《生产过程自动化》-8

8.1选择性控制系统概述

1.硬保护措施(联锁保护控制系统)2.软保护措施3.选择性控制系统的应用返回8.2选择性控制系统的基本原理选择性控制系统是将工艺过程的操作条件所构成的选择性逻辑规律叠加到自动控制系统中。它的工作过程是当生产过程趋近于危险极限区，即还未进人危险区(称为安全软限)时，用一个取代调节器(也称为超弛调节器)自动取代正常工况下工作的调节器(称为正常调节器)，通过取代调节器的校正控制，使生产过程脱离危险区回到安全区，这个时候取代调节器便自动退出，变为开环状态(即备用等待状态)，而正常调节器又重新恢复工作。下一页返回8.2选择性控制系统的基本原理

这类系统工作过程有两个关键问题要解决，一是对工况的判断问题，二是两块调节器之间如何自动切换的问题。实际上选择性控制系统的运行是靠高值或低值选择器来实现的。选择器可以实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。高选器输出的是自身输人信号中的高信号，低选器输出的是自身输人信号中的低信号。高选器表示方法:用HS(HighSelector)或大于符号“>”表示，低选器表示方法:用LS(LowSelector)或小于符号“<”表示。它们的逻辑运算关系为:式中，为输人信号中第个输人;为输出信号上一页下一页返回8.2选择性控制系统的基本原理

选择性控制系统将逻辑控制与常规控制结合起来，增强厂系统的控制能力，可以完成非线性控制、安全控制、自动开停车等控制功能，它极大地丰富厂自动化内容和应用范围，很多生产过程中的实际控制问题也因此得以很好的解决。采用单元组合仪表、计算机控制系统都可以方便实现选择性控制。采用高值选择器时，要规定正常工况下和异常工况下参与控制的信号是高信号，生产上也称强信号，保证高选器工作时能及时实现控制信号的切换。选择器示意图如图8-1所示。假设X1是正常工况下参与控制的信号，且X1》X2，选择器的输出信号Y=X1。当出现不正常工况时，X2>X,，高选器的输出信号Y=X2;待工况恢复正常后，X2又下降到小于X1，此时Y=X1上一页下一页返回8.2选择性控制系统的基本原理上一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析1.选择器位于两个控制器和一个执行器之间图8-2为选择器接在两个控制器和一个执行器之间的框图。【例1】图8-3为工业生产中常见的氨冷器温度选择性控制系统的控制流程图。化工生产中液氨蒸发器有广泛应用。它实际是一个换热设备，利用液氨蒸发为气氨这一吸热过程来冷却其他物料，再将气氨作为被冷却物料(主物料)送到制冷压缩机进行液化，并经冷却水进一步冷却液化后重复使用。一般生产工艺要求有两点:一是保证被冷却物料的温度;二是为防止制冷压缩机损坏，严禁气氨中夹带液氨。当系统受到扰动影响，使传热能达到极限，即液位升高超过安全软限，液氨来不及蒸发就进人气氨管线，随即经传送进人冰机，将造成冰机叶轮损坏。为此，生产上一般采用设置氨冷器的液位报警系统，当液位超过极限高度(安全软限)时，发出报警声光信号，由操作员将温度控制器切人手动控制，或设置联锁系统自动切断液氨进料阀。图中被控变量有两个:一是氨冷器被换热物料的出口温度，二是氨冷器内的液位;操作变量是液氨流量。下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析正常工况下控制系统由温度测量变送器TT、温度调节器TC、低选器TY、控制阀、被控对象氨冷器组成。超过安全软限时控制系统由液位测量变送器LT、液位调节器LC、低选器TY,控制阀、被控对象氨冷器组成。图中可以看出选择性控制相当于两套控制系统。当干扰F2(s)作用使液位超过安全软限时，由液位控制器控制液氨进料量，以确保液位不越过安全软限。正常工况由温度控制器控制液氨进料量以确保氨冷器出口温度满足工艺指标。图中，选择器TY位于温度和液位控制器及执行器之间。图8-4为图8-3所示超驰控制系统方枢图。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析

