第六章选择性控制

1、第六章第六章 选择性控制选择性控制 在某些大型工艺生产过程中，除了要在某些大型工艺生产过程中，除了要求控制系统求控制系统在生产处于正常运行情况下，在生产处于正常运行情况下，能够克服外界干扰能够克服外界干扰，维持生产的平稳运行，维持生产的平稳运行外，外，当生产操作达到安全极限时，控制系当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能采取相应的保护统应有一种应变能力，能采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况。到正常情况。 当生产操作达到安全极限时，当生产操作达到安全极限时，有声、光警报产生有声、光警报产生。此时，由操作工将控制器此时，

2、由操作工将控制器切换到手动切换到手动，进行手动操作，进行手动操作处理，或通过专门设置的处理，或通过专门设置的连锁保护线路实现自动停车连锁保护线路实现自动停车 通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生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情况时，既不使设备停车又起到产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。对生产进行自动保护的目的。 选 择 性 控 制 系 统 也 叫选 择 性 控 制 系 统 也 叫 超 驰 控 制超 驰 控 制（Override ControlOverride Control），取代控制、和保护），取代控制、和保护控制等。

3、其控制思想为控制等。其控制思想为当生产操作趋向限制当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止。为止。 选择性控制系统设有两个控制器（或多选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）由选择器选择出能适应生产安全个变送器）由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。制。要构成选择性控制，生产操作要构成选择性控制，生产操作必须要具有

4、必须要具有一定选择性的逻辑关系。一定选择性的逻辑关系。 选择性控制的实现则需要靠具有选择功能选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的的自动选择器（高值选择器或低值选择器）自动选择器（高值选择器或低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带电接点的控或有关的切换装置（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成制器或测量仪表）来完成。说明说明 “选择性控制系统选择性控制系统”的的受控变量受控变量往往包括：往往包括：v一个常规受控变量一个常规受控变量，需要进行定值控制；，需要进行定值控制；v一个区间约束变量一个区间约束变量，正常工况下无需控制，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，但一

5、旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。以防止事故的发生。 “ “选择性控制系统选择性控制系统”的的操作变量操作变量往往往往只有一个，因此，控制系统需要随时针对实只有一个，因此，控制系统需要随时针对实际情况，选择某一个受控变量加以控制。际情况，选择某一个受控变量加以控制。根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为三类：三类：开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统：由限位信号切断控：由限位信号切断控制器输出；制器输出；连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统：由限位信号切换为：由限位信号切换为另一个控制器输出给执行器；另一个控制器输出给执行器；

6、混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统：采用两个限制信号，：采用两个限制信号，同时进行上述两种控制。同时进行上述两种控制。变量变量控制控制开关型选择性开关型选择性控制系统一般控制系统一般都用做都用做系统的系统的限值保护限值保护。图图6-16-1丙烯冷却器的两种控制方案丙烯冷却器的两种控制方案 当裂解气温度过高或负荷量过大时，控制阀将当裂解气温度过高或负荷量过大时，控制阀将要大幅度地被打开。当冷却器中的列管全部为液态要大幅度地被打开。当冷却器中的列管全部为液态丙烯所淹没，而裂解气出口温度仍然降不到希望的丙烯所淹没，而裂解气出口温度仍然降不到希望的温度时，就不能再一味地使控制阀开度继续增加了。温

7、度时，就不能再一味地使控制阀开度继续增加了。 注意注意 方案（方案（b）是在方案（）是在方案（a）的基础上增）的基础上增加了一个加了一个带上限接点的液位变送器带上限接点的液位变送器（或报警（或报警器）和一个连接于温度控制器器）和一个连接于温度控制器TC与执行器与执行器之间的之间的电磁三通阀电磁三通阀。图图6-16-1（a a）所示的方案实际上是通过改变换热）所示的方案实际上是通过改变换热面积的方法来达到控制温度的目的。面积的方法来达到控制温度的目的。 带上限接点的液位控制器（上限设在带上限接点的液位控制器（上限设在75%75%左右）、气左右）、气动控制管路上的电磁三通阀动控制管路上的电磁三通阀

8、 正常情况下（液位低于正常情况下（液位低于75%75%），接点断开（常开），），接点断开（常开），电磁阀通（电关阀），温度控制。电磁阀通（电关阀），温度控制。 液位高于液位高于75%75%，接点闭合，切断温度控制器的输出，接点闭合，切断温度控制器的输出，控制阀气动管线与大气通，阀关闭，切断液丙烯进料。控制阀气动管线与大气通，阀关闭，切断液丙烯进料。图图6-2开关型选择性控制系统方块图开关型选择性控制系统方块图图中的方块图中的方块“开关开关”实际上是一只电磁实际上是一只电磁三通阀，可以根据液位的不同情况分别让执三通阀，可以根据液位的不同情况分别让执行器接通温度控制器或接通大气。行器接通温度控制器

