分程控制系统

1、第第1页页 过程控制系统过程控制系统 第六章第六章 其他控制系统其他控制系统 第第2页页 过程控制系统过程控制系统 第一节第一节 选择性控制系统选择性控制系统 非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类：非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类： 一类是硬保护措施一类是硬保护措施 一类是软保护措施一类是软保护措施 硬保护措施就是联锁保护系统，当生产工况超出一定硬保护措施就是联锁保护系统，当生产工况超出一定 范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如有声和范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如有声和 光警报产生、自动到手动、联锁等，使生产过程处于相对光警报产生、自动到手动、联锁等，使生

2、产过程处于相对 安全的状态。安全的状态。 缺点缺点: :这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的 经济损失。经济损失。 第第3页页 过程控制系统过程控制系统 用一个控制不安全情况的控制方案自动取代用一个控制不安全情况的控制方案自动取代 正常生产情况下工作的控制方案，用取代控制器正常生产情况下工作的控制方案，用取代控制器 代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常，代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常， 而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常 控制器代替取代控制器。控制器代替取代控制器。 软保护措施软保护

3、措施: : 通过一个特定设计的自动选择性控制系统，通过一个特定设计的自动选择性控制系统， 当生产短期内处于不正常工况时，既不使设备当生产短期内处于不正常工况时，既不使设备 停车又起到对生产进行自动保护的目的。停车又起到对生产进行自动保护的目的。 第第4页页 过程控制系统过程控制系统 构成该系统应具备两方面构成该系统应具备两方面: : 一是生产操作上有一定的一是生产操作上有一定的选择性规律选择性规律； 二是组成控制系统的各个环节中，必须包二是组成控制系统的各个环节中，必须包 含具有选择性功能的含具有选择性功能的选择单元。选择单元。 通常系统中设有两个控制器（或两个以通常系统中设有两个控制器（或两

4、个以 上的变送器），通过选择器选出能适应上的变送器），通过选择器选出能适应 生产安全状况的控制信号，实现对生产生产安全状况的控制信号，实现对生产 过程的自动控制。过程的自动控制。 第第5页页 过程控制系统过程控制系统 1 1连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 两类两类: : 1 1）选择器位于两个控制器与一个执行器之）选择器位于两个控制器与一个执行器之 间这是选择性控制系统中常用的类型。间这是选择性控制系统中常用的类型。 二、选择性控制系统的类型二、选择性控制系统的类型 第第6页页 过程控制系统过程控制系统 锅炉为例锅炉为例 第第7页页 过程控制系统过程控制系统 然而，燃料气的压力也随燃

5、料气量的增加而然而，燃料气的压力也随燃料气量的增加而 升高，当燃料气压力过高超过某一安全极限时，升高，当燃料气压力过高超过某一安全极限时， 会产生脱火现象。会产生脱火现象。一旦脱火现象发生，燃烧室内一旦脱火现象发生，燃烧室内 由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸 的危险。的危险。 正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽 压力的稳定。压力的稳定。 当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降，当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降， 为保证蒸汽压力不变，必须在增加供水量的同为保证蒸汽压力不变，必须在增加供水量的同 时，相应地增加

6、燃料气量。时，相应地增加燃料气量。 锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压 力的选择性控制系统，以防止脱火现象产生。力的选择性控制系统，以防止脱火现象产生。 第第8页页 过程控制系统过程控制系统 当燃料气压力恢复正常时，蒸汽压力控制器当燃料气压力恢复正常时，蒸汽压力控制器P1CP1C的输出的输出b b 又成为低信号，经自动切换，蒸汽压力控制系统重新恢又成为低信号，经自动切换，蒸汽压力控制系统重新恢 复运行。复运行。 从安全角度考虑，燃料气控制阀应为气开式。从安全角度考虑，燃料气控制阀应为气开式。 正常情况下，燃料气压力低于给定值，由于正常情况下，燃料气压力

