第六章其他控制系统-过程控制系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章其他控制系统,第六章其他控制系统,内容提要,在化工生产过程中，经常会遇到一些约束性条件，或者是对两个参数同时提出控制要求，以及一个控制器同时去控制两个或更多的执行器等，这样会遇到均匀、选择及分程控制系统。本章主要讲述均匀、选择、分程及自动保护控制系统的原理、结构及应用等方面的问题。,6.1 均匀控制系统,6.1.1 均匀控制原理,1均匀控制问题的提出,均匀控制系统是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）-流量控制系统。其目的在于使液位保持在一个允许的变化范围，而流量也保持平稳。均匀控制系统是就控制方案所起的作用而言，从结构上看，它可以是简单控制系统、串级控制系统，也可以是其他控制系统。,石油、化工等生产过程绝大部分是连续生产过程，一个设备的出料往往是后一个设备的进料。例如，为了将石油裂解气分离为甲烷、已烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯等，前后串联了若干个塔，除产品塔将产品送至贮罐外，其余各精馏塔都是将物料连续送往下一个塔进行再分离。,为了保证精馏塔生产过程的稳定进行，总希望尽可能保证塔底液位比较稳定，因此考虑设计液位控制系统；同时又希望能保持进料量比较稳定，因此又考虑设置进料流量控制系统。对于单个精馏塔的操作，这样考虑是可以的，但对于前后有物料联系的精馏塔就会出现矛盾。我们以图6.1所示的前后两个塔为例加以说明。,图6.1精馏塔间相互冲突的控制方案,由图6.1可见，前塔液位的稳定是通过控制塔的出料量来实现的，因此，前塔的出料量必然不稳定。而前塔的出料量正好是后塔的进料量，在保证前塔液位稳定时，后塔的进料量不可能稳定。反之，如果保证了后塔进料量的稳定，势必造成前塔的液位不稳定。这就是说，前塔液位稳定和后塔进料量稳定的要求发生了矛盾。解决这一矛盾的方法之一是在前、后两塔之间增设一个中间储罐。但增加一套容器设备就增加了流程的复杂性，加大了投资，占地面积增加，流体输送能耗也增加。另外，有些生产过程连续性要求较高，不宜增设中间储罐。尤为严重的是，某些中间产品停留时间一长，会产生分解或自聚等，更限制了这一方法的使用。,在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制系统就是在这样的应用背景下提出来的。,2均匀控制的特点及要求,（1）结构上无特殊性。,同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，它可以是一个单回路液位定值控制系统，也可以是一个简单均匀控制系统。因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上无任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统的结构形式，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。所以，一个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于系统控制器的参数整定如何。可以说，均匀控制是通过降低控制回路的灵敏度来获得的，而不是靠结构变化得到的。,（2）两个参数在控制过程中都应该是变化的，而且应是缓慢地变化。,因为均匀控制是指前后设备的物料供求之间的均匀，所以表征前后供求矛盾的两个参数都不应该稳定在某一固定的数值。如图6.2所示，图6.2（a）中把液位控制成比较平稳的直线，因此下一设备的进料量必然波动很大。这样的控制过程只能看做液位定值控制而不能看作均匀控制。反之，图6.2（b）中把后一设备的进料量调成平稳的直线，那么前一设备的液位就必然波动得很厉害，所以，它只能被看做流量的定值控制。只有图6.2（c）所示的液位和流量的控制曲线才符合均匀控制的要求，两者都有一定的波动，但波动很均匀。,图6.2 前一设备的液位和后一设备的进料量之间的关系,6.1.2 均匀控制方案,实现均匀控制的方案主要有三种结构形式，即简单均匀控制、串级均匀控制和双冲量均匀控制。这里只介绍前两种控制方案。,简单均匀控制系统采用单回路控制系统的结构形式，如图6.3所示。从系统结构形式上看，它与简单的液位定值控制系统是一样的，但系统设计的目的却不相同。