9、或接通大气。 图图6-3 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统信号器的信号关系是：信号器的信号关系是：当液位低于当液位低于7575时，输出时，输出p2；当液位达到当液位达到7575时，时，p20.1MPa。切换器的信号关系是：切换器的信号关系是：当当p2时，时，pypx；当当p20.1MPa时，时，py。特点特点当取代作用发生后，当取代作用发生后，控制阀不是立即全控制阀不是立即全开或全关，而是在阀门原来的开度基础开或全关，而是在阀门原来的开度基础上继续进行连续控制。上继续进行连续控制。 一般具有一般具有两台控制器两台控制器，它们的输出通过，它们的输出通过一台一台选择器选择器（高选器或低选器

10、）后，送往控制阀。（高选器或低选器）后，送往控制阀。 这两台控制器，一台在这两台控制器，一台在正常情况正常情况下工作，另下工作，另一台在一台在非正常情况非正常情况下工作。下工作。举例举例大型合成氨工厂的蒸汽锅炉大型合成氨工厂的蒸汽锅炉图图6-4 辅助锅炉压力取代控制系辅助锅炉压力取代控制系统统 若两控制器都为反作用若两控制器都为反作用控制器，控制器， P2C为为非正常工作非正常工作情况下的窄比例控制器，其情况下的窄比例控制器，其比例放大倍数很大。比例放大倍数很大。 正常正常情况下，燃料气压力低于产情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力，生脱火的压力，P2C感受到感受到的是负偏差，因此它的输出的是

11、负偏差，因此它的输出呈现为高信号，而呈现为高信号，而P1C的输的输出出信信号呈现为低信号，因此号呈现为低信号，因此用低选器用低选器LS来选择来选择P1C的输的输出送往控制阀。出送往控制阀。 正常情况下，根据产正常情况下，根据产生的蒸汽压力来控制燃料生的蒸汽压力来控制燃料气量。当所需蒸汽量增加气量。当所需蒸汽量增加时，蒸汽压力下降，为了时，蒸汽压力下降，为了维持压力设定值，应相应维持压力设定值，应相应的增加燃料气量。当蒸汽的增加燃料气量。当蒸汽量减少时，也应相应减小量减少时，也应相应减小燃料气量，否则会出现脱燃料气量，否则会出现脱火现象（燃料气压力过高，火现象（燃料气压力过高，将燃烧喷嘴的火焰吹

12、灭）将燃烧喷嘴的火焰吹灭） 当燃料气压力超过给定当燃料气压力超过给定值时，通过低选器系统切换值时，通过低选器系统切换为燃料气压力控制，蒸汽压为燃料气压力控制，蒸汽压力的控制质量将会明显下降，力的控制质量将会明显下降，但这是为了防止事故发生所但这是为了防止事故发生所采取的必要的应急措施，这采取的必要的应急措施，这时的蒸汽压力控制系统实际时的蒸汽压力控制系统实际上停止了工作，被属于非正上停止了工作，被属于非正常控制的燃料气压力控制系常控制的燃料气压力控制系统所取代。统所取代。正常正常P PA A P PB B P PY Y= P= PA A异常异常P PA A P PB B P PY Y= P=

13、PB B图图6-5 蒸汽压力与燃料气压力选择性蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图控制系统方块图 在这种混合型选择性控制系统中，既包含在这种混合型选择性控制系统中，既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的内容。内容。 当当燃料气压力不足时燃料气压力不足时，燃料气管线的压力，燃料气管线的压力就有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险就有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的的回火现象回火现象，危及燃料气罐使之发生燃烧和爆，危及燃料气罐使之发生燃烧和爆炸。炸。图图6-6混合型选择性控制方案混合型选择性控制方案 增 加 了 一增 加 了 一个带下限节点

14、个带下限节点的压力控制器的压力控制器P P3 3C C和一台电磁和一台电磁三通阀。三通阀。 一旦燃料气压力下降到极限值时，下限节点接通，电磁阀一旦燃料气压力下降到极限值时，下限节点接通，电磁阀通电，切断了低选器通电，切断了低选器LS送往执行器的信号，使控制阀膜头与大送往执行器的信号，使控制阀膜头与大气相通，膜头内压力迅速下降到零，于是控制阀将关闭，回火气相通，膜头内压力迅速下降到零，于是控制阀将关闭，回火事故将不致发生。当燃料气压力上升达到正常时，下限节点断事故将不致发生。当燃料气压力上升达到正常时，下限节点断开，电磁阀中失电，低选器的输出又被送往执行器。开，电磁阀中失电，低选器的输出又被送往

15、执行器。v选择性控制选择性控制系统设计步骤系统设计步骤如下：如下： 从安全角度考虑，选择控制阀的气开和气关类型；从安全角度考虑，选择控制阀的气开和气关类型；分析被控对象的特性，分析被控对象的特性，应包括正常工况和非正常工应包括正常工况和非正常工况时的对象特性；况时的对象特性；根据根据对象特性和控制要求选择控对象特性和控制要求选择控制器的控制规律；制器的控制规律；确定正常控制器和非正常工况的控制器的正反作用确定正常控制器和非正常工况的控制器的正反作用方式；方式；根据根据控制器控制器的正反作用及选择性目的，确定选择器的正反作用及选择性目的，确定选择器的类型。的类型。控制器、选择器的选择控制器、选择

