分程控制新版系统.doc

2.5 分程控制系统2.5.1 分程控制系统基本概念1分程调节系统普通来说，一台调节器输出仅操纵一只调节阀，若一只调节器去控制两个以上阀并且是按输出信号不同区间去操作不同阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。图2.5-1表达了分程控制系统简图。图中表达一台调节器去操纵两只调节阀，实行（动作过程）是借助调节阀上阀门定位器对信号转换功能。例如图中A、B两阀，规定A阀在调节器输出信号压力为0.020.06MPa变化时，作阀得全行程动作，则规定附在A阀上阀门定位器，对输入信号0.020.06MPa时，相应输出为0.020.1MPa，而B阀上阀门定位器，应调节成在输入信号为0.060.1 图2.5-1 分程控制系统示意图MPa时，相应输出为0.020.1MPa。按照这些条件，当调节器（涉及电/气转换器）输出信号不大于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号不不大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。分程控制系统中，阀开闭形式，可分同向和异向两种，见图2.5-2和图2.5-3。 图2.5-2 调节阀分程动作（同向） 图2.5-3 调节阀分程动作（异向）普通调节阀分程动作采用同向规律是为了满足工艺上扩大可调比规定；反向规律选取是为了满足工艺特殊规定。2分程控制系统应用1）为扩大调节阀可调范畴。调节阀有一种重要指标，即阀可调范畴。它是一项静态指标，表白调节阀执行规定特性（线性特性或等比例特性）运营有效范畴。可调范畴可用下式表达： （2.5-1）式中 阀最大流通能力，流量单位。 阀最小流通能力，流量单位。国产柱塞型阀固有可调范畴=30，因此。须指出阀最小流通能力不等于阀关闭时泄漏量。普通柱塞型阀泄漏量仅为最大流通能力0.10.01%。对于过程控制绝大某些场合，采用=30控制阀已足够满足生产规定了。但有很少数场合，可调范畴规定特别大，如果不能提供足够可调范畴，其成果将是或在高负荷下供应局限性，或在低负荷下低于可调范畴时产生极限环。例如蒸汽压力调节系统，设锅炉产生是压力为10MPa高压蒸汽，而生产上需要是4MPa平稳中压蒸汽。为此，需要通过节流减压办法将10MPa高压蒸汽节流减压成4MPa中压蒸汽。在选取调节阀口径时，如果选用一种调节阀，为了适应大负荷下蒸汽供应量需要，调节阀口径要选取得很大，而正常状况下蒸汽量却不需要哪么大，这就需要将阀关小某些。也就是说，正常状况下调节阀只是在小开度工作，由于大阀在小开度下工作时，除了阀特性会发生畸变外，还容易产生噪声和震荡，这样控制会使控制效果变差控制质量减少。为理解决这一矛盾，可选用两只同向动作调节阀构成分程控制系统，如图2.5-2所示分程控制系统采用了A、B两只同向动作调节阀（依照工艺规定均选为气开式）其中A阀得在调节器输出信号412mA（气压信号为0.020.06MPa）时由全闭到全开，B阀得在调节器输出信号1220mA（气压信号为0.060.1MPa）时由全闭到全开，这样，在正常状况下，即小负荷时，B阀处在全关，只通过A阀开度变化来进行控制；当大负荷时，A阀已全开仍满足不了蒸汽量需求，这是B阀也开始打开，以补足A阀全开时蒸汽供应量局限性。 图2.5-4 蒸汽减压分程控制系统原理图 假定系统中所采用A、B两只调节阀最大流通能力均为100，可调范畴=30。由于调节阀可调范畴为： （2.5-2）据上式可求得 = （2.5-3）当采用两支阀构成分程控制系统时，最小流通能力不变，而最大流通能力为两阀最大流通能力之和=200，因而A、B两阀组合后可调范畴应是： 这就是说采用两支流通能力相似调节阀构成分程控制系统后，其调节阀可调范畴比单只调节阀增大一倍。2）满足工艺操作特殊规定。在某些间歇式生产化学反映过程中，当反映物投入设备后，为了使其达到反映温度，往往在反映开始前需要给它提供一定热量。一旦达到反映温度后，就会随着化学反映进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反映就会越来越激烈，以致会有爆炸危险。因而对于这种间歇式化学反映器既要考虑反映前预热问题，又要考虑反映过程中及时移走反映热问题。为此设计了如图2.5-5所示分程控制系统。 图2.5-5 间歇式化学反映器分程控制系统图图中温度调节器选取反作用，冷水调节阀选取气关式（A阀），热水调节阀选取气开式（B阀）。该系统工作过程如下:在进行化学反映前升温阶段，由于温度测量值不大于给定值，因而调节器输出增大，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷水阀关，以便使反映器温度升高。当温度达到反映温度时，化学反映发生，于是就有热量放出，反映物温度逐渐提高。当温升使测量值不不大于给定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作用），随着调节器输出减小，B阀将逐渐关小乃至完全关闭，而A阀则逐渐打开。这时反映器夹套中流过将不再是热水而是冷水。这样一来，反映所产生热量就被冷水所带走，从而达到维持反映温度目。2.5.2分程控制系统方案实行1分程区间决定分程控制系统设计重要是各种阀之间分程区间问题，设计原则： 先拟定阀开关作用形式（以安全生产为主）； 再决定调节器正反作用；最后决定各个阀分程区间。