定值控制系统是通过改变出料量而将液位保持在设定值上，而简单均匀控制是为了协调液位与出料量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内做缓慢的变化。因其设计目的不同，因此在控制器的参数整定上有所不同。,图6.3 简单均匀控制方案,通常，简单均匀控制系统的控制器整定在较大的比例度和积分时间上，一般比例度要大于100%，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。控制器一般采用纯比例作用，而且比例度整定得很大，以便当液位变化时，排出的流量只作缓慢的改变。有时为了克服连续发生的同一方向扰动所造成的过大偏差，防止液位超出规定范围，则引入积分作用，这时比例度一般大于100%，积分时间也要放大一些。至于微分作用，是和均匀控制的目的背道而驰的，故不采用。,简单均匀控制系统的最大优点是结构简单，投运方便，成本低廉。但当前后设备的压力变化较大时，尽管控制阀的开度不变，输出流量也会发生变化，所以它适用于扰动不大、要求不高的场合。此外，在液位对象的自衡能力较强时，均匀控制的效果也较差。,从图中可以看出，在系统结构上它与串级控制系统是相同的。液位控制器LC的输出，作为流量控制器FC的设定值，流量控制器的输出操纵控制阀。由于增加了副回路，所以可以及时克服由于塔内压力或出料端压力改变所引起的流量变化，这是串级控制系统的特点。但是，设计这一控制系统的目的是为了协调液位和流量两个参数的关系，使之在规定的范围内作缓慢的变化，所以其本质上是均匀控制。,串级均匀控制系统，之所以能够使两个参数间的关系得到协调，也是通过控制器参数的整定来实现的。这里参数整定的目的不是使参数尽快地回到设定值，而是要求参数在允许的范围内作缓慢的变化。参数整定的方法也与一般的串级控制系统不同，一般串级控制系统的比例度和积分时间是由大到小地进行调整，串级均匀控制系统则与之相反，是由小到大进行调整。串级均匀控制系统的控制器参数数值都很大。,6.2选择性控制系统,6.2.1选择性控制原理,选择性控制是过程控制中属于约束性控制类的控制方案。所谓自动选择性控制系统，就是把由工艺的限制条件（出自经济、效益或安全等方面的考虑）所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上的一种组合逻辑方案。在正常工况下由一个正常的控制方案起作用、当生产操作趋向安全极限时，另一个用于防止不安全情况的控制方案将取代正常情况下工作的控制方案，直到生产操作重新回到允许范围以内，恢复原来的控制方案为止。这种自动选择性控制系统又被称为自动保护控制系统，或称取代（超弛）控制系统、软保护控制系统。,一般的控制系统只能在正常的情况下工作，当生产操作达到安全极限时，通常的处理方法有两种：一种是信号报警，由自动控制改为人工控制；另一种是采用连锁停车保护，待操作人员排除故障后再重新开车。这两种方案称为“硬保护”措施。在现代化生产过程中，停车造成的经济损失是重大的。所谓“软保护”措施，既能起自动保护作用而又不停车，从而有效地防止生产事故的发生，减少开、停车次数，无疑，这对现代化生产的意义是重大的。,自动选择性控制系统除实现软保护外，还可以用于其他场合。例如，借助于选择器实现一定操作规律的开、停车，以减轻操作人员紧张又易误操作的劳动；对信号预定的逻辑关系加以选择，以适应不同的工况，从而提高生产的经济性。自动选择性控制系统把逻辑关系引入控制算法，丰富了自动化的内容和范围，使生产中的更多实际控制问题得以解决。,1选择器位于两个控制器与一个执行器之间,当生产过程中某一工况参数超过安全软限时，用另一个控制回路代替原有正常控制回路，使工艺过程能安全运行的控制系统中，选择器位于两个控制器和一个执行器之间，如图6.6所示，为这种系统的方框图。,图6.6 选择器位于两个控制器与一个执行器之间,由图可见，系统中有两个控制器，即正常控制器与取代控制器，这两个控制器的输出信号都送至选择器，选择器选出能适应生产安全状况的控制信号送至执行器（控制阀），以实现对生产过程的自动控制。这种类型的自动选择性控制系统是选择性控制系统的基本类型。如图6.7（b）所示的液氨冷却器选择性控制系统就是典型的应用实例。,（a）简单控制系统,（b）选择性控制系统,图6.7 液氨冷却器冷却控制系统,液氨冷却器是工业生产中用得较多的一种换热设备，它利用液氨的气化需要吸取大量的气化热来冷却流经管内的被冷却物料。以被冷却物料的出口温度为被控变量、以液氨流量为操纵变量的正常工况下的简单控制系统如图6.7（a）所示。