见图5.5.3) 图5.5.4 负载改变时微分时间的影响 设定点 时间 A - 微分时间太短 C - 正确的微分时间 B - 微分时间过长 微分作用总结 正确的微分时间 = 反应快速，稳定 微分时间过长 = 反应快速，引起超调和不稳定 微分时间过短 = 反应缓慢 温度 微分作用 (见图5.5.4) 如果积分时间太短，温度（曲线A）会在设定点两侧引起振荡。 如果积分时间过大，温度回到设定点需要很长的时间（曲线B）。 曲线C所示的是正确的积分时间设定，温度很快回到设定点并且没有超调和振荡出现。 图5.5.3 负载改变积分时间的影响 过长的微分时间会引起温度的迅速改变，出现超调和振荡（曲线B）。 太短的微分时间使温度偏离设定点的时间太长（曲线A）。 设定正确的微分时间可以使温度很快回到设定点并伴有良好的稳定性（曲线C）。 446 5.5.5 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 使用Ziegler-Nicholls方法进行PID参数设定的步骤如下： 1. 将积分时间(Ti)调到最大来取消控制器的积分作用 2. 将微分时间(TD)调到0来取消控制器的微分作用 3. 等待控制器达到稳定状态 4. 减小比例带（增大增益）直到出现不稳定点 5. 测量一个周期的时间(Tn)并记录控制器上该点的实际比例带的大小 6. 利用这点作为起始点，按照图5.5.6来计算正确的控制器的设定值 调试 控制器设定的实际方法 每个控制器都需要单独进行设定以满足特定系统的特性要求。尽管有很多不同的方法来实现稳定和快 速的控制，Ziegler-Nicholls方法被公认是一种相当有效的方法。 Ziegler-Nicholls方法 Ziegler-Nicholls频率响应方法（有时被称作临界振荡法）在对控制器在实际负载下的设定相当有 效。该方法是将控制器作为一个放大器来达到一个稳定点。在这一点，整个系统的温度在设定点上下 稳定，控制阀开始振荡，并且振幅不断变大。 相反，比例带的增加会使制程更加稳定，振幅也会相应减小。在系统达到稳定点的时候，系统特性达 到实际工况要求，包括换热器、控制阀、执行器、管道和温度感应器。 控制器的设定由Ziegler-Nicholls方法决定，方法是读出温度循环的时间周期；以及不稳定点的实际比 例带的设定。 时间 设定点 Tn 图5.5.5 控制器增益增加引起的不稳定，没有I和D作用 比例带 积分时间 微分时间 PID 控制 比例带 x 1.7 Tn/2 Tn/8 PI 控制 比例带 x 2.2 Tn/1.2 P 控制 比例带 x 2.0 图5.5.6 Ziegler-Nicholls 计算 温度 稳定性 反应 增加比例带 增加 减慢 增加 Ti 增加 减慢 增加 TD 减小 加快 图5.5.7 PID参数设定的影响 和控制反应的影响见图5.5.7。 一个固定的振幅范围内波动，（见图5.5.5）。一点小小的增益的增加或比例带的减小，会引起系统的不 控制器可能还需要进一步的调试以增加其稳定性或反应能力。PID参数设定的改变对于系统的稳定性 447 5.5.6 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 平缓切换 控制器的技术特性包含其它很多术语，有一个经常碰到的是“平缓切换”。 很多控制器含有“手动”-“自动”开关，有些特定的控制情况下需要手动控制。这样自动控制回路 有必要被中断。如果没有平缓切换，控制器从自动切换到手动或者从手动切换到自动时，除非手动控制的 输出能同自动控制的输出相匹配，否则原有的控制就会丢失。 平缓切换保证在手动向自动或自动向手动切换时控制参数一致，只需要将开关移动到合适的位置。 控制器的自调谐 现在的微处理器使得某些只有计算机才能提供的功能加入到控制器中。其中的功能之一就是“自调 谐”。调试工程师不再需要设置PID参数的过程。自调谐的控制器切换到开/关控制一段时间。在这段时间 内控制器分析反应结果，计算并设定自己的PID参数。 过去的控制器的自调谐功能只适用于系统启动阶段，一旦控制器设定了PID参数后就保持不变，而不 管制程在随后的变化如何。 现代的控制器可以进行称为自适应的功能，不仅仅用于设定初始状态的PID参数，同时可以进行检测， 并且在必要的时候按照制程在正常运行下的工况重新设定这些参数。 现在可以买到这样的控制器并且价格不会很贵。这些控制器的使用将越来越普遍，即使是在一些功能 并不复杂的控制应用中。 448 5.5.7 控制系统的安装和调试 章节5.5第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 Questions 1. A pneumatically actuated pressure control is fitted on the steam supply line to an air heater battery, which runs for about 5 minutes every 30 minutes. Each time the valve opens, a banging noise in the pipework occurs and the life of the valve is shortened. What might be the first thing to investigate? a| There may be no strainer before the control valve b| The valve is fitted with the flow arrow pointing in the wrong direction c| Unsuitable PID values may have been used d| There may be no separator or steam trap set before the control valve 2. A replacement sensor and pocket is installed to work with an electronic controller. The response of the system is now slower than with the original sensor. What might be the first thing to investigate? a| The controller may not have been reconfigured when the replacement sensor was fitted b| The air space around the sensor may not have been filled with a heat conductor c| The sensor may have been fitted upside-down d| The replacement signal wiring between the sensor and controller may now be a lot longer 3. On a controller with adjustable P-band, the optimum P-band is achieved at a setting:? a| With no offset b| When the oscillation around the set point is regular c| Not more than 5% d| Just slightly wider than that which will cause oscillation 4. What is the correct integral action time (IAT)? a| Where the process returns to the set point as rapidly as possible, without any overshoot or oscillation b| Where the process temperature returns as rapidly as possible to the set point, ignoring oscillation at this stage of the setting up process c| Where the offset is 0.5 x the proportional band d| When the actual temperature oscillates equally around the set temperature 5. What is the correct derivative time setting? a| P-band x 0.85 b| The time taken for the temperature overshoot to return to the set point as quickly as possible, consistent with good stability c| The time taken for the temperature overshoot to return to the set point as quickly as possible with even periodic oscillation times d| As long as possible in order to bring the temperature overshoot as quickly as possible back to the set point. Any oscillations can be mi