典型过程控制系统应用PPT课件

1、1,第6章 典型过程控制系统应用方案,2,6.1 自控工程设计的任务、方法步骤,一、自控工程设计的基本任务 负责工艺生产装置与公用工程、辅助工程系统的控制设计，检阅仪表、在线分析仪表、控制和管理计算机等系统的设计，以及有关的程序控制、信号报警和联锁系统的设计。此外还需考虑自控所用的辅助设备及附件、电气设备材料、安装材料的选型设计；自控的安全技术措施和防干扰、安全设施的设计；以及控制室、仪表车间与分析器室的设计。,3,二、自控工程设计阶段的工作分为六个方面 (1)根据工艺专业提出的监控条件绘制工艺控制图(PCD)； (2)配合系统专业绘制各版管道仪表流程图(P&ID)； (3)征集研究用户对P&

2、ID及仪表设计规定的意见； (4)编制仪表采购单，配合采购部门开展仪表和材料的采购工作； (5)确定仪表制造商的有关图纸按仪表制造商返回的技术文件，提交仪表接口条件，并开展有关设计工作： (6)编(绘)制最终自控工程设计文件。,4,三、自控工程设计的八项任务 (1)负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、报警、联锁/停车和监控/管理计算机系统的设计； (2)负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计； (3)负责检测仪表和控制系统的安装设计； (4)负责DCS、PLC、ESD和上位计算机(监控、管理)的系统配置、功能要求和设备选型；并负责或参加软件的编制工作； (5)负责

3、现场仪表的环境防护措施的设计； (6)接受工艺、系统和其他主导专业的设计条件，提出设备、管道、电气、土建、暖通和给排水等专业的设计条件； (7)负责控制室、分析器室以及仪表车间的设计； (8)负责工厂生产过程计量系统的设计。,5,四、国际通用设计体制 化工装置自控工程设计规定 (HG/T2063620639) 化工装置自控工程设计规定是把自控专业工程设计阶段应完成的工作，所需涉及列的设计程序、设计方法、设计内容、设计管理等方面规定，以及工程设计所需用的图表、标准规范而综合编制成的行业标准。 本设计标准适用于化工、石油化工、石油、轻纺、国防等行业的自控专业工程设计。,6,包括4项化工行业标推，共

4、含22个分规定 1自控专业设计管理规定(HGT20636)(含10个分规定) (1)“自控专业的职责范围” (HGT20636.1)： (2)“自控专业与工艺、系统专业的设计条件关系” (.2) (3)“自控专业与管道专业的设计分工” (.3)； (4)“自控专业与电气专业的设计分工” (.4)： (5)“自控专业与电信、机泵及安全(消防)专业的设计分工（.5） (6)“自控专业工程设计的任务” (.6)； (7)“自控专业工程设计的程序” (.7)： (8)“自控专业工程设计质量保证程序” (.8)： (9)“自控专业工程设计文件的校审提要” (.9)； (10)“自控专业工程设计文件的控制

5、程序” (.10)。,7,2、自控专业工程设计文件的编制规定(HGT20637) (含8个分规定) (1)“自控专业工程设计文件的组成和编制”(.1)； (2)“自控专业工程设计用图形符号和文字代号”(.2)； (3)“仪表设计规定的编制”(.3)； (4)“仪表施工安装要求的编制”(.4)； (5)“仪表采购单的编制”(.5)： (6)“仪表技术说明书的编制”(.6)； (7)“仪表安装材料的统计“(.7)： (8)(仪表辅助设备及电缆、管缆的编号)(.8) 3、自控专业工程设计文件深度的规定(HGT20638) 4、自控专业工程设计用典型图表及标准目录(HGT20639) (1)“自控专业

6、工程设计用典型表格”(HGT20639.1)： (2)“自控专业工程设计用典型条件表”(.2)； (3)“自控专业工程设计用标准目录”(.3)。,8,五、自控工程设计阶段划分及内容 国际通用设计体制的工程设计分为两个阶段：基础工程设计阶段和详细工程设计阶段 基础工程设计阶段编制四版： (1)初版（简称“A”版）； (2)内部审查版（简称“B”版） (3)用户审查版（简称“C”版） (4)确认版（简称“D”版） 详细工程设计阶段编制三版， (1)详1版（或称研究版，简称“E”版） (2)详2版（或称设计版，简称“F”版） (3)施工版（简称“G版”）,9,1基础工程设计阶段 在基础工程设计阶段主