液氨管道的控制阀为气开阀（气源中断时阀自动关闭，比较安全），温度控制器TC为正作用，当被冷却物料的出口温度升高时，温度变送器输出增加，使控制阀开大，从而液氨增加，这样就有更多的液氨气化吸收热量，使被冷却物料的出口温度下降。,这一控制方案实际上是通过改变传热面积来控制传热量的办法，即改变液氨面的高度去影响换热器的浸没传热面积。因此，液氨面的高度就间接反映了传热面积的变化情况。若液氨蒸发器的容量较大，液氨在容器内停留时间较长，即对象的时间常数较大，则必然使控制作用不及时，控制质量不高。更重要的是，当液氨的液面淹没了换热器的全部列管时，若出口温度仍偏高，要求继续增大液氨量时，一方面传热面积已达极限，氨的蒸发量已无从增加，使出口温度降不下来；另一方面还可能导致事故，因为气化的氨须进入氨压缩机后重复使用，当液氨面太高时，会导致气氨中夹带液氨而进入压缩机，引起压缩机事故。因此，为了使蒸发器保持足够的气化空间，就要限制液氨面不得高于某一高限值（安全软限）。这就是根据工艺操作所提出的限制条件。为此，需在原温度控制系统的基础上，增加一个液面超限的取代单回路控制系统，如图6.7（b）所示。显然，从工艺上看，可供温度和液面控制系统选作操纵变量的仅液氨流量一个，而被控变量却有温度和液面两个，形成了对被控变量的选择性控制系统。,温度和液面控制系统的工作逻辑关系为：在正常情况下，温度控制系统投入运行，液位控制器LC处于待命状态；当液氨面达到高限时，温度已暂时成为次要因素，而保护压缩机不致损坏上升为主要矛盾，因此液位控制器LC必须立即取代温度控制器TC而工作，以减少液氨进入量。等到液氨面低于界限值时，温度控制器TC才自动切换回来恢复工作。从液面取代控制系统中可以确定液位控制器LC应为反作用。这里的温度控制器TC是正常控制器，液位控制器LC是取代控制器。究竟选哪个控制器的输出接至控制阀，可通过低值选择器自动选择。在正常工况下，液氨面低于界限值，液位控制器的输出高于温度控制器的输出，应通过低值选择器选择温度控制器控制控制阀动作，温度控制回路正常工作。但当氨面超过界限值时，液位控制器的输出立即下降，同时温度控制器的输出很高，低值选择器选中液位控制器输出，控制控制阀减少液氨量，液位控制回路投入工作，从而防止事故的发生,如图6.9所示，为某化学反应器峰值温度选择性控制系统。该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上装设了温度检测点，其测温信号一直送至高值选择器HS，经过高值选择器选出较高的温度信号进行控制，这样，系统将一直按反应器的最高温度进行控制，从而保证触媒层的安全。,图6.9 反应器峰值温度选择性控制系统,综上所述，可以总结出选择性控制系统有如下特点：,（1）控制系统反映了工艺逻辑规律有选择性的要求；,（2）组成控制系统的环节中，必有选择器；,（3）控制系统的被控变量与操纵变量的数目一般是不相等的。,6.2.3选择性控制系统工程设计和实施时的几个问题,1选择性控制系统的工程设计,选择性控制系统的工程设计，主要包括控制阀开、关形式的选择，控制器的控制规律及正、反作用的选择，以及选择器类型的选择等项内容。,首先根据生产安全等要求，选择控制阀的气开、气关形式；其次根据对象特性和控制要求，选择两个控制器的控制规律及正、反作用；最后根据控制器的正、反作用和选择性控制系统的设置目的，确定选择器的类型。,控制阀开、关形式与控制器正、反作用的选择，与简单控制系统中所介绍的确定方法完全相同。正常控制器控制规律的选择也与简单控制系统完全相同，在此仅需讨论取代控制器控制规律及选择器类型的选择这两项内容。,2控制器的防积分饱和措施,在取代控制系统中，如果有两个或两个以上的控制器，那么无论是在正常工况下，还是在异常工况下总是有控制器处于开环待命状态。对于开环下的控制器，其偏差长期存在，如果有积分作用，其输出信号会达到极限值（如气动控制器会达到0.14 MPa或0 MPa）。而且，当偏差改变极性后，其输出仍要超出规定的上、下限（如气动控制器的上、下限分别为0.1 MPa或0.02 MPa）一段时间，这是一般意义下的积分饱和。由上述定义可以看出，产生积分饱和的条件有三个：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；其三是偏差信号的长期存在。,在取代（超弛）控制系统中，当进入或超出安全软限时，控制器应立即进行切换。也就是说，在偏差为零时，两个控制器应该同步，有相同的输出。如果在偏差为零时，两个控制器不同步，那么在距离同步的一段时间内，如果控制器不能及时切换，有可能因此而造成生产事故。