过程控制系统设计

第三章过程控制系统设计、主要内容过程控制的设计工作、步骤和系统设计方法流量计和控制阀计算方法、3过程控制系统设计、3.1过程控制系统设计步骤、过程控制的目标和操作：通过系统设计完成。特定步骤：1。根据流程要求和控制目标确定系统变量2。建立数学模型3。决定控制案例4。选择硬件设备5。控制算法选择，控制器设计6。软件设计7 .安装、调试和设置设备、执行、确定3.2控制变量和控制方案、确定3.2.1控制目标：根据稳定性、安全性和经济原则确定。1 .控制变量在定性确定目标后，必须用产业过程的控制变量定量表示控制目标。受控变量也是工业过程的输出变量。(1)使用对控制目标有重要影响的输出变量作为控制变量。(2)目标质量的输出变量可以直接由控制变量控制。(3)与控制(或运行)变量的传递函数选择和控制变量相比，简单、动态、静态特性更好的输出变量是控制变量，并且(4)如果某些系统具有控制目标不可预测的状态，则可以将与控制目标具有一定关系的其他输出变量作为辅助控制变量进行测量。所选择的基本原则，控制(或操纵)变量，扰动变量两类。控制(或运行)变量：由操作员或控制机制控制的变量。您选择的基本原则如下：2.通过输入变量(1)，选择对所选控制变量影响较大的输入变量作为控制变量，(2)选择更改范围较大的输入变量作为控制变量，可以轻松地进行控制。(3)在此基础上，选择快速作用于控制变量的输入变量作为控制变量，从而加快控制的动态响应。(4)复杂系统具有多个控制循环。也就是说，有多个控制变量和多个控制变量。选定的控制变量应直接影响相应的控制变量，对其他输出变量的影响应尽可能小，从而缩小不同控制电路之间的关联性。3.2.2确定控制方案，确定工业过程的控制目标以及输入和输出变量后，就可以确定控制方案。控制程序应包括控制结构和控制算法。1 .控制结构有两种：(1)反馈控制利用控制变量的直接测量调整控制变量，使控制变量保持在预期值。(2)前馈控制，使用扰动量的直接测量，调整控制变量，以确保控制变量保持预期。2 .控制算法，控制方案确定后，必须选择适当的控制算法，根据控制算法设计控制器。3.3根据流程控制系统硬件选择、流程控制的输入和输出变量以及控制要求，可以选择包括控制装置、仪表、传感器、执行机构和报警、保护、链条等部件的系统硬件。过程控制系统硬件选择的原则：确保控制目标和控制方案的实施。1，控制单元，简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于更复杂的系统，需要计算机控制。过程控制的计算机控制设备通常使用分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)。模拟控制电路，交换机数量少的过程控制系统应使用DCS控制。模拟控制电路少、开关吞吐量大的过程控制系统应使用PLC控制。2，测量设备和传感器选择原理，测试部件一般应根据定型产品、设计过程控制系统、控制方案选择测量设备和传感器。(1)稳定性原则可靠性是指产品在一定条件下长期稳定完成规定功能的能力。是测量设备和传感器最重要的选择原则。(2)实用性原则完成特定功能要求的能力和水平。根据过程要求考虑实用性，同时考虑功能的实现和经济性，功能越强越不好。(3)先进性原则应尽可能采用先进设备。，选择原理，3.4节流元素，1 .流动流体在单位时间内通过管道或设备某一部分的数量成为流动。流动的数量按体积计算，称为体积流。按质量计算的称为质量流。2 .雷诺数管道内的流速时间，压差与流速成正比。流量增大时，压差大约与流量的平方成正比。在差压与流动成正比的范围内，流体的流动状态是层流。在压差与流量平方成正比的范围内，流体的流动状态是湍流。层流到湍流的分界线不仅与流量有关，还与流体的密度、粘度和管道内径有关。在流体力学中，此现象通过雷诺实验验证，并表征为雷诺数。雷诺数是流体惯性力与粘性力的比率。流量计类型，主要类别：(1)差压流量计：根据流体通过管道内部节流装置时流量与节流装置前后差压的关系进行测量。(2)速度流量计：管道内流体速度促进叶轮旋转，根据与叶轮速度和流体流速成正比的关系进行测量。(3)体积流量计：按照流体连续通过一定体积后流量累积的原理测量。