图中，Gv(s)是选择器传递函数，它的输人是液位控制器传递函数Ge2(s)和温度控制器传递函数Ge1(s)的输出，它的输出连接执行器传递函数Gv(s)的输人端。Gd1(s)、Gd2(s)表示温度与液位控制系统各自受控对象特性。氨冷器超驰控制系统设计步骤如下。①从安全生产角度考虑选择控制阀的开、闭形式。为厂防止液氨带液进人氨压缩机后危及氨压缩机的安全，控制阀应选择气开或电开式，即Kv>0。这样一旦控制阀失去能源(即断气或断电时)，控制阀就处于关闭状态，不致使液位不断上升。②确定被控过程特性增益的正、负。选择性控制系统有两个被控变量，当控制阀开度增大，进人液氨量增加，液位升高，液位对象增益凡KD2>0当液位升高，温度下降，温度对象增益KD1<0③确定控制器的正、反作用形式。这里要确定两台控制器的正、反作用形式。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析由第一、第二步确定液位控制回路各环节增益的正、负号(Kv>0,KD2>o)，再根据负反馈准则Ke2KvKD2<0(通常Km2>0)，选Ke2<0,即液位控制器选反作用。对温度控制系统而言，被控对象氨冷器的输人变量是液氨流量，液氨流量增加或减少，被冷却物料出口温度则下降或升高，对象增益为负，即KD1<0，为保证负反馈，选择使Ke1KvKD2KD1<0，温控制器选正作用，即Ke1>o由于氨冷却器是使物料经过换热达到工艺要求的出口温度，物料出口温度是工艺的操作指标，因此温度控制器是正常情况下工作的，鉴于温度对象的容量滞后比较大，温度控制器应该选择PID控制规律。系统中液位控制器为非正常情况下工作控制器，为厂在液位上升到安全限度时，能迅速地投人工作，液位控制器应选比例控制，设置比例度要小，这样放大倍数大，系统矫正作用强。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析④确定选择器类型。依据在非正常工况下取代控制器输出信号是强信号还是弱信号，来确定选择高选器还是低选器。超过安全软限时应使液位控制器代替温度控制器工作。因为在正常情况下，氨冷器液位应小于液位上限值，液位控制器P1e输出的是高信号。系统进人非正常工况时，氨冷器液位大于液位上限值，液位控制器P1e输出的是低信号。由于液位控制器是非正常情况下工作的控制器，又由于它是反作用，为厂保证液位控制器输出信号这时能够被选中，选择器必须选低选器，以防事故的发生。因此，GY选用低选器。超驰控制系统和类似的控制系统结构也被用于生产过程的自动开车、停车或逻辑提量和逻辑减量的控制系统中。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析

图8-5是采用电磁阀组成的选择控制系统。当液位超限时，LT的上限接点接通，电阀通电，切断控制信号P的通路，将大气(即表压为0)通人气室，阀门关闭。当液位回降至某值，LT的上限接点断开，电磁三通阀失电，系统恢复为简单温度控制系统。电磁三通阀起选择器作用，安装在调节器与调节阀之间。正常工况时，三通阀将温度控制器来的控信号P送至气动控制阀的气室，系统与简单控制系统相同。当液位上升到一定位置时，液位变送器的上限接点接通，电磁阀通电，切断控制信号P的通路，将大气(即表压为0)通人气室，阀门关闭。当液位回降至一定位置时，液位变送器的上限接点断开，电磁三通阀失电，系统恢复为简单温度控制系统。电磁三通阀起选择器作用安装在调节器与调节阀之间。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析2.选择器位于几个检测变送环节与控制器之间(1)竞争控制系统控制系统选择儿个检测变送信号的最高或最低信号用于控制。

