过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控制系统ppt课件

第7章实现特殊要求过程控制系统,1,本章要点,1）了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控制系统的结构类型；2）掌握比值控制系统中比值器参数计算方法；3）了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补偿以及实施方案等；4）掌握均匀控制的特点及设计方法；5）掌握分程控制的特点及应用场合；6）掌握自动选择性控制的特点及应用场合。,2,7.1比值控制系统7.1.1比值控制系统概述,在现代工业生产过程中，常常要求两种或两种以上的物料流量成一定比例关系。如果比例失调，则会影响生产的正常进行，或者影响产品的产量与质量，浪费原材料，造成环境污染，甚至发生生产事故。,在锅炉的燃烧过程中，需要自动保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛，以确保燃烧的效率。在重油气化的造气生产过程中，进入氧化炉的氧气和重油量应保持一定的比例，若氧油比过高，会因炉温过高而使喷嘴和耐火砖烧坏，严重时会引起炉子爆炸；如果氧量过低，则会生成的炭黑增多，会发生堵塞现象。,比值控制系统即是：使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。其中处于主导地位的物料为主物料或主流量，用q1表示；其他物料称为从物料或副流量，用q2表示。,q2/q1=k,3,1、开环比值控制系统,2、单闭环比值控制系统,只有当副流量没有干扰的情况下才适用，然而副流量的干扰不可避免,4,问题：可以精确的控制q1与q2的比值关系，但q1的值不可控，主流量可以因干扰作用或负荷的升降而任意变化。适用于负荷变化不大的场合。,丁烯洗涤塔的任务是除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。,FT,K,FC,FT,带乙腈的丁烯馏分,丁烯,带乙腈的洗涤水,洗涤水,丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统,洗涤塔,5,3、双闭环比值控制系统,问题：该控制方案所用仪表较多，投资较高。,双闭环比值控制系统大大克服了主流量的干扰，使主流量变得比较平稳。另一个优点是升降负荷比较方便，只要改变主流量的设定值即可。双闭环比值控制系统常用在主流量干扰频繁或工艺上经常需要升降负荷的场合。,6,图示烷基化装置中的双闭环比值控制系统。进入反应器的异丁烷-丁烯馏分要求按比例配以催化剂硫酸，同时又要求各自的流量比较稳定。,反应器,FC,FC,K,异丁烷-丁烯,出料,硫酸,异丁烷-丁烯馏分与硫酸的双闭环比值控制系统,7,4、变比值控制系统,基于除法器的变比值控制,应该注意:在变比值控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最终目的，而第三参数y(s)往往是产品质量指标。在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就是变比值控制。,8,硝酸生产控制系统,氧化炉温度串级比值控制流程图,9,在变换炉生产过程中，半水煤气与水蒸气的量需保持一定的比值，但其比值系数要随一段触媒层的温度变化而变化，才能在较大负荷变化下保持良好的控制质量。在这里，蒸汽与半水煤气的流量经测量变送后，送往除法器，计算得到它们的实际比值，作为流量比值控制器FC的测量值。而FC的给定值来自温度控制器TC，最后通过调整蒸汽量（实际上是调整了蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在规定的数值上。,TC,FC,蒸汽,煤气,喷射泵,触媒层,变换炉,变换炉的半水煤气与水蒸气的变值控制系统,10,7.1.2比值控制系统的设计,比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当使用单元组合仪表时，因输入输出参数均为统一标准信号，所以，比值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号。,（1）流量与检测信号呈非线性关系,1、比值器参数的计算,当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。,11,（2）流量与检测信号呈线性关系,当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。,例：已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量，其最大量程分别为：,试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数K,12,加开方器后:,2、比值控制系统中的非线性补偿,比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的特性，在设计比值控制系统时必须要加以注意。,（1）测量变送环节的非线性特性,流量与测量信号无论是呈线性关系还是呈非线性关系，其比值系数与负荷的大小无关，均保持其为常数。但是，当流量与测量信号呈非线性关系时对过程的动态特性却是有影响的。,13,其输入输出关系有：,采用DDZ型仪表将差压信号线性地转换为电流信号：,测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为：,14,问题：当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改变，则系统的运行质量就会下降。,（2）非线性补偿,为了克服这一不利影响，通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性关系。,差压变送器的输出电流信号与开方器的输出电流信号之间的关系为：,测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为：,常量，它已不再受负荷变化的影响,3、比值控制系统中的动态补偿,在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而且在动态情况下也要求两种物料流量的比值一定。,15,为实现动态比值一定，必须满足,16,17,4、比值控制系统的实现,二、把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。,在工程上，具体实现比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选用，相当方便。,一、把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。,18,5、比值控制系统的参数整定,在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因结构上属串级控制系统，所以主调节器可按串级控制系统的整定方法进行。这样，比值控制系统的参数整定，主要是讨论单回路、双闭环的副回路、变比值控制的变比回路的整定问题。由于这些回路本质上都是随动系统，因此要求其快速、正确跟随主流量变化，而且不宜有超调，最好整定在振荡与不振荡的临界为宜。具体步骤如下：,在满足工艺生产流量比的条件下，计算比值系数K,将比值控制系统投入自动运行。将积分时间置于最大，并由小到大逐渐调节比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程。若投入积分作用，则先适当放宽比例度，再投入积分作用，逐步减小积分时间，直到系统出现振荡与不振荡或稍有超调过程为止。,19,合成氨生产某段转化反应中，为保证转化率，必须保持天然气、水蒸气和空气之间成一定比值（1：3：1.4）。流量测量都采用差压变送器，未使用开方器。水蒸气流量最大值Q1max=32000m3/h，天然气流量的最大值Q2max=12500m3/h，空气流量的最大值Q3max=16000m3/h，其中水蒸气为主流量。采用相乘方案，试计算该比值控制系统的比值系数K1、K2,解：,20,7.2均匀控制系统,7.2.1均匀控制的提出与特点,1、均匀控制的提出,均匀控制系统具有使控制量与被控制量均匀缓慢地在一定范围内变化的特殊功能。