16、器的选择选择性控制系统的控制要求是选择性控制系统的控制要求是超过安全软限时能够超过安全软限时能够迅速切换到非正常工况的控制器迅速切换到非正常工况的控制器。因此，非正常工。因此，非正常工况的控制器应选择况的控制器应选择比例放大倍数很大的比例或比例比例放大倍数很大的比例或比例积分控制器积分控制器；正常控制器与单回路控制系统的控制；正常控制器与单回路控制系统的控制器选择相同，一般选择器选择相同，一般选择PI控制器，对于对象滞后时控制器，对于对象滞后时间较大的系统可选择间较大的系统可选择PID控制器。控制器。两个两个控制器的正反作用均可根据负反馈准则控制器的正反作用均可根据负反馈准则，进行，进行选择，

17、与单回路系统中的确定方法相同。选择，与单回路系统中的确定方法相同。选择器选择器的类型可以根据约束变量超过安全极限时，的类型可以根据约束变量超过安全极限时，非正常情况下工作的非正常情况下工作的控制器输出信号的高或低（取控制器输出信号的高或低（取决于选择性约束条件及控制器的正反作用），确定决于选择性约束条件及控制器的正反作用），确定选择器是高选器还是低选器。选择器是高选器还是低选器。举例举例TC气氨气开阀液氨LSTspLspLCTC气氨气开阀液氨待冷却物料在正常工况下，控制阀由温度控制器在正常工况下，控制阀由温度控制器TCTC的输出来控制，这样可以的输出来控制，这样可以保证被冷却物料的温度为设定值

18、。但是，蒸发器需要有足够汽化保证被冷却物料的温度为设定值。但是，蒸发器需要有足够汽化空间，来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设空间，来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设计了液面超驰控制系统。在液面达到高限的工况，此时，即便被计了液面超驰控制系统。在液面达到高限的工况，此时，即便被冷却物料的温度高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制冷却物料的温度高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器器LCLC取代温度控制器取代温度控制器TCTC进行控制。这样，既保证了必要的汽化空进行控制。这样，既保证了必要的汽化空间又保证了设备安全。间又保证了设备安全。液氨蒸发器是一个换热

19、设备，液氨蒸发器是一个换热设备，在工业生产上用得很多。液氨在工业生产上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化的汽化，需要吸收大量的汽化热，因此，它可以常用来冷却热，因此，它可以常用来冷却流经管内的被冷却物料。流经管内的被冷却物料。v为了防止液氨带液进入为了防止液氨带液进入氨压缩机后危及压缩机氨压缩机后危及压缩机的安全，控制阀应选择的安全，控制阀应选择气开气开型。型。TC气氨气开阀液氨LSTspLspLCv物料的出口温度是工艺的操作指标，温度控制器物料的出口温度是工艺的操作指标，温度控制器是正常情况下的控制器，由于温度对象的容量滞是正常情况下的控制器，由于温度对象的容量滞后比较大，所以温度控制

20、器可以选择后比较大，所以温度控制器可以选择PIDPID控制规控制规律律。液位控制器为非正常工况控制器，应选。液位控制器为非正常工况控制器，应选窄比窄比例式例式的。的。v本系统中，当液氨的本系统中，当液氨的流量增大时，物料出流量增大时，物料出口温度会下降，故温口温度会下降，故温度对象的增益为度对象的增益为“负负”，根据负反馈，根据负反馈准则，准则，温度控制器温度控制器增增益为益为“正正”，应选，应选正正作用作用。由于液氨流量。由于液氨流量增大，液位上升，故增大，液位上升，故液位控制器为反作用液位控制器为反作用控制器。控制器。TC气氨气开阀液氨LSTspLspLCv综上所述，在正常情况下，液位低于

21、上限值，液位综上所述，在正常情况下，液位低于上限值，液位控制器的的输入为负偏差，则其输出为高信号。一控制器的的输入为负偏差，则其输出为高信号。一旦液位高于上限值，液位控制器输出迅速变为低信旦液位高于上限值，液位控制器输出迅速变为低信号，为保证液位控制器输出信号这时能被选中，选号，为保证液位控制器输出信号这时能被选中，选择器应为择器应为低选器低选器。 一个一个具有积分作用具有积分作用的控制器，处于的控制器，处于开环开环工作状态工作状态时，如果时，如果偏差输入信号一直存在偏差输入信号一直存在，那，那么，由于积分作用的结果，将使么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出控制器的输出不断增加或减小不断增加或减小，一直，一直达到输出的极限值达到输出的极限值为止，为止，该现象称为该现象称为“积分饱和积分饱和”。其一是控制器具有积分作用；其一是控制器具有积分作用；其二是控制器处于开环工作状态，其输出没其二是控制器处于开环工作状态，其输出没 有被送往执行器；有被送往执行器；其三是控制器的输入偏差信号长期存在。其三是控制器的输入偏差信号长期存在。 气动控制器气动控制器 0.020.1Mpa 0 0.14Mpa0.020.1Mpa 0 0.14Mpa 当控制器处于积分饱和状态时，它的输出当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限