【例2]竞争控制系统示例。图8-6为反应器温度控制系统，反应器内装有固定触媒层，为防止反应温度过高而烧坏触媒，在触媒层的不同位置安装温度检测点，温度对象具有分布参数特性，将所有测温信号一起送到高选器，选出最高的温度信号进行控制，以保证触媒层的安全。图中，TT-1,TT-2,TT-3是三个温度检测变送器。图示系统的被控变量是反应器温度，控制变量是载热体流量。测量信号是反应器内各敏感点温度，将三个变送器的输出送高选器TY，将输人信号的高者作为选择器的输出值，这三个温度信号经竞争得到出线权，因此，称为竟争控制系统。通过竟争，可保证反应器温度不超限。上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析(2)冗余系统为防止仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选择性控制系统选择测量信号的中间值或多数值作为该检测点的测量值，这类系统称为冗余系统。图8-7为选择中间值的连接图，在计算机控制系统中也可调用有关功能模块直接获得所需数值。图中AT1,AT2,AT3是对同一成分检测点的三块测量变送仪表。AY1,AY4是高值选择器;AY2,AY3低值选择器。四个选择器分别完成三个变量的两两相比。当信号A1>A3>A2时，首先是AY1比较A1与A2，选A1;其次是AY2比较A2与A1，选A2;再次AY3比较A3与A1，选A3;最后AY4比较A3与A2，选中间值A3。当A1>A2>A3时，第一次比较后AY1选A1;第二次比较后AY2选A2;第三次比较后AY3选A3;第四次比较后AY4选中间值A2。当A2>A1>A3时，第一次比较后AY1选A2;第二次比较后AY2选A1;第三次比较后AY3选A3;第四次rf后AY4选中间值A1上一页下一页返回8.3选择性控制系统的基本结构和性能分析3.利用选择器实现非线性控制利用选择器对信号进行限幅，实现非线性函数关系。【例3】图8-8所示是精馏塔进料量对加热量的前馈控制系统。精馏塔的约束条件是防止漏液和液泛。即加热量不允许太少，太少会造成漏液;加热量也不允许过多，过多会造成液泛。为此，加人高、低限幅器(用高选器和低选器实现)组成非线性控制。图中H表示蒸汽流量的最高约束值，高于此值产生液泛。L表示蒸汽流量的最低约束值，低于此值产生漏液。FY表示前馈控制器。当进料流量F值增加，且进料F>L，前馈控制器FY输出信号也增加，高选器FY1选前馈控制器输出，又因为最高约束值H大于高选器FY1输出信号(即前馈控制器FY输出信号)，低选器FY2选高选器FY1输出信号作为流量调节器FC给定值，流量控制器FC输出使蒸汽流量增加;当进料流量F值增加到大于最高约束值H时，低选器FY2选H作为FC给定值，从而限制蒸汽流量进一步增加，防止厂精馏塔的液泛发生。当进料流量F小于最低约束值L,L<H,FY2选L作为FC给定，防止因蒸汽流量太少精馏塔的漏液发生。上一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合1.选择性控制系统与比值控制系统的结合(1)具有逻辑规律的选择一比值控制系统(2)从动量供应不足时的比值控制系统下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合【例4]合成氨一段转化炉是具有逻辑提量和减量规律的比值控制系统。合成氨一段转化炉内水蒸气和天然气(石脑油)反应生成氢气和一氧化碳，反应方程分两步:

该反应是强烈放热反应。蒸汽和天然气的配比称为水碳比。它是重要的控制指标。水碳比过高，蒸汽消耗量过大，不经济;水碳比过低，催化剂表面会出现析碳现象，损坏催化剂。采用以蒸汽为主动量，天然气为从动量的双闭环比值控制系统。对控制系统的要求是:提量时，先提蒸汽量，后提天然气流量;减量时，先减天然气流量，后减蒸汽量。控制日的是确保水碳比不低于工艺限制值，不出现析碳现象，同时能够降低蒸汽消耗量，有利于节能。图8-9所示为具有逻辑提量和减量规律的比值控制系统的结构。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合