(4)其他类型的流量计：电磁流量计、超声波流量计等。用节流元件测量流量，1，原理：2，压力测量方法：(1)直径距离压力；(2)法兰压力；(3)角度搓纸压力。3.5控制阀选择，过程控制系统中最常用的执行器是控制阀。调节阀是根据指定给控制器(调节器或操作机)的信号大小和方向改变阀门的开闭度来调节流体流动的装置。控制阀比作自动调节系统的“大脑”，是自动调节系统的“手和脚”。3.5.1控制阀计算基础，1 .调节阀的工作原理和流量方程控制阀是节流部件。流体不可压缩，装满管道后，可以根据能量非破坏定律(Bernoulli方程)和流体的连续性定律来知道。通过阀门的体积流速QV与通过阀门的有效循环截面面积a和通过阀门前后压力下降的平方根成正比，与流体的密度和阀门的阻力系数平方根成反比。也就是说，如果将包含c的比例系数设定为，型式中的2 .流量系数的定义(1)温度为5 10 的水在105Pa的压力下下降，通过阀门的水的立方数以每小时5 10 的速度流动。显示为符号Kv。(2)温度为60的水在1psi(磅/平方英寸)的压力下下降，每分钟通过调节阀的加仑数。显示为符号Cv。Kv=0.8569Cv或cv=1.167 kv，3。当阻塞流在阀前压力P1中保持恒定状态时，通过阀的流量随着阀的压降的增加而增加，达到特定临界条件时，流量不再变化，达到最大限度之一，这种流动状态称为阻塞流。计算阻塞流情况下不可压缩流体、低雷诺数流体(尤其是可压缩流体)需要修改的流量系数。4。调节阀的可调比率(1)可调节比率表示该阀可调节的最大流量和最小流量的比率，在R=、等情况下，是调节阀可控制流量的下限。通常，最大流量的10%左右，最小值约为2%至4%。如果调节阀两端的压差保持不变，则阀门的调整比为R=、理想调整比：阀门的最大和最小循环容量之比。理想可调整比率越大越好。(2)实际可调比实际使用中，调节阀前后的压降随管道阻力变化而变化。如果有旁路调节阀，则打开旁路阀时调节阀的调节比例也将发生变化。调节阀实际控制的最大流量和最小流量的比率称为实际可调比率。系列管道在系列管道系统总压力下降到一定水平时，随着流量的增加，系列线路的阻力损失相应增加，控制阀的压降相对减少，从而减少控制阀循环的最大流量。在串行管道中，调节阀的实际可调比率降低。如果串行管道调节阀的实际调整率为RS，则RS=R -理想调整率；-控制阀完全打开时阀的压降；-最小开口阀的压力降，接近管道系统的总压力降值。RS可见，s值越小，实际可调整的百分比也越小。为了确保调节阀在实际应用中具有一定的可调比率，阀门完全打开时的压降在管道系统中必须占适当的比例。通常，s值在0.3到0.6的范围内。平行管道旁路流量的存在，等于通过调节阀增加最小流量，降低调节阀的实际可调比。Rp=总管最大流量/(实体零件最小流量绕道流)=，在平行管中，调节阀的实际可调比率为总管最大流量与旁路流量比率，随旁路层级b值的减少而减少。建议b值大于0.8。控制阀的流量特性，表示流体通过阀门的相对流量和相对打开之间的函数关系(QR=QR=q/q100)-相对流量，特定打开状态下阀门的流量与整体打开流量之比；Lr=l/l100-阀系统与开启时间的比率。1 .理想的流量特性是阀前后差压保持不变的特性。直线、对数、抛物线、快速打开等四种。(1)直流特性意味着调节阀单位相对位移变化引起的相对流变化是常数。数学表示法是k为常数，调节阀的放大系数。直线特性的控制阀在同开度变化的情况下，流动时间，流量变化值相对大，调节效果强，容易引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调整效果慢，不够灵敏。对数流特性也称为，(2)相等百分比特性，是由于控制阀单位相对开口度的变化而引起的相对流的变化与此点的相对流成正比的关系。数学表达式在图中，b是代数流特性曲线。曲线的放大系数随打开的增加而增加。在相同的打开变化值下，流动时间(较小打开)的流动变化也较小(较小调节阀的放大系数较小)，并调整平缓的缓和。流量大(大)时，流量的变化也大(调节阀的放大系数大)，调整灵敏度有效。小开放和大开放中，相对流动的变化率相同，流动变化的比率相同。