7、低于给定值，由于P2CP2C是是 反作用，其输出反作用，其输出a a将是高信号，而蒸汽压力控制器将是高信号，而蒸汽压力控制器 P1CP1C的输出的输出b b则为低信号。此时，低选器选中则为低信号。此时，低选器选中b b信号信号 来控制阀来控制阀, ,使蒸汽压力满足工艺要求。使蒸汽压力满足工艺要求。 而当燃料气压力上升到超过脱火压力时，由于而当燃料气压力上升到超过脱火压力时，由于P2CP2C 是反作用，其输出是反作用，其输出a a将是低信号，将是低信号，a a被低选器选中，被低选器选中， 这样便取代了蒸汽压力控制器，防止脱火现象的发这样便取代了蒸汽压力控制器，防止脱火现象的发 生生, ,其结果是

8、控制阀的开度关小，阀后压力下降，起其结果是控制阀的开度关小，阀后压力下降，起 到自动保护的作用。到自动保护的作用。 第第9页页 过程控制系统过程控制系统 特点：特点： 多个变送器共用一个控制器，选择器位于控制多个变送器共用一个控制器，选择器位于控制 器之前，对变送器的输出信号进行选择。其用途主器之前，对变送器的输出信号进行选择。其用途主 要有两个要有两个: : 2 2）选择器位于控制器之前）选择器位于控制器之前 其二是为防仪表故障造成事故，对同一检测点采其二是为防仪表故障造成事故，对同一检测点采 用多个仪表测量，选出可靠的测量值，即冗余系统。用多个仪表测量，选出可靠的测量值，即冗余系统。 一是

9、选出几个检测变送信号的最高或最低信号用一是选出几个检测变送信号的最高或最低信号用 于控制，即竞争控制系统，于控制，即竞争控制系统， 第第10页页 过程控制系统过程控制系统 竞争控制系统竞争控制系统 冗余系统冗余系统 第第11页页 过程控制系统过程控制系统 一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一 个变量只在工艺上对其有一限值要求，只要不超个变量只在工艺上对其有一限值要求，只要不超 出该限值，就能保证生产的正常进行。因此，正出该限值，就能保证生产的正常进行。因此，正 常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续 控制。控

10、制。 一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事 故的发生，选择性控制系统将通过专门的装置故的发生，选择性控制系统将通过专门的装置 （电接点、信号器、切换器等）切断主要变量控（电接点、信号器、切换器等）切断主要变量控 制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到 该变量回到限值以内时，系统才自动重新恢复到该变量回到限值以内时，系统才自动重新恢复到 之前的连续控制。之前的连续控制。 2 2开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 这种控制系统一般有两个可供选择的变量。这种控制系统一般有两个可供选择的变量。 第第12页页 过

11、程控制系统过程控制系统 5 5）当选择高选器时，应考虑事故时的保护措施。）当选择高选器时，应考虑事故时的保护措施。 三、选择性控制系统的设计三、选择性控制系统的设计 1 1选择器的选型选择器的选型 在选择器具体选型时，根据生产处于不正常情况下，取在选择器具体选型时，根据生产处于不正常情况下，取 代控制器的输出信号为高或为低来确定选择器的类型。代控制器的输出信号为高或为低来确定选择器的类型。 步骤步骤: : 1 1）从安全角度考虑，确定控制阀的气开和气关类型；）从安全角度考虑，确定控制阀的气开和气关类型； 4 4）根据取代控制器的输出信号类型，确定选择器是高）根据取代控制器的输出信号类型，确定选

12、择器是高 选器还是低选器；选器还是低选器； 2 2）确定正常工况和取代工况时的对象特性，即放大）确定正常工况和取代工况时的对象特性，即放大 倍数的正、负；倍数的正、负； 3 3）确定正常控制器和取代控制器的正、反作用；）确定正常控制器和取代控制器的正、反作用； 第第13页页 过程控制系统过程控制系统 四、积分饱和及其防止四、积分饱和及其防止 3. 3.控制器的输入，即偏差信号一直存在。控制器的输入，即偏差信号一直存在。 产生积分饱和有三个条件产生积分饱和有三个条件: : 1. 1.控制器具有积分作用控制器具有积分作用； 2. 2.控制器处于开环工作状态，既其输出没有控制器处于开环工作状态，既其