所以，这里把偏差为零时两个控制器的输出不能同步也称作积分饱和。,保持输出同步的措施，与一般的防积分饱和方案很相似。常用的办法是用选择器的输出，即送往控制阀的信号作为积分外反馈（如图6.10所示）。这样，当控制器1被切换时 ，当控制器2被切换时 ，因此，在 或者 等于零时，即两个控制器切换的间 ，满足了同步的要求。,3应用实例锅炉蒸汽压力选择性控制系统,在锅炉运行中，蒸汽负荷随用户用量而经常波动。在正常情况下，用控制燃气量的方法来维持蒸汽压力稳定，即当蒸汽压力升高时，应减少天然气量；反之则增加天然气量。,图6.10常用的防积分饱和方案,图6.11锅炉燃烧过程压力自动选择性控制系统,从安全角度考虑，燃气控制阀选为气开式。在正常情况下，蒸气压力控制器P,1,C应被选中，从而构成蒸汽压力简单控制系统，蒸汽压力控制器应选反作用；当蒸汽压力不断下降、燃气压力不断上升并接近脱火压力时，燃气压力控制器P,2,C应被选中，取代蒸汽压力控制器来控制控制阀的开度，以减小燃料量，从而防止脱火事故发生，因此燃气压力控制器也应选作反作用。正常情况下，燃气压力低于脱火压力，取代控制器输出信号大于正常控制器输出信号。而在燃气压力接近脱火压力时，取代控制器输出信号小于正常控制器输出信号，因此选择器应为低选器。这一选择控制系统有效地防止了脱火事故的发生。,另一方面，当蒸汽压力上升时，由于蒸汽压力控制器的作用，使控制阀逐渐关小，燃气压力逐渐下降。当燃气流量下降到一定程度时，发出声、光报警信号，以提醒操作人员注意。如果燃气压力继续下降、达到产生回火的边缘时，燃气压力连锁系统动作，使控制阀关闭，切断天然气，防止回火事故的发生。另外，由于燃烧器堵塞或其他原因使天然气流量降到极限时，连锁系统亦动作，使控制阀关闭而安全停车。,6.3分程控制系统,在反馈控制系统中，通常是一台控制器的输出只控制一个控制阀，这是最常见也是最基本的控制形式。然而在生产过程中还存在另一种情况，即由一台控制器的输出信号，同时控制两个或两个以上的控制阀的控制方案，这就是分程控制系统。“分程”的意思就是将控制器的输出信号分割成不同的量程范围，去控制不同的控制阀。,设置分程控制的目的包含两方面的内容。一是从改善控制系统的品质角度出发，分程控制可以扩大控制阀的可调范围，使系统更为合理可靠；二是为了满足某些工艺操作的特殊要求，即出于工艺生产实际的考虑。,6.3.1分程控制系统的组成及工作原理,一个控制器同时带动几个控制阀进行分程控制动作，需要借助于安装在控制阀上的阀门定位器来实现。阀门定位器分为气动阀门定位器和电-气阀门定位器。将控制器的输出信号分成几段信号区间，不同区间内的信号变化分别通过阀门定位器去驱动各自的控制阀。例如，有A和B两个控制阀，要求在控制器输出信号在412mA DC变化时，A阀作全行程动作。这就要求调整安装在A阀上的电-气阀门定位器，使其对应的输出信号压力为20100 kPa。而控制器输出信号在1220 mA DC变化时，通过调整B阀上的电-气阀门定位器，使B阀也正好走完全行程，即在20100 kPa全行程变化。按照以上条件，当控制器输出在420mA DC变化时，若输出信号小于12 mA DC，则A阀在全行程内变化，B阀不动作；而当输出信号大于12 mA DC时，则A阀已达到极限，B阀在全行程内变化，从而实现分程控制。,就控制阀的开闭形式，分程控制系统可以划分为两种类型。一类是阀门同向动作，即随着控制器的输出信号增大或减小，阀门都逐渐开大或逐渐关小，如图6.12所示。另一种类型是阀门异向动作，即随着控制器的输出信号增大或减小，阀门总是按照一个逐渐开大而另一个逐渐关小的方向进行，如图6.13所示。,图6.12控制阀分程动作同向,（a）(b),图6.13控制阀分程动作异向,（a）,(b),分程阀同向或异向的选择问题，要根据生产工艺的实际需要来确定。,6.3.2分程控制的应用场合,1扩大控制阀的可调范围，改善控制质量,现以某厂蒸汽压力减压系统为例。锅炉产汽压力为10 MPa，是高压蒸汽，而生产上需要的是4 MPa平稳的中压蒸汽。为此，需要通过节流减压的方法，将10 MPa的高压蒸汽节流减压成4 MPa的中压蒸汽。在选择控制阀口径时，如果选用一台控制阀，为了适应大负荷下蒸汽供应量的需要，控制阀的口径要选择得很大。然而，在正常负荷下所需蒸汽量却不大，这就需要将控制阀控制在小开度下工作。因为大口径控制阀在小开度下工作时，除了阀特性会发生畸变外，还容易产生噪声和振荡，这样就会使控制效果变差，控制质量降低。