7、要的设计工作有以下几条： (1)设计开工前的技术准备； (2)编制仪表设计规定； (3)编制设计计划； (4)绘制工艺控制图，参加工艺方案审查会； (5)配合系统专业完成P&ID A版、B版，参加B版内审会； (6)接受和提交设计条件； (7)配合系统专业完成P&ID C版、D版 (8)提出分包项目设计要求； (9)编制工程设计文件。,10,2、详细工程设计阶段 在详细工程设计阶段，主要完成下列工作： (1)提交仪表连接、安装设计条件； (2)接受管道平面图和分包方技术文件； (3)配合系统专业完成P&ID E版、F版、G版； (4)完成工程设计文件。,11,六、自控工程设计的方法 1、熟悉工

8、艺流程； 2、确定自控方案，完成工艺控制流程图(PCD)，并配合工艺系统专业完成各版管道仪表流程图(P&ID) 3、仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件； 4、控制室设计； 5、节流装置和调节阀的计算； 6、仪表供电、供气系统的设计； 7、依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件； 8根据自控专业有关酌其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件； 9设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件。,12,七、自控设计体系表 (基础标准 ；通用标准 ；专用标准) 1、基础标准(名词术语9个；图例、符号、制图 3个),13,(2) 图例、符号、制图,14,2、通用标准（工程设计15

9、个；自动化仪表 50个）,15,16,3、专用标准 (工程设计 47个),17,八、自动化辅助设计系统/软件 (1)中国石化/化工自动化辅助设计系统CCAS软件 包括设计标准库、设计文档库、仪表图文库、仪表选型库、安装材料库、设计计算库、回路图库等8大库及系统维护模块。 (2)自控专业计算机辅助工程设计软件包WINPCCAD (3)美国鹰图公司的Intools软件 该软件已经成为国际仪表工程设计的标准软件，国内石化、化工、油田、海洋、电力等行业的部分设计院（工程公司）已经引进Intools软件。 (4)自动化仪表工程设计数据库 (5)仪表自控安装工程图（Hook-up）管理系统,18,九、典型

10、生产过程的控制要求,19,单元操作的基本任务,安全操作 联锁保护，各种软保护（超驰控制、设备压力温度控制、最小/最大流量控制等） 平稳操作 液面控制（或称物料平衡控制），重要操作参数控制等 质量控制 直接/间接质量控制，如成分控制/灵敏板温度控制等,20,6.2 换热设备的控制,一、引 言 二、热交换过程的静态特性 三、换热设备的控制 四、加热炉的控制 五、锅炉设备的控制,21,一、引 言,许多工业过程如蒸馏、蒸发、干燥、结晶和化学反应器等均需要根据具体的工艺要求，对物料进行加热或冷却，即冷热流体进行热量交换，以维持一定温度。例子：氮肥生产的变换工段：,22,冷热流体进行热量交换的形式有两大类

11、：一类是无相变情况下的加热或冷却；另一类是相变情况下的加热或冷却。实际的传热过程常常由热传导、对流换热和热辐射中两种或三种方式综合而成。 热交换过程与反应过程的对象特性比较复杂，迟后时间特性相当明显，而且不同的对象在控制方式与调节品质方面有很大差异。如裂解炉、烧结炉要求恒温控制，而硫化炉与热处理炉要求按一定的温度时间程序进行控制，电炉加热过程控制的是电热丝的通断时间，反应釜控制的是两种调节介质(热与冷)的气动阀门，常采用分程调节 因此，对一个自动化系统设计者来说，了解这些被控对象、不同控制要求、不同形式执行器组成系统的方法及其仪表参数设置是相当重要的。,23,换热设备简况,24,化工过程的洋葱

12、模型结构,25,二、无相变热交换过程的静态特性,问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2分别为相应介质的比热。 T1o为被控变量。,26,热交换过程的热量平衡方程 假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即 被加热物料得到的热量/单位时间 = 载热体放出的热量/单位时间,27,热交换过程的传热速率方程,K 为传热系数；Fm 为传热面积； Tm 为传热壁两侧流体的平均温差.,对于逆流单程换热器， 可取对数平均值,若,在1/3 3 之间，则可用算术平均近似,28,热交

