第7章 分程及阀位控制系统.doc

第7章 分程及阀位控制系统7.1 分程控制系统7.1.1 概述分程控制系统：一台控制器的输出可以同时控两只或两只以上的控制阀，控制器的输出被分割成若干个信号范围段，而由每一段信号去控制一只控制阀。分程控制的实现：分程控制系统中控制器的输出信号分段是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。分程控制目的：（1）扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质。（2）为了满足工艺操作的特殊需要。分程控制系统就控制阀的开闭形式分为两类：（A）两个控制阀同向动作0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度(b)两阀气闭式0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度(a)两阀气开式（B） 两个控制阀异向动作0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度(d)气闭气开式0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度(c)气开气闭式7.1.2 分程控制的应用场合一、扩大控制阀的可调范围，改善控制品质。PC供水中压蒸汽高压蒸汽蒸汽减压系统分程控制方案0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度设：A、B两阀最大流通能力Cmax均为100，可调范围R为30。 R = Cmax/Cmin、 Cmax = CAmax+CBmax = 2Cmax = 200 Cmin = Cmax/R = 3.33 R= Cmax/Cmin = 200/3.33 = 60结论：采用两只流通能力相同的控制阀构成分程控制系统，其控制阀可调范围比单只控制阀进行控制时的可调范围扩大一倍。控制阀的可调范围扩大了，可以满足不同生产负荷的要求，而且控制的精度提高，控制质量得以改善。生产的稳定性和安全性也可进一步得以提高。二、用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求。间歇反应器的工作原理：1.按要求配比好原料并放入反应器，开始时温度达不到反应要求，需对其通以蒸汽加热，诱发化学反应；2.当达到反应温度并开始反应后，会产生大量的反应热，需及时地移走热量，否则会因温度过高而发生危险。TCAB冷水蒸汽FVA：气闭FVB：气开TC：反作用图7-4 间歇式化学反应器分程控制系统工作过程：1.反应开始前升温阶段T测给定值TC B阀（B阀全关时）A阀 T，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反应继续进行。3、用作生产安全的防护措施。0.020.10MPa0.058 0.062100%0阀门开度BAPCAB放空氮气油品储罐N2封分程控制系统分析：A阀（充N2）采用气开式，B阀（放空）为气闭式，控制器为反作用。（1）向油罐注油时PPC（0.06MPa）B阀全关、A阀开P。7.1.3 分程控制系统的设计与控制器参数的整定一、分程控制系统的设计（1）确定控制阀的开、闭型式：从生产安全的角度考虑。（2）决定分程区域：根据生产的要求和工艺的特点来考虑。（3）控制器的正反作用和控制规律：与单回路控制系统一样。1、控制阀的开闭形式与分程区间的确定例1：蒸汽减压系统分程控制方案PC供水中压蒸汽高压蒸汽0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度Gm(S)蒸汽管压力对象GVA(S)GC(S)PspPGVB(S)a）控制阀A、B应选气开阀，则控制器应为反作用。b）由于A、B阀一般为同口径或相近口径，所以分程区域可以等分。例2：间歇式化学反应器分程控制系统TCAB冷水蒸汽Gm(S)GVA(S)GC(S)TspTGVB(S)减温对象加温对象-+-+a） A阀应选气闭阀，则控制器应为正作用， B阀应选气开。b）分程区域：为了保证安全，不使反应器温度过高，能源中断时冷水阀应该打开，所以A阀应在小信号段，B阀在高信号段。