所以为解决这一矛盾，可选用两只同向动作的控制阀构成分程控制方案，如图6.14所示,图6.14 蒸汽减压系统分程控制方案,在该分程控制方案中采用了A、B两只同向动作的控制阀（根据工艺要求均选择为气开式），其中A阀在控制器输出信号压力为0.020.06 MPa时从全闭到全开，B阀在控制器输出信号压力为0.060.10 MPa时从全闭到全开，见图6.12（a）。这样，在正常情况下，即小负荷时，B阀处于关闭状态，只通过A阀开度的变化来进行控制；当大负荷时，A阀已经全开，但仍不能满足蒸汽量的需求，这时B阀也开始打开，以弥补A阀全开时蒸汽供应量的不足。,在某些场合，控制手段虽然只有一种，但要求操纵变量的流量有很大的可调范围，如大于100以上。而国产统一设计的控制阀的可调范围最大也只有30，满足了大流量就不能满足小流量，反之亦然。为此，可采用大、小两个阀并联使用的方法，在小流量时用小阀，大流量时用大阀，这样就大大扩大了控制阀的可调范围。蒸汽减压分程控制系统就是这种应用。,设大、小两个控制阀的最大流通能力分别是,C,Amax,=100，,C,Bmin,=4，可调范围为,R,A,=,R,B,=30。因为,式中，,R,控制阀的可调范围；,C,max,控制阀的最大流通能力,C,min,控制阀的最小流通能力。,所以，小阀的最小流通能力为,当大、小两个控制阀并联组合在一起时，控制阀的最小流通能力为0.133，最大流通能力为104，因而控制阀的可调范围为,可见，采用分程控制时控制阀的可调范围比单个控制阀的可调范围大约扩大了25.9倍，大大地扩展了控制阀的可调范围，从而提高了控制质量。,2用于控制两种不同的介质，以满足生产工艺的需要,在某些间歇式生产的化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行而不断释放出热量，这些放出的热量如不及时移走，反应就会越来越剧烈，以致会有爆炸的危险。因此，对这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又需考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此，可设计如图6.15所示的分程控制系统。,从安全的角度考虑，图中冷水控制阀A选用气关型，蒸汽控制阀B选用气开型，控制器选用反作用的比例积分控制器PI，用一个控制器带动两个控制阀进行分程控制。这一分程控制系统，既能满足生产上的控制要求，也能满足紧急情况下的安全要求，即当出现突然供气中断时，B阀关闭蒸汽，A阀打开冷水，使生产处于安全状态。,A与B两个控制阀的关系是异向动作的，它们的动作过程如图6.16所示。当控制器的输出信号在412 mA DC变化时，A阀由全开到全关。当控制器的输出信号在1220 mA DC变化时，则B阀由全关到全开。,图6.15 反应器温度分程控制系统,图6.16反应器温度控制分程阀动作图,该分程控制系统的工作情况如下。当反应器配料工作完成以后，在进行化学反应前的升温阶段，由于起始温度低于设定值，因此反作用的控制器输出信号将逐渐增大，A阀逐渐关小至完全关闭，而B阀则逐渐打开，此时蒸汽通过热交换器使循环水被加热，再通过夹套对反应器进行加热、升温，以便使反应物温度逐渐升高。当温度达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度将继续升高。当反应温度升高至超过给定值后，控制器的输出将减小，随着控制器输出的减小，B阀将逐渐关闭，而A阀则逐渐打开。这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水，反应所产生的热量就被冷水带走，从而达到维持反应温度的目的。,3用做生产安全的防护措施,在各炼油或石油化工厂中，有许多存放各种油品或石油化工产品的储罐。这些油品或化工产品不宜与空气长期接触，因为空气中的氧气会使其氧化而变质，甚至会引起爆炸。为此，常采用在储罐罐顶充以惰性气体（氮气）的方法，使油品与外界空气隔离。这种方法通常称之为氮封。,为了保证空气不进入储罐，一般要求贮罐内的氮气压力保持为微正压。当由贮罐中向外抽取物料时，氮封压力则会下降，如不及时向储罐中补充氮气，储罐将会变形，甚至会有被吸瘪的危险；而当向储罐中注料时，氮封压力又会逐渐上升，如不及时排出储罐中的部分氮气，储罐又有被鼓坏的危险。显然，这两种情况都不允许发生，于是就必须设法维持储罐中氮封的压力。为了维持储罐中氮封的压力，当贮罐内的液面上升时，应将压缩的氮气适量排出。反之，当贮罐内的液面下降时，应及时补充氮气。