13、换过程的静态方程,静态放大系数,两式代入得到：,两边除以（T2iT1i），化简得到：,由上式可知，T2i、T1i为输入量，换热方案确定后，K和Fm就确定，则通过调节冷热流体的流量就可以控制工艺控制量T10。,29,热交换过程的静态特性分析,严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。,30,三、换热设备的控制方案,被控变量： 一般传热设备的被控变量在大多数情况下是工艺介质的出口温度。可选择： (1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）； (2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量(不能直接检测）。 控制变量： 控制变量的选择通常是载热体的流量，然而在控制手段上

14、有多种形式，从传热过程的基本方程式知道，为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传热量进行调节。要调节传热量有以下几条途径,31,1、两侧均无相变化的换热器调节方案 (1) 调节载热体的流量 改变载热体流量的大小，将引起传热系数K和平均温差tm的变化对于载热体在传热过程中不起相变化的情况，通常K变化不大。如不考虑K的变化，从前述热量衡算式和传热速率方程式看，当传热面积足够大时，热量衡算式可以反映静态特性的主要方面。 改变载热体流量，能有效地改变传热平均温差，亦即改变传热量，因此调节作用能满足要求。,32,33,方案：调节载热体流量串级控制方案,如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用

15、以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统，如图所示。,34,(2) 调节载热体的旁路流量 当载热体是工艺流体，其流量不允许变动时，可采用图示的方案。这种方案也是通过改变载热体流量来达到温度控制的目的。这里采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又可以保证载热体总流量不受影响。这种方案在载热体为工艺主要介质时极为常见。 同理，对于冷流体也可以采用上述两种方案。,35,(3) 综合调节（前馈反馈控制） 例子：废热综合利用。目的充分回收废热热源qv1的能量，因此不希望对加热介质的流量进行调节。被控变量：被加热介质Tc2 操纵变量：被加热介质

16、流量qv2,36,根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热量应该等于被加热介质吸收的热量，即,静态前馈函数的实施线路如图虚线框中所示。当Th1、Th2、Tc1或qv1中的任意一个变量变化时，其变化都可以通过前馈函数部分及时调整流量qv2，使这些变量的变化对被控制变量Tc2的影响得到补偿。,37,38,Tc2温度变送器、PID调节器、PI调节器、qv2流量变送器、电气转换器与qv2控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2为主被调节变量，qv2为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个复合调节系统。 仪表静态参数的设定见教材。,39,2、载热体进行冷凝的加热器自

17、动调节 对于载热体有相变的情况要复杂得多，例如对于蒸汽加热器来说，蒸汽冷凝放热，当传热面积有裕量时，进入多少蒸汽，冷凝多少，且冷凝后继续冷却，即改变了传热量。而传热面积受到限制时，蒸汽的冷凝量取决于传热速率方程式。 因此，当被加热介质的出口温度为被控变量时，常采用下述两种控制方案：一种是控制进入的蒸汽流量(a)；另一种是通过改变冷凝液排出量以控制冷凝器的有效面积(b)。为了改善两者的控制滞后，采用串级控制方案(c)可以有效提高控制系统的品质。,40,方案a：调节载热体流量单回路控制方案,41,方案b：调节载热体冷凝流量的控制方案,42,方案c：串级控制方案,43,3 冷却剂进行汽化的冷却器自动

18、调节,当用水或空气作为冷却剂不能满足冷却温度的要求时，需要用其他冷却剂。这些冷却剂有液氨、乙烯、丙烯等。这些液体冷却剂在冷却器中由液体汽化为气体时带走大量潜热，从而使另一种物料得冷却。 以氨冷器为例，其控制方案有： 调节冷却剂液氨的流量； 温度与液位的串级调节； 调节氨的汽化压力；,44,45,方案：用汽化压力调节氨冷器温度的方案,46,四、加热炉的控制问题,被控变量：工艺介质的出口温度。 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 主要干扰： 工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。 对象特性建模方法：定性分析