13、输出没有 被送往控制阀；被送往控制阀； 在选择性控制系统中，总有一个控制器处于在选择性控制系统中，总有一个控制器处于 开环状态，若此控制器有积分作用，就会产生开环状态，若此控制器有积分作用，就会产生 积分饱和现象。积分饱和现象。 第第14页页 过程控制系统过程控制系统 采用外部信号作为控制器的积分反馈信号。采用外部信号作为控制器的积分反馈信号。 防止积分饱和防止积分饱和 1 1）限幅法用高低值限幅器，使控制器的输出信号）限幅法用高低值限幅器，使控制器的输出信号 被限制在工作区间内。被限制在工作区间内。 2 2）外反馈法）外反馈法 当控制器处于开环工作状态时，由于积分反当控制器处于开环工作状态时

14、，由于积分反 馈信号不是输出信号本身，就不会形成对偏馈信号不是输出信号本身，就不会形成对偏 差的积分作用，从而可以防止积分饱和问题差的积分作用，从而可以防止积分饱和问题 的出现。的出现。 第第15页页 过程控制系统过程控制系统 如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别 为为P1P1、P2P2，通过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制，通过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制 阀的信号又同时引回到两个控制器的积分环节。阀的信号又同时引回到两个控制器的积分环节。 第第16页页 过程控制系统过程控制系统 分程控制系统是将一个控制器的

15、输出分成若干段，分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干段， 由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一 个控制器对多个控制阀的控制。个控制器对多个控制阀的控制。 第二节第二节 分程控制系统分程控制系统 一、概述一、概述 前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的 输出只用来控制一个控制阀。输出只用来控制一个控制阀。 第第17页页 过程控制系统过程控制系统 如阀如阀A A在控制器的输出信号为在控制器的输出信号为0.020.020.06MPa0.06MPa范围内工作，范围内工作， 阀阀B B则在控制器输出信号为则

16、在控制器输出信号为0.060.060.1MPa0.1MPa范围内工作。范围内工作。 把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号 段分别控制两个控制阀段分别控制两个控制阀 第第18页页 过程控制系统过程控制系统 就控制阀的气开、气关形式可分为两类：就控制阀的气开、气关形式可分为两类： 一类是控制阀同向动作，即随着控制器输出信号的一类是控制阀同向动作，即随着控制器输出信号的 变化，控制阀均开大或关小，且两个阀同为气开式变化，控制阀均开大或关小，且两个阀同为气开式 或同为气关式。或同为气关式。 第第19页页 过程控制系统过程控制系统 另一类是控制阀异

17、向动作，即随着控制器输出信号的变另一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的变 化，控制阀中一个开大，另一个关小，且两个控制阀一个化，控制阀中一个开大，另一个关小，且两个控制阀一个 气开式，一个气关式。气开式，一个气关式。 分程控制中，控制阀同向或异向的选择，要根据工艺的分程控制中，控制阀同向或异向的选择，要根据工艺的 实际需要来确定。实际需要来确定。 第第20页页 过程控制系统过程控制系统 为实现分程控制，所使用的阀必须是带有阀门定位器的。通为实现分程控制，所使用的阀必须是带有阀门定位器的。通 过阀门定位器使阀接收调节器输出的不同信号段，在各自的过阀门定位器使阀接收调节器输出的不同信号段，