只有这样才能做到既隔绝空气，又保证贮罐不变形。,为了达到这种控制目的，可采用如图6.17所示的贮罐氮封分程控制系统。本方案中，氮气进气阀A采用气开式，而氮气排放阀B采用气关式。控制器选用反作用的比例积分（PI）控制规律。两个分程控制阀的动作特性如图6.18所示。,图6.17 贮罐氮封分程控制系统,图6.18 控制阀分程动作图,对于贮罐氮封分程控制系统，由于对压力的控制精度要求不高，不希望在两个控制阀之间频繁切换动作，所以通过调整电-气阀门定位器，使A阀接受控制器的411.6 mA DC信号时，能做全范围变化，而B阀接受12.420 mA DC信号时，做全范围变化。控制器在输出11.612.4 mA DC信号时，A、B两个控制阀都处于全关位置不动，因此将两个控制阀之间存在的这个间隙区称为不灵敏区。这样做对于储罐这样一个空间较大因而时间常数较大，且控制精度要求又不是很高的具体压力对象来说，是有益的。因为留有这样一个不灵敏区，将会使控制过程的变化趋于缓慢，使系统更为稳定。,以上几种分程控制系统的典型方框图如图6.19所示。,图6.19 分程控制系统方框图,6.3.3分程控制系统的实施,分程控制系统本质上属于单回路控制系统。因此，单回路控制系统的设计原则完全适用于分程控制系统的设计。但是，与单回路控制系统相比，分程控制系统的主要特点是分程而且控制阀多，所以，在系统设计方面也有一些不同之处。,1分程信号的确定,在分程控制中，控制器输出信号的分段是由生产工艺要求决定的。控制器输出信号需要分成几个区段，哪一个区段控制哪一个控制阀，完全取决于生产工艺要求。,2分程控制系统对控制阀的要求,（1）控制阀类型的选择,控制阀类型的选择即根据生产工艺要求选择同向或异向规律的控制阀。控制阀的气开、气关形式的选择是由生产工艺决定的，即从生产安全的角度出发，决定选用同向还是异向规律的控制阀。,（2）控制阀流量特性的选择,控制阀流量特性的选择会影响分程点的特性。因为在两个控制阀的分程点上，控制阀的流量特性会产生突变，特别是大、小阀并联时更为突出。如果两个控制阀都是线性特性，情况会更严重，如图6.20（a）所示。这种情况的出现对控制系统的控制质量是十分不利的。为了减小这种突变特性，可采用两种处理方法：一种方法是采用两个对数特性的控制阀，这样从小阀向大阀过渡时，控制阀的流量特性相对平滑一些，如图6.20（b）所示；第二种方法就是采用分程信号重叠的方法。例如，两个信号段分为2065 kPa和55100 kPa，这样做的目的是在控制过程中，不等小阀全开时，大阀就已经小开了，从而改善了控制阀的流量特性。,图6.20 分程控制时的流量特性,（3）控制阀的泄漏问题,在分程控制系统中，应尽量使两个控制阀都无泄漏，特别是当大、小控制阀并联使用时，如果大阀的泄漏量过大，小阀就不能正常发挥作用，控制阀的可调范围仍然得不到增加，达不到分程控制的目的。,（4）控制器参数的整定,在分程控制系统中，当两个控制阀分别控制两个操纵变量时，这两个控制阀所对应的控制通道特性可能差异很大，即广义对象特性差异很大。这时，控制器的参数整定必须注意，需要兼顾两种情况，选取一组合适的控制器参数。当两个控制阀控制一个操纵变量时，控制器参数的整定与单回路控制系统相同。,6.4自动保护系统,6.4.1自动信号报警系统,在生产过程中，当某些工艺变量超限或运行状态发生异常情况时，信号报警系统就开始动作，发出灯光及音响信号，提醒操作人员注意，督促操作人员采取必要的措施，以改变工况，使生产恢复到正常工作状态。,1信号报警系统的组成,信号报警系统由故障检测元件、信号报警器及其附属的信号灯、音响器和按钮等组成。当某些工艺变量超限时，故障检测元件的接点会自动断开或闭合，并将这个信号送到信号报警器，控制信号灯和音响器进行声、光报警。对于重要的生产工艺或设备，如锅炉汽包液位、转化炉的炉温等重要报警点，故障检测元件要单独设置。有时可以利用带电接点的仪表作为故障检测元件，如电接点压力表、带报警的控制器等。当工艺变量超过设定的限位时，这些仪表可以给报警器提供一个开关信号。,信号报警器包括有触点的继电器箱、无触点的盘装闪光报警器和晶体管插卡式逻辑监控系统。信号报警器及其附件均安装在仪表盘后，或装在单独的信号报警箱内。信号灯及按钮安装在仪表盘上，以便于指示和操作。在DCS（分散控制系统）、PLC（紧急停车系统）及ESD（可编程控制）系统中，除在显示器上进行报警、通过键盘操作外，重要的工艺点也在操作台上单独设置报警信号灯和音响器。,例如，XXS-02型闪光报警器，它被安装在控制室内的仪表盘上。