19、+实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。,47,加热炉的单回路控制,48,加热炉的串级控制,49,加热炉的安全联锁保护系统,LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量过低联锁装置； GL2：进料流量过低联锁装置。,50,6.3 单回路控制系统的应用,单回路控制系统具有结构简单，投资少，易于调整投运，又能满足一般生产过程的工艺要求。单回路控制系统一般由被控过程、测量变送、调节器和调节阀等环节构成。下面通过一牛奶干燥过程的工程设计实例来说明单回路控制系统的应用。,51,一 、生产工艺简况 牛奶干燥过程流程简图见图6-4； 实验证明：要保证产品质量，需严格控制干燥器的温度波动小于2；

20、 试分析： （1） 影响干燥器温度的因素有哪些？ （2） 通过比较，合理选择系统控制变量，并说明原因。 （3） 试确定调节器调节规律、调节阀的类型及它们的正反作用方向。,52,53,二 、系统设计 1 被控参数与控制参数的选择 （1）被控参数选择： 根据生产工艺情况，产品质量与干燥温度密切相关。由于测量水分的仪表的精度不够高，采用对应间接参数干燥温度，因为水分与温度一一对应。故选用干燥器温度为被控参数。 （2）控制参数选择 影响干燥器温度的主要因素有乳液流量f1(t)、旁路空气流量f2(t)、加热蒸汽量f3(t)等。 选取其中任一变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。下面为三种控制方案系统框

21、图。,54,混合过程,风管,干燥器,换热器,风管,干燥器,调节器,调节阀,干燥器,测量变送,-,Y(t),x(t),f2(t),f3(t),乳液流量为控制参数,55,混合过程,风管,干燥器,换热器,风管,干燥器,调节器,调节阀,干燥器,测量变送,-,Y(t),f1(t),f3(t),x(t),风量为控制参数,56,换热器,风管,干燥器,混合过程,风管,干燥器,调节器,调节阀,干燥器,测量变送,-,Y(t),f1(t),f2(t),x(t),蒸汽流量为控制参数,57,三种控制方案系统框图的分析； 综合考虑通道的特性和工艺的可调整性，选择旁路空气流量为被控变量最为合适，其调节通道的滞后较小，调节的

22、工艺性也最好。 2 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求，选用电动单元组合仪表（DDZ型）。 （1）测温元件和变送器 被控温度在500以下，选用铂热电阻温度计。并用三线制接法提高检测精度。,58,（2）调节阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选用气关形式的调节阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀；根据被控流量选择调节阀的公称直径和阀芯直径的具体尺寸。 （3）调节器 根据工艺要求和过程特性，知道温度要求无余差，因此可选择PI控制规律，如果被控对象滞后较大，可选PID控制规律。 因为调节阀为气关式，作用方向为负，测量便送环节作用方向为正，被控对象输入空气量增加，输出水

23、分散发也增加，故作用方向为正，根据负反馈原则，调节器的作用方向为正。,59,3 画出温度控制流程图及其控制系统方框图,60,调节器W(s),调节阀Wv(s),干燥器Wo(s),测量变送Wm(s),-,Y(s),X(s),F(s),61,4、调节器的整定 为了使温度控制系统能运行在最佳状态，可以按照调节器工程整定方法中任一种进行调节器参数的整定。,62,6.4 精馏塔的控制,一、工艺流程 二、精馏塔的控制目标 三、精馏塔的静态特性 四、精馏塔质量指标的选取 五、精馏塔的基本控制方案 六、精馏塔的其它控制方案,63,一、连续精馏装置的工艺流程,操作目的： 通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸

24、点不同的各组分分离成产品。 操作代价： 消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；,64,二、精馏塔的控制目标,质量指标 对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。 产品产量和能量消耗 在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的产量并设法降低装置的能耗。,65,精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系,产品回收率： 进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量； 能耗指标： 用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；,定性规律：若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越

25、高。,66,三、精馏塔的静态特性,总与轻组分的物料平衡方程：,能耗与分离度S的关系：,结论：对于给定的进料，若D/F和V/F保持一定，则该塔的分离结果xD, xB就完全确定。,67,精馏塔的控制问题,68,四、精馏塔质量指标的选取,直接质量指标 （1）产品质量在线分析仪 / 软测量仪 间接质量指标 （1）灵敏板温度，与塔顶/塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）； （2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响； （3）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。,69,五、精馏塔的压力控制方案,塔顶汽相采出量 DV 塔压 P,冷凝器冷却量 QC 塔压 P,70,精馏塔物料平衡与质量控制问题,* 考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则，可将控制问题分解简