图中，FY-3是比值函数环节(乘法器)，由于仪表比值系数大于1，因此将其设置在从动量回路;FY-1和FY-2是高选器和低选器;SP是提量和减量的设定信号。提量时，SP增大，高选器选中SP将其输出作为蒸汽控制器设定值，控制信号打开蒸汽控制阀使蒸汽量先增加，经FT1检测后的信号被低选器选中，逐渐增大天然气控制器的设定值，使天然气流量跟随蒸汽流量按所需比值增大，达到厂提量时先提蒸汽量，后提天然气流量的控制日的。减量时，SP减小，低选器输出选中SP，使天然气控制器FC2设定值减小，控制信号使天然气流量减小，经FT2检测后送乘法器输出有比值关系的信号，再被高选器选中，并随着该信号的逐渐减小，控制器FC1使蒸汽流量相应减小，达到减量时先减天然气流量，后减蒸汽量的控制目的上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合【例5】从动量供应不足时的比值控制系统。该控制系统在从动量供应充足时，从动量按正常比值关系跟随主动量变化而变化。从动量供应不足时，减小主动量控制阀开度，使主、从动量保持所需比值关系。该控制系统判别从动量流量不足的方法是根据从动量控制阀Vb、Vc的开度(即VPC控制器的测量值)。如果开度大于95%>(95%是VPC的设定值)，则VPC输出减小，并且被低选器选中，控制器将命令关小主动量控制阀Va，随着主动量控制阀的关小，主动量流量Fa,下降，按比值关系自动减小从动量控制器的设定值，使从动量也随之减小，达到从动量供应不足时，自动减小主动量流量的控制目的。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合

图8-10是该控制系统的示意图。图中，VPC是阀位控制器，其设定值为95%;FY一1是低选器，FY-2是高选器;FY-b和FY-c是乘法器比值函数环节，比值分别为Kb和Kc;FT-a,FT-b和FT-c为流量检测变送器;FC-a,FC-b,FC-c为流量控制器;Va,Vb、Vc是控制阀。主动量流量是Fa，两从动量分别是Fb,Fc。从动量控制阀的信号经FY-2选出高值，作为从主动量不足的标志，送至VPC作为测量信号。与超驰控制系统相同，为厂防止积分饱和，采用积分外反馈信号，即图中低选器FY-1输出到两个控制器VPC与FC-a的实线信号。当从动量供应正常时，VPC的测量值下降，输出升高，主动量控制器FC-a输出被中，该控制器成为正常控制器，实现主动量的定值控制。当从动量供应不正常时，VPC作为主控制器实现主动量的95%定值控制。正常工况下，如果主动量不组成闭环，只需要将FC-a取消，低选器另一输人信号改为Va开度的上限值即可。这时，正常工况下Va全开，主动量不足时，按该上限值开度开阀上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合2.选择性控制系统与分程控制系统结合【例6】蒸汽减压控制系统。图8-11是合成氨装置使用的蒸汽减压控制系统示意图。图8-12是该选择性分程控制系统的方块图。当高压蒸汽压力正常时，通过蒸汽透平回收能量。当高压和中压蒸汽压力不正常时，通过大、小两个控制阀进行分程控制。高压管网的蒸汽压力高时，高选器PY(方块图中用GY(s)表示)选择Ge1的输出信号进行分程控制;中压管网的蒸汽压力低时，高选器GY选择Ge2的输出信号进行分程控制。控制系统的设计步骤如下。

上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合①从安全生产角度考虑，不要使高压蒸汽未经减压就直接进人中压管网，控制阀V1与V2选用气开型。②阀门打开高压管网压力下降，该对象增益KD2<0，选PHC控制器为正作用，KPHC>0阀门打开，中压管网压力上升，该对象增益KD1>0，选PLC控制器为反作用，即KPLC>0③事故工况，高压管网压力高时，PHC输出升高，因此，应选用高选器。同样，中压管网压力低时，反作用的PLC输出升高，也应选高选器。即选择器GY选用高选器。④经高选器后的输出信号先开小阀V2(小阀工作在低信号段4一12mA或0.02~0.06MPa)，后开大阀V1(大阀工作在高信号段12~20mA或0.06~0.1MPa}，进行分程控制。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合3.补充燃料的选择性控制系统【例7】加热炉燃料的选择性系统，如图8-13所示。加热炉燃料有低价燃料A和补充燃料B，最大供应量对应仪表信号分别为FAmax和FBmax，温度控制器TC的输出信号用m表示。低价燃料A足够时，组成以温度为主被控变量、低价燃料量为副被控变量的串级控制系统，通过改变调节阀VA的开度控制温度。当低价燃料A不足时，控制阀VA全开，低价燃料量达到FAmax