输入信号是电接点信号，可以与各种电接点式的控制检测仪表配套使用。XXS-02型闪光报警器有8个报警回路，每个回路带有两个闪光信号灯，其中一个集中在报警器内，另一个由接线端子引出，可以任意安装在现场或模拟盘上。每个回路监视一个参数极限值，每个报警回路的输入信号均引自故障检测元件的电接点，该接点可以是常开接点也可以是常闭接点，但每个报警器回路只能使用一个信号接点。,2信号报警系统的基本工作状态,信号报警系统由各种颜色的指示灯或闪光报警器、音响器来实现示警操作，通过不同的显示颜色和灯光的明亮形式反映工艺过程的不同运行状态。报警系统的基本工作状态如下所述。,正常状态：这时没有灯光或音响信号。,报警状态：当被测工艺参数偏离极限设定值或运行状态出现异常时，发出灯光、音响信号。,确认状态：值班人员发现报警信号以后，可以按一下“确认”按钮，从而解除音响信号，保留灯光信号，所以“确认”又称为“消音”。,复位状态：当故障排除以后，报警系统恢复到正常状态。在有些报警系统中，备有“复位”状态。,试验状态：用来检查灯光和音响回路是否完好。必须注意，试验工作只能在正常状态下进行（按下“试验”按钮，此时报警灯应全部点亮，音响器发出音响信号），而在报警状态下不能进行试验，以防误判断。“试验”也称为“试灯”。,在信号报警系统中，信号灯以不同的点亮形式和不同的颜色来帮助值班人员判断故障的状态，如下所述。,闪光：指示灯呈一明一暗的闪烁状态。闪光容易引人注意，用来表示刚出现的故障或第一故障。,平光：指示灯常亮，表示“确认”以后继续存在的故障或第二故障。,红色灯光：表示停止、危险，是超限信号，此时工艺参数处于超限或生产处于危急状态。,黄色灯光：表示注意、警告或非第一原因事故，此时工艺参数处于低限报警或预告状态。,绿色灯光：表示运转设备或工艺参数处于正常运行状态。,乳白色灯光：是电源信号，表示报警系统的供电电源正常。,3信号报警系统的类型,根据人们对生产过程中报警的不同要求，可将信号报警系统设计成多种形式。常见的信号报警系统类型有一般故障不闪光报警系统、一般故障闪光报警系统、能区别瞬时故障的报警系统、能区别第一故障的报警系统、延时报警系统等。,（1）一般故障不闪光报警系统。一般故障不闪光报警系统是最简单、最基本的报警系统，当工艺参数越限时，信号灯以不闪烁的平光形式点亮，并发出音响信号，经操作人员确认以后音响消除，信号灯仍保持常亮状态。,（2）一般故障闪光报警系统。一般故障闪光报警系统又称为瞬时故障报警系统，当工艺参数越限时信号灯闪光，并发出音响，经确认后音响消除，信号灯转为不闪烁的平光，只有在故障排除以后，信号灯才熄灭。一般故障闪光报警系统的工作状态见表6.1,表6.1 一般故障闪光报警系统工作状态表,工作状态,显示器/信号灯,音响器,正常,不亮,不响,报警信号输入,闪光,响,按确认按钮,平光,不响,报警信号消失,不亮,不响,按试验按钮,闪光,响,（3）能区别瞬时故障的报警系统。在生产过程中，有时会遇到工艺参数短时间越限后又恢复正常的情况，这种短期越限往往潜伏着更大的事故，是影响产品质量或安全的先兆。为了避免这种隐患，一旦越限就应立即报警，以引起操作人员的注意，此时可选用能够用灯光来区分是否为瞬时故障的报警系统。在出现故障后，信号灯闪光并发出音响。按下“确认”按钮，如果故障已消失，则信号灯熄灭，音响消除，这属于瞬时故障；如果故障仍然存在，则属于非瞬时故障，信号灯转为平光，音响消除。直到故障排除以后，信号灯才熄灭。能区别瞬时故障的报警系统的工作状态见表6.2。,表6.2 能区别瞬时故障的报警系统工作状态表,确认,工作状态,显示器/信号灯,音响器,正常,不亮,不响,报警信号输入,闪光,响,（消音）,瞬时故障,不亮,不响,非瞬时故障,平光,不响,报警信号消失,不亮,不响,按试验按钮,亮,响,（4）能区别第一故障的报警系统。在生产过程中，还会遇到几个工艺参数同时越限而引起报警的情况。为了便于寻找产生故障的根本原因，需要把首先出现的故障信号（第一故障）和后来相继出现的故障信号（第二故障）区别开来，这时可选用能区别第一故障的报警系统。当出现故障后，信号灯亮并发出音响，并以信号灯闪光表示第一故障，信号灯平光表示第二故障。值班人员确认后，音响消除。在这类系统中，往往还设有“复位”按钮，以区别瞬时故障和非瞬时故障。按下“复位”按钮以后，如果信号灯熄灭，表示该故障已经消失；如果信号灯仍亮，表示相应的故障仍然存在。