0.020.10MPa0.06100%0阀压阀门开度AB例3：油品储罐N2封分程控制系统PCAB放空氮气0.020.10MPa0.058 0.062100%0阀门开度BAa）控制阀A应选气开阀，则控制器应为反作用， B阀应选气闭。Gm(S)GVA(S)GC(S)PspPGVB(S)充氮对象放空对象+-+-b）分程区域：为了保证安全，不使贮罐压力过高，能源中断时氮气阀A应该关闭，放空阀B打开，所以B阀应在小信号段，A阀在高信号段。关于A、B两阀的分程区域的进一步讨论对于氮封分程控制系统而言，若把A、B两阀的分程区域交换，虽然它们能组成负反馈控制，但控制系统是不经济的和不合理的。分程区域中存在的间歇区，可以避免两阀的频繁开闭，以有效地节省氮气。因为一般地贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而压力控制的精度要求不高，存在一个间歇区是允许的。0.10MPa0.020.058 0.062100%0阀门开度BA0.020.10MPa0.058 0.062100%0阀门开度BA二、控制器参数的整定分程控制系统有两只控制阀，如对象特性比较接近、控制阀也相同时，可按单回路系统一样来整定某一回路的控制器参数；若两个通道的特性不一样，相差很大，可采取折衷的办法，选择一组合适的控制器参数，使之能兼顾两个通道特性。前述的蒸汽减压控制系统和氮封压力控制系统，它们的通道特性和控制阀特性比较接近，而间歇式反应器两个通道特性差距很大。7.2 阀位控制系统7.2.1 概述操纵变量选择原则的核心问题： 所选的操纵变量既要考虑到它的经济性和合理性， 又要考虑到它的快速性和有效性。存在问题： 在有些情况下所选择的操纵变量很难做到两者兼顾。解决办法： 阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的快速性、有效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。 在控制系统中选用了两个操纵变量A和B，其中操纵变量A从经济性和工艺的合理性考虑比较合适，但对克服干扰的影响不够及时、有效。操纵变量B的快速性、有效性较好，即克服干扰比较迅速、及时，但经济性、合理性差。这两个操纵变量分别由两只控制器来控制。操纵变量B由主控制器C1控制，控制操纵变量A的为阀位控制器C2。主控制器的给定值即产品的质量指标，阀位控制器的给定值是操纵变量B管线上控制阀的阀位。阀位控制系统也因此而得名。C1C2ABFYR2R1阀位控制系统结构原理图7.2.2 阀位控制系统的应用一、管式加热炉原油出口温度控制选用燃料气（油）作为操纵变量A是经济的和合理的，然而它对克服外界干扰的影响却不及时。操纵变量B对原油的出口温度十分及时、有效，然而从工艺考虑是不经济的（增加能耗）。VPCTCBARrVAVB原油燃料将操纵变量A和B有机地结合起来，却能达到提高控制质量的效果。（2）蒸汽减压系统压力控制 4.0MPa的中压蒸汽减压成0.3MPa的低压蒸汽，一般使用中压蒸汽经过起节流作用的控制阀VB就可以了。但是这样做不经济。如果将中压蒸汽通过中压透平后转为低压蒸汽，则可使透平做功，使能量得到有效的利用。VPCPCRVAVBr中压蒸汽低压蒸汽系统中，PC为主控制器，它的输出同时作为阀VB的控制信号，又作为阀位控制器VPC的测量信号，控制阀VA由阀位控制器进行控制，而阀位控制器的给定值r则决定着阀VB的开度（通常设置r值都是一个较小的值）。7.2.3 阀位控制系统的设计及整定（1）操纵变量的选择 要从经济性、合理性和快速性、有效性两个不同的角度考虑选择A、B两个操纵变量。其中操纵变量A着重考虑它的经济和合理性，而操纵变量B则着重考虑它的快速性和有效性。（2）控制阀开闭形式的选择 与单回路系统介绍的方法相同。（3）控制器规律及正反作用控制器规律的选择 主控制器是控制产品的质量指标的，因此一般情况下主控制器应选用比例积分控制器。但当对象时间常数较大时，则可选用比例积分微分控制器。阀位控制器的作用是使控制阀处于一个固定的小开度上，因此控制阀应选比例积分作用。控制器正反作用的选择 原则：闭环回路各环节放大倍数的符号乘积必须为负。A阀：气开B阀：气开现以管式炉原油出口温度阀位控制为例加以说明VPCTCBARrVAVB原油燃料TC：正作