,1、稳定塔A的液位解决的方法：增加中间储存容器2、稳定塔B的进料流量解决的方法：采用均匀控制,21,图a图c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b才体现了均匀控制的思想，即L和F都缓慢波动且都稳定在一定范围内。,将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。,均匀控制的设计思想：,液位控制时前后设备的液位、流量关系,22,2.均匀控制的特点,1、结构上无特殊性同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。,2、参数有变化，而且是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。,3、参数应在限定范围内变化在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化，但前塔的液位变化有一个规定的上、下限。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证反应塔的正常工作。,23,7.2.2均匀控制系统的设计,均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择，调节规律的选择，调节器的参数整定,1.控制方案的选择,（1）简单均匀控制系统,注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度的大小，还将受到压差波动的影响。需采用串级均匀。,通常需设置较大的比例度和较长的积分时间，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。,24,（2）串级均匀控制系统,为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。,从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量变化平缓。,25,2、调节规律的选择,3、调节器的参数整定,(1)在所有的均匀控制系统中，不应加微分控制。,(2)主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中，副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。,（1）经验法即根据经验，按照“先副后主”，把主、副调节器的比例度调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调节器加上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调得大一些。,（2）停留时间法即依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定调节器的参数，使被控参数在允许的范围内变化。,26,(1)所有均匀控制中，均比定值控制要大。,(2)对串级均匀控制可采用停留时法进行整定。,整定参数与停留时间t的关系,最后还需指出的是：,例：图示为一精馏塔的塔釜液位与流出流量的串级均匀控制系统。如果塔釜液体不允许被抽空，试确定调节阀和控制器的作用方式。,调节阀为气开形式；液位调节器：正作用；流量调节器：反作用。,27,7.3分程控制系统7.3.1分程控制概述,间歇式化学反应器分程控制系统,在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调节阀，但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。这种控制系统通常称为：分程控制系统。,28,分程控制系统的信号分段,蒸汽阀为气开，冷水阀为气关,29,1、调节阀同向动作,分程控制系统有两种类型:,30,2、调节阀异向动作,a)阀A气开、阀B气关,b)阀A气关、阀B气开,31,7.3.2分程控制系统的设计,分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。,即将调节器输出分成几个区段,一段信号控制一个调节阀。,1、调节器输出信号的分程,32,2、调节阀的选择及注意的问题,（1）调节阀类型的选择,根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀。,（2）调节阀流量特性的选择,33,在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求分程点处的流量特性平滑。,（3）调节阀的泄漏量,在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏或泄漏量极小。,34,7.3.2分程控制系统的应用,1、用于节能,2、用于扩大调节阀的可调范围,由于我国目前统一设计的调节阀，其可调范围为30，因而不能满足需要调节阀可调范围大的生产过程。解决这一问题的办法之一是采用分程控制，将流通能力不同、可调范围相同的两个调节阀当一个调节阀使用，扩大其可调节范围，以满足特殊工艺的要求。,35,由此可见，分程控制中调节阀的可调范围与单个调节阀相比，扩大了26倍，从而满足了工艺上的特殊要求。,调节阀的最大流通能力分别为调节阀,而可调范围均为,若将两个调节阀当成一个调节阀当成一个调节阀使用，则最小流通能力为0.14，最大流通能力为109.2，由此可算出分程控制调节阀的可调范围为,例：某一分程控制系统的两个调节阀，其最小流通能力分别为,此时，,36,3、用于两个不同控制介质的生产过程,废液中和过程分程控制,37,7.4自动选择性控制系统7.4.1自动选择性控制概述,一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有该考虑到在事故状态下的安全生产问题，即当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平压缩机的防喘振，化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火、防回火等。,事故状态的保护性措施大致可分成两类：,一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自动停机的方法进行保护，称为“硬保护”。,另一种措施称为“软保护”，即所谓选择性控制系统。选择性系统是指将工业生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。,38,7.4.2系统的类型及工作过程,1、选择调节器的输出信号,对调节器输出信号进行选择的系统框图为：,39,锅炉燃烧过程压力自动选择控制,在控制过程中，当天然气压力过高时会发生脱火，而压力过低时会发生回火，P1C为正常时使用的调节器，P2C为压力过高时使用的调节器，PC为带下限节点的压力调节器，它与三通电磁阀构成自动联锁硬保护装置。,40,2、选择变送器的输出信号,这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反馈至调节器。,化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图,41,反应器峰值温度自动选择性控制系统框图,42,7.4.3自动选择性控制系统的设计,自动选择性控制系统的设计与简单控制系统设计的不同之处在于调节器调节规律的确定及调节器的参数整定、选择器的选型、防积分饱和等。,在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用PI或PID调节规律；对于取代调节器，由于在正常生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅速动作，以防事故发生，故一般选用P调节规律即可。,1调节规律的确定及其参数整定,2选择器的选型,在确定选择器的选型时，先要根据调节阀的选用原则，确定调节阀的气开、气关形式，进而确定调节器的正、反作用方式，最后确定选择器的选型。确定的原则是：如果取代调节器的输出信号为高值时，则选择高值选择器；反之，则选择低值选择器。,43,例：液氨蒸发器是一个换热设备，它利用液氨的汽化需要吸收大量的热来冷却流经管内的热物料。在生产上，要求被冷却物料的出口温度稳定。为了