(3)抛物线流特性阀的相对流和相对流数学表达式为，插图中的c为抛物线流特性曲线。在直线流特性和代数流特性之间。(4)快速开口流量特性阀在开放时间很高的时候已经扩大了流量，随着开放程度的增加，流量很快达到最大(饱和)值，以后增加了开放度，流量几乎没有变化。此流量特性适用于快速开闭的截止阀或双位置控制系统。特性曲线请参见图中的曲线d。(5)蝶阀流特性图中的曲线1是蝶阀的理想流特性，是近似对数(相等百分比)的特性曲线。打开角度时，流速很少增加。开放角度持续增加时，流速逐渐按比例增加。开口角度在600 700之间增加，可以获得70%以上的流速。如果继续将开口角度增加到700以上，则阀门的循环截面与开口角度几乎成比例增加，但阀门的压差明显减少，流量明显减少。蝶阀在角度行程中起到控制流量的作用。1-理想特性2-阀直径太小的特性3-阀直径太大的特性4-流截面特性5-阀上相对压降的曲线(例如蝶阀直径太大)，其特性为快速打开特性，图中的曲线3使阀仅在极小的角度行程(开)内工作，稍微移动会使流过多例如，蝶阀直径太小，如果特性曲线向下移动，则图中曲线2的阻力增加，阀门完全打开，无法通过所需的最大流量。正确计算蝶阀直径对控制系统质量有重要作用。2 .工作流特性在实际生产中，控制阀前后的差压总是变化的。流特性称为工作流特性。工作流特性与管道系统阻力相关。，(1)内联管道的工作流特性当阀门与管道序列化时，流量增加，管道管路损失增加，整体压降恒定时，阀门的压力降减少，从而改变了流量特性，理想的流量特性失真是工作流特性。要找到这种流量，必须了解阀门的压差变化。插图是连接管道的工作流特性曲线。(a)阀门的理想特性可通过线性特性(b)阀门的理想特性计算公式和图表了解。管道阻力损失为零时s=1，系统总压降全部落在控制阀上，实际工作流特性符合理想特性。随着管道阻力损失比重的增加，s值下降。控制阀完全打开时的流量相应地减少，管道阻力损失比0天时减少。因此，实际调整率也减少。随着s值的减少，流动特性曲线扭曲，直线特性倾向于具有快速开放特性，代数特性倾向于具有直线特性，实际使用，为了避免调节阀工作特性扭曲，希望s值一般在0.30.5以下。(2)并行管道的工作流特性控制阀和旁路管道系统的总流量为控制阀和旁路(QT=Q1 Q2，B=B)，是阀门完全打开时通过的流量与总管最大流量之比。以Qmax为基准水的并行管道系统的工作流特性与、旁路阀完全关闭时B=1实际工作特性符合理想特性。旁通阀逐渐打开，旁通流量增加，b值减少，可调整比例减少。希望b值不低于0.5，最好不要低于0.8。补充：1，根据电转换器、电转换器工作原理、力平衡原理设计和工作。内部有线圈，调节器的电流信号进入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，线圈和杠杆发生位移，挡板接近(或远)喷嘴，从而产生喷嘴背压的增加(或减少)，该背压作用于内部气动功率放大器，放大的压力作用于转换器的输出，所有方向，其他路供给反馈风箱。传送到反馈风箱的压力通过杠杆的力传递，在核心的另一端反向产生位移，该位移作为输入信号产生电磁力矩平衡时输入信号和输出压力一对一对应的比率。也就是说，当输入信号从4mADC变更为20mADC时，转换器的输出压力从0.02 0.1 MPa变更为气动信号，从而执行将电流信号转换为气动信号的过程。在图中，零调节机制用于调节转换器的零位置，反馈风箱起到反馈的作用。2、气动阀门定位器、气动阀门定位器工作原理、气动阀门定位器按力平衡原理设计，工作原理箱按力平衡原理设计和工作，如上图所示。当通过波纹管的信号压力增加时，杠杆2靠近喷嘴，喷嘴背压通过放大器放大，阀门向下移动，连接到同一轴的反馈凸轮(偏心凸轮)也逆时针旋转，通过车轮绕杠杆旋转杠杆1，拉伸反馈弹簧，杠杆2的弹簧张力和信号压力作用于波纹管的弹簧力平衡扭矩时，仪表达到平衡状态此时，特定的信号压力对应于特定的阀门位置。气动阀门定位器工作方式(续)，上面的动作是量。若要变更工作方式，您可以反转凸轮，将a变更为b等。所谓积极作用定位器是信号压力增加，输出压力也增加。反作用定位器是信号压力增大，输出压力减小。只要一个否定作用执行机构安装反作用定位器，就可以实现反作用执行机构的行为。相反，只要在一台