18、在各自的 信号段范围内走全行程。信号段范围内走全行程。 如要使一台调节器同时控制如要使一台调节器同时控制A A、B B两个调节阀，通过调阀门定两个调节阀，通过调阀门定 位器的零点和量程，使位器的零点和量程，使A A阀定位器在阀定位器在4 412mA12mA信号时，输出信号时，输出 0.020.020.06MPa0.06MPa信号控制信号控制A A阀走全行程，使阀走全行程，使B B阀定位器在阀定位器在1212 2020mAmA时，输出时，输出0.060.060.1MPa0.1MPa控制控制B B阀走全行程。阀走全行程。 m ax m in Q R Q 二、分程控制的应用场合二、分程控制的应用场合

19、 1 1扩大阀的可调范围，改善控制品质扩大阀的可调范围，改善控制品质 控制阀有一个重要指标是阀的可调比控制阀有一个重要指标是阀的可调比R R QminQmin阀能控制的最小流量阀能控制的最小流量 式中式中 QmaxQmax阀能控制的最大流量阀能控制的最大流量 第第21页页 过程控制系统过程控制系统 图中，若图中，若 maxmax 4100 AB QQ 且两阀的可调比相等且两阀的可调比相等 30 AB RR min 4 0.133 30 A Q maxmaxmax 104 AB QQQ 当大阀泄漏量可忽略时，采用分程控制后，当大阀泄漏量可忽略时，采用分程控制后， 最小流量为最小流量为 最大流量为

20、最大流量为 104 782 0.133 R 可调比将扩大到可调比将扩大到 第第22页页 过程控制系统过程控制系统 第第23页页 过程控制系统过程控制系统 2 2控制两种不同的介质，满足工艺的要求控制两种不同的介质，满足工艺的要求 某些间歇式某些间歇式 生产的化学生产的化学 反应过程反应过程 需需A A、B B两个控制阀分别控制冷水和蒸汽两种传热介质两个控制阀分别控制冷水和蒸汽两种传热介质 需设计一个分程控制系统，用调节器输出不同的信号段需设计一个分程控制系统，用调节器输出不同的信号段 来控制这两个阀，以满足工艺上需要冷却和加热的要求来控制这两个阀，以满足工艺上需要冷却和加热的要求 第第24页页

21、 过程控制系统过程控制系统 1 1）确定阀的类型）确定阀的类型 从安全的角度考虑，冷水阀从安全的角度考虑，冷水阀A A选择气关式，蒸汽阀选择气关式，蒸汽阀B B选择气选择气 开式开式? ? 2 2）确定分程区间）确定分程区间 该系统中，温度调节器应为反作用。该系统中，温度调节器应为反作用。 为节能，升温期间应关闭冷水阀，打开蒸汽阀；为节能，升温期间应关闭冷水阀，打开蒸汽阀； 当温度偏高需降温时，应先关小蒸汽再开大冷水。当温度偏高需降温时，应先关小蒸汽再开大冷水。 调节器反作用，即温度升高，其输出信号下降时（从调节器反作用，即温度升高，其输出信号下降时（从20204mA4mA），）， 先关小蒸汽

22、阀，再开大冷水阀先关小蒸汽阀，再开大冷水阀 第第25页页 过程控制系统过程控制系统 故蒸汽阀应在高信号区工作（故蒸汽阀应在高信号区工作（202012mA,0.0612mA,0.060.1MPa0.1MPa） 冷水阀应在低信号区工作（冷水阀应在低信号区工作（12124mA,4mA,0.020.020.06MPa0.06MPa） 一般同向分程动作是为了满足工艺上扩大可调比的要求；一般同向分程动作是为了满足工艺上扩大可调比的要求； 反向分程动作是为了满足工艺的特殊要求。反向分程动作是为了满足工艺的特殊要求。 第第26页页 过程控制系统过程控制系统 反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，调节器输反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，调节器输 出较大（大于出较大（大于0.06MPa0.06MPa），阀），阀A A关，阀关，阀B B开，此时通入蒸汽使开，此时通入蒸汽使 循环水加热，再通过夹套使反应物温度慢慢升高。循环水加热，再通过夹套使反应物温度慢慢升高。 当反应物温度达到反应温度时，当反