能区别第一故障的报警系统的工作状态见表6.,表6.3 能区别第一故障的报警系统工作状态表,工作状态,第一故障显示器/信号灯,其余显示器/信号灯,音响器,备注,正常,不亮,不亮,不响,第一报警信号输入,闪光,平光,响,有第二报警信号输入,按确认按钮,闪光,平光,不响,报警信号消失,不亮,不亮,不响,按试验按钮,亮,全亮,响,（5）延时报警系统。有时候，工艺上允许短时间内参数越限。为了避免报警系统过于频繁地报警，可采用延时报警系统。只有当故障持续时间超过规定时间以后才发出报警。,6.4.2 自动联锁保护系统,在生产过程中，有时会出现一般自动控制系统无法适应的情况，当工艺过程出现异常工况（某些关键变量超限幅度较大）时，如不及时采取必要的措施将会发生极为严重的事故，造成重大的经济损失或人员伤亡。为此，通过自动联锁保护系统，按照事先设计好的逻辑关系动作，自动启动备用设备或自动停车，切断与事故有关的各种联系，以避免事故的发生或限制事故的发展，防止事故的进一步扩大，保护人身和设备安全。自动联锁保护系统一般和自动信号报警系统一起使用。,1联锁保护系统的分类,联锁保护系统实质上是一种自动操纵系统，主要包括工艺联锁、机组联锁、程序联锁及各种泵类的起动停止联锁四种基本类型。工艺联锁又可分为单元联锁、装置联锁和全厂联锁。,（1）工艺联锁（即工艺联锁保护系统）。工艺联锁是由于工艺系统某变量超限而引起的联锁动作。例如，在合成氨装置中，锅炉给水流量越（低）限时，自动开启备用透平给水，实现工艺联锁。,（2）机组联锁。生产过程中大型运转设备或压缩机是工厂的心脏，这些重要设备往往不止一台，而是由数台设备组成的机组，如压缩机机组。运转设备本身或机组之间的联锁称为机组联锁。例如，大型合成氨原料气压缩机有6个停车因素，分别是压缩机入口缓冲罐液位高、压缩机段间分离罐液位高、高压缸油气差压低、低压缸油气差压低、压缩机润滑油压低停车和压缩机紧急停车按钮。只要其中任何一个因素不正常，都会使压缩机停车。,（3）程序联锁。程序联锁确保按预定程序或时间次序对工艺设备进行自动操纵。如合成氨的辅助锅炉引火烧嘴检查与回火、脱火停止燃料气的联锁。为了达到安全点火的目的，在点火前必须对炉膛内的气体压力进行检测，用空气吹除炉膛内的可燃性气体。吹除完毕后方可打开燃料气总管阀门，实施点火，即整个操作过程必须按燃料气阀门关-炉膛内气压检查-空气吹除-打开燃料气阀门-点火的操作顺序进行。如果不按照这个顺序进行，由于联锁的作用，就不能实现点火操作，只有按上述点火程序，才能确保安全点火操作。,（4）各种泵类的开停联锁。各种泵类的开停联锁是指各种泵类的单机起动与停止受联锁触点控制。,2自动联锁保护系统的组成,（1）自动联锁保护系统的组成,自动联锁保护系统主要由检测元件、逻辑单元和执行元件三部分组成，如图6.21所示。,图6.21 自动联锁保护系统的组成,检测元件，又称为发信元件，包括各种工艺参数或设备状态检测接点、控制开关、按钮、选择开关及操作指令等，起到参数检测、发布指令的作用。这些元件的通、断状态就是自动联锁保护系统的输入信号。常用的有温度、压力、流量、液位开关及各种测量变送器的设定上限、下限等。,执行元件，又称输出元件，包括报警显示元件和操纵设备的执行元件。报警显示元件有信号灯、各种音响器等，执行元件有电磁阀、电机启动器等。这些元件由系统的输出信号（逻辑单元输出的控制信号）驱动。,逻辑单元，又称中间元件或中间逻辑单元；根据输入信号进行逻辑运算，并向执行元件发出控制信号。逻辑单元以前多采用有触点的继电器、接触器线路和无触点的晶体管、集成电路等。由于可靠性差和技术落后，现在广泛应用可编程控制器（PLC）、分散控制系统（DCS）和紧急停车系统（ESD）。,（2）可靠性原则,在自动联锁保护系统中，由于被保护的对象或设备的重要程度不同，对各种检测元件、逻辑单元和执行元件的可靠性要求也各不相同。在工业生产中自动联锁保护系统的可靠性应最高，所以在自动联锁保护系统的设计中应采取有效措施，以保证系统的高可靠性。这些可靠性原则如下所述。,独立设置原则，即各部分尽量使用专用设备或仪表（包括检测元件和执行元件），以免受其他关联故障或误操作的影响；,冗余原则，即采用相同功能的几个元件完成同一功能。如采用两个或三个检测元件测量同一参数，采用两个控制阀完成放空或泄压，采用三套逻辑单元进行逻辑运算等。一旦个别元件出现故障，系统仍正常工作；,故障安全原则，即检测元件和执行元件在正常情况下是带电工作的。为防止误动作，应采用合理的连接机制（见后面介绍的紧急停车系统简介）。,（3）自动联锁保护系统实例加热炉安全联锁保护系统,为了安全生产，防止由于事故而带来的损失，在大型加热炉中配备安全联锁保护系统。针对加热炉的各种具体情况可采用不同的联锁保护系统。下面以采用燃料气为燃料的加热炉安