，组成以温度为主被控变量，补充燃料量为副被控变量的串级控制系统，通过改变调节阀VB的开度来控制温度。图中，FY一A,FY一B,FY一C是乘法器;FY一D是加法器;LY是低选器;FC一A和FC一B是控制器;FT一A和FT一B是变送器。控制器输出与两个燃料流量的关系:低信号段A阀逐步打开直至全开，当燃料仍不够B阀再逐步打开。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合【例8】压缩机的连续型选择性控制系统如图8-14所示。连续型选择性控制系统是指在当取代作用发生后，控制阀并不是立即全开或全关，而是在阀门原有开度基础上继续进行控制，因此，对调节阀而言控制作用是连续的。在该系统中，工艺要求控制压缩机出口压力D2恒定，当工况不正常时，要防止压缩机人口压力的D1于下限压力PIL，否则将会产生气体阻滞，引起喘振而损坏压缩机。当工况正常时，由调节器Pz}.来控制，使压缩机出口压力}2}巨定。当工况不正常，即压缩机人口压力PI}PIL时，由PIC.来控制压缩机出口压力。这里采用一个低值选择器PY装在两个调节器PIC,PZC和调节阀之间。当工况不正常时，假如人口压力PI偏低，会引起出口压力变低而将阀开大，使人口压力更低，这样将会出现压力PI}PIL而进人危险区。由于取代调节器PIC.用PIL作为设定值，当PI}PIL时，正作用的取代调节器PIC.输出减小，当输出小于反作用的正常调节器Pz}.的输出时，低值选择器就选中P}}.的输出去控制阀门，使气开阀门关小，这样就会P!上升，防止出现危险。当Pi>PiL时，P}C输出增大，选择器选择PzC的输出去控制阀门开度，恢复正常工作，P}C自动退出控制又处于待命状态。这个例子也是由选择器来选择一个调节器工作，操纵变量只有一个，而被控变量有两个，由低值选择器(}Y在两个被控变量之间选择一个。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合【例9]在一个控制系统中同时使用开关型与连续型选择性控制，即混合型选择型控制系统。如图8-15所示。锅炉的燃烧系统中，正常情况下，燃料气量是根据蒸汽出口压力来调整的。但有两种非正常工况可能出现:一是燃料气压力过高，产生“脱火”现象，燃烧室中火焰熄灭，大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室内，烟囱冒黑烟，并易产生爆炸危险。因此，应采取措施，使燃料气压力不致过高。二是燃料气压力也不能过低，太低的燃料气压力有“回火”的危险，导致燃料气储罐燃烧和爆炸，也需要采取措施，使燃料气压力不过低。结合这两种非正常工况的需要，设计厂混合型选择性系统。正常工况是通过蒸汽压力调节燃料气，例如当ρ1升高，压力控制器输出a下降，低值选择器PY输出d下降，控制阀关小，汽包内压力ρ1就会下降。当燃气压力ρ3下降，控制器P3C下限节点接通电磁阀得电，阀膜头通大气阀关闭，防止回火;当ρ3上升，会导致ρ2上升，控制器P2C输出b下降，低值选择器PY输出d等于b,调节的结果使ρ2下降，防止脱火。上一页下一页返回8.4选择性控制系统与其他控制系统的结合正常工况时，蒸气压力ρ1上升，a下降，d下降，阀门关小，燃料气流量减小，使ρ1下降，实现控制。当ρ2上升至有“脱火”危险