《过程控制及自动化仪表》第七章特殊的工艺要求的过程控制

p1,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）了解均匀控制的特点及设计方法；5）了解分程控制的特点及应用场合；6）了解自动选择性控制的特点及应用场合。,特殊的工艺要求的过程控制：,p2,特殊的工艺要求的过程控制：,1）要求两种或多种物料流量成一定比例关系比值控制,2）两个或两个以上的设备串联时，要求前后设备在物料供求上相互均匀、协调、统筹兼顾均匀控制,3）将调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上的调节阀，使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内做全行程动作分段控制,4）在常规状态下，如何保证安全生产问题，即当操作条件达到安全极限时，通过选择器，选用不安全情况的备用控制系统自动取代正常工况下的控制系统，待工况恢复正常后，备用控制系统自动脱离，正常工况控制系统又自动投入运行。自动选择性控制,p3,比值控制系统生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：,Q2=KQ1,其中：K比值系数；Q1主流量；Q2副流量。,p4,比值控制系统的种类1.开环比值控制系统如图Q1是主流量，Q2是副流量。流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q2。,此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。,控制目标：Q2KQ1,p5,2.单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。控制目标：Q2=KQ1,对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。,控制过程与自动化仪器,第三十七讲,学时：48主讲教师：孙晓东,p7,3.双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制，生产负荷（与总物料量有关)在较大范曲内波动的不足的缺点，增加了主流量控制回路。该系统具有两个闭合回路，分别对主、副流量进行定值控制。同时，由于比值控制器K的存在，使得主流量由受到干扰作用开始到重新稳定在给定值这段时间内，副流量能跟随主流量的变化而变化。这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要优点。从图可以看出，当主流量Q1变化时，一方面通过主流量控制器F1C对它进行控制，另一方向通过比值控制器K(可以是乘法器)乘以适当的系数后作为副流量控制器的给定值，使副流量跟随主流量的变化而变化。,p8,3.双闭环比值控制系统特点：,Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。,有两个闭环控制回路，用比值器联系。控制目标：Q2=KQ1,缺点：所用仪表多，投资高。,双闭环比值控制系统主要适用于主流量干扰频繁，工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。,p9,4变比值控制系统以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。,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。,p10,温度控制器TC根据触媒的实际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值。,除法器算出蒸汽与煤气流量的实际比值，输入到流量控制器FC。,最后通过调整蒸汽量（改变蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在给定值上。,例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（58倍）在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如果根据触媒层的温度调节其比例系数，就能保持最佳的触媒温度和最高的转化率。,p11,图6.23变比值控制系统框图,在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）是主要被控参数。,p12,实例,硝酸生产控制系统,氧化炉温度串级比值控制流程,p13,比值控制系统的设计与参数整定1比值控制系统设计1）主流量、副流量的确定原则：生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。,p14,2）控制方案的选择控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。,p15,3）调节器控制规律的确定比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。,在单闭环比值控制系统中，比值器K起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。,P,PI,p16,双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。,4）正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。,p17,5）比值系数的计算工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K后才能进行比值设定。变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公式不同。（l）流量与测量信号之间成线性关系如果Q1的流量计测量范围为0Q1max、Q2的流量计测量范围为0Q2max，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：,p18,因,代入工艺比值公式：,得换算公式：,而仪表比值公式：,说明：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。,p19,（2）流量与测量信号之间成非线性关系利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：I=CQ2,代入工艺比值公式：,得换算公式：,则,说明：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。,p20,实例：已知某比值系统，采用差压式流量计测量主副流量，其最大量程分别为工艺要求，试计算不加开方器与加开发器后仪表的比值系数,解：,加开方器,不加开方器,p21,2、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。,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：,p22,测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为：,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,p23,3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。,为实现动态比值一定，必须满足,动态补偿器的传递函数为,注意：由于从动流量总要滞后于主动流量，所以动态补偿器一般应具有超前特性。,p24,4比值控制系统的实现,比值控制的具体实现方案有两种:,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。,p25,比值控制系统的实施与参数整定1）比值系数的实现。比值系统的实现有相乘和相除二种方法。工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。2）比值控制系统的参数整定,对双闭环比值控制，主流量回路可按单回路控制系统整定；对变比值控制系统，主调节器可按串级控制系统整定方法进行；对副流量回路，本质上是随动系统，要求快速、正确跟随主流量变化，最好整定在振荡预不振荡边界，具体步骤为：,（1）根据工艺条件，计算比值系数，投入自动运行；,（2）使由大到小调节，使系统处于临界过程；,（3）适当放宽比例度后，投入积分，即逐步减小，直到出现临界过程。,p26,7.2.1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。,控制目标：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,图示,控制过程与自动化仪器,第三十八讲,学时：48主讲教师：孙晓东,p28,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,p29,2.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。,p30,7.2.2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。,p31,（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。如图所示。,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。,p32,2.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。,p33,(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：,p34,7.3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。,p35,分程控制系统的信号分段,蒸汽阀为气开，冷水阀为气关,p36,1、调节阀同向动作,分程控制系统有两种类型:,p37,2、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,p38,7.3.2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,p39,调节阀特性的选择与应注意的问题1.根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：,p40,（2）调节阀流量特性的选择,p41,2.流量特性的平滑衔接如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控制、B阀不开；负荷较大时A阀全开、B阀控制。两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。,p42,如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流量特性有突变点，会影响调节品质。,如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下列两种情况：,p43,如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。,p44,3）调节阀的泄漏量在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。,因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要求大阀的泄漏量很小。,调节阀的泄漏量：必须保证在调节阀全关时，不泄漏或泄漏量极小；尤其是大阀的泄漏量，一定要大大小于小阀正常的调节量，否则小阀就不能发挥其控制作用。,控制过程与自动化仪器,第三十九讲,学时：48主讲教师：孙晓东,p46,分程控制的实现分程控制要求调节阀的输入量程进行压缩。通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。,例如，使调节阀A在0.020.07MPa范围内作全行程动作；使调节阀B在0.050.10MPa范围内作全行程动作。,p47,7.3.2分程控制系统的应用,1、用于节能,利用分程控制系统中多个调节阀的不同功能以减少能量消耗，提高经济效益。例：某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水对其加热，当热水温度不足时用蒸汽加热。,p48,2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。,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。,p49,3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,p50,7.4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。,p51,7.4.2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：,选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。,p52,锅炉燃烧过程压力自动选择控制：,工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。,p53,2对变送器输出信号进行选择这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。,p54,例2固定床反应器中热点温度的控制反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同。,在不同位置分别安装温度传感器，由选择器选出热点温度信号，送入控制器进行控制。,p55,7.4.3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,p56,2选择器的选型选择器有高值选择器HS与低值选择器LS两种。选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和控制回路的切换条件决定的。例1蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制例2固定床反应器中热点温度的控制,p57,例1蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制由于燃气阀是正作用阀，防止燃气压力过高的选择器1就应当是低选，防止燃气压力过低的选择器2就应当是高选。,p58,例2固定床反应器中热点温度的控制控制思路就是按最高点温度控制，所有的点的温度都不会超标，所以用高选器。,p59,3选择性控制系统中调节器抗积分饱和选择性控制系统运行中，无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。如果调节器使用了积分作用，当其处于开环待命状态时，偏差输入信号一直存在。,那么