2分程阀总流量特性改进当调节阀采用分程控制，如果它们得流通能力不同，组合后总流通特性，在信号交接处流量变化并不是光滑。例如选用和这两只调节阀构成分程控制，两阀特性及它们组合总流量特性如图2.5-6所示。 图2.5-6 分程系统大、小阀连接组合特性图由图2.5-6可以看出，本来线性特性较好两只控制阀，当组合在一起构成分程控制时，其总流量特性已不再呈现线性关系，而变成非线性关系了。特别是在分程点，总流量特性浮现了一种转折点。由于转折点存在，导致了总流量特性不平滑。这对系统平稳运营是不利，为了使总流量特性达到平滑过渡，可采用如下办法。解决在0.06处浮现了大转折，呈严重非线性办法 选用等比例阀此时可自然解决； 线性阀则可通过添加非线性补偿调节办法将等比例特性校正为线性。2.5.3 阀位控制系统1概述一种控制系统在受到外界干扰时，被控变量将偏离原先给定值，而发生变化，为了克服干扰影响，将被控变量拉回到给定值，需要对控制变量进行调节。对一种系统来说，可供选取作为控制变量也许是各种，选取控制变量既要考虑它经济性和合理性，又要考虑它迅速性和有效性。但是，在有些状况下，所选取控制变量很难做到两者兼顾。阀门控制系统就是在综合考虑控制变量迅速性、有效性、经济性和合理性基本上发展起来一种控制系统。阀位控制系统原理构造如图2.5-7所示。在阀位控制系统中选用了两个控制变量蒸汽量和物料量，其中控制变量从经济性和工艺合理性考虑比较适当，但是对克服干扰影响不够及时有效。控制变量却正好相反，迅速性、有效性较好，但经济性、工艺合理性较差。 图2.5-7 阀位控制系统构造原理图这两个控制变量分别由两支控制器来控制。其中控制变量为主控制器TC，控制变量为阀位控制器VPC。主控制器给定值即产品质量指标，阀门控制器给定值是控制变量管线上控制阀阀位，阀位控制系统也因而而得名。2阀位控制系统工作原理如图2.5-8阀位控制系统，假定A阀、B阀均选为气开阀，主控制器TC（温度调节器）为正作用，阀位控制器VPC为反作用。系统稳定状况下，被控变量等于主控制器设定值R，A阀处在某一开度，控制B阀处在阀位调节器VPC所设立小开度r。当系统受到外界干扰使原油出口温度上升时，温度调节器输出将增大，这一增大信号送往两处：其一去B阀；其二去VPC。送往B阀信号将使B阀开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送往VPC信号是作为后者测量值，在r不变状况下，测量值增大，VPC输出将减小，A阀开度将减小，燃料量则随之减小，出口温度也将因而而下降。这样A、B两只阀动作成果都将会使温度上升趋势减低。随着出口温度上升趋势下降，温度调节器输出逐渐减小，于是B阀开度逐渐减小，A阀开度逐渐加大。这一过程始终进行到温度调节器及阀位调节器偏差都等于0时为止。温度调节器偏差等于0，意味着出口温度等于给定值，即阀位调节器偏差等于零，意味着调节阀B阀压与阀位调节器VPC设定值r相等，而B开度与阀压是有着一一相应关系，也就是说阀B最后会回到设定值r所相应开度。 由上面分析可以看到：本系统运用控制变量有效性和迅速性，在干扰一旦浮现影响到被控变量偏离给定值时，先行通过对控制变量调节来克服干扰影响。随着时间增长，对控制变量调节逐渐削弱，而控制出口温度任务逐渐转让给控制变量来担当。最后阀B停止在一种很小开度(由设定值r来决定)上，而维持控制合理性和经济性。2.6 选取性控制系统2.6.1概述选取性控制系统又叫取代控制，也称超驰控制。普通自动控制系统只能在生产工艺处在正常状况下进行工作，一旦生产浮现事故状态，控制器就要改为手动，待事故排除后，控制系统再重新投入工作。在大型生产工艺过程中，除了规定控制系统在生产在正常状况下可以克服外界干扰，平稳操作外，还必要考虑事故状态下安全生产。即当生产操作达到安全极限时，应有保护性办法。属于生产保护性办法有两类：一类是硬保护办法；一类是软保护办法。所谓硬保护办法就是当生产操作达到安全极限时，有声、光报警产生。此时有操作工将控制器切换到手动，进行手动操作、解决；或是通过专门设立联锁保护线路实现自动停车，达到保护生产目。对于持续生产过程来说，虽然短暂设备停车，也会导致巨大经济损失。因而这种硬保护办法已逐渐不为人们所欢迎，相应地浮现了软保护办法。所谓软保护办法，就是通过一种特定设计选取性控制系统，在生产短期内处在不正常状况时，生产设备不须停车，由选取性控制系统自动变化操作方式，使参数脱离极限值。并且当参数恢复正常时原控制系统自动恢复，避免停车并且无需人参入与。2.6.2 超驰控制设计应用 如图（2.6-1）（a）、（b）可用来阐明氨蒸发器是如何从一种可以满足正常生产状况下控制方案，演变成为烤炉极限条件下超驰控制实例。 图2.6-1 液氨蒸发器控制方案液氨蒸发器是一种换热设备，它是运用液氨汽化需要大量热量，以此来冷却流经管内被冷物料。在生产中，往往规定物料出口温度稳定，即构成一种以被冷物料出口温度为被控变量，以液氨流量为操纵变量控制方案。见图2.6-1（a），这一控制方案用是变化传热面积来调节传热量办法。因液位高度会影响热互换器浸润传热面积，因而液位高度反映传热面积变化。由此可见液氨蒸发器实质上是一种单输入（液氨流量）两输出（温度和液位）系统。通过工艺适当设计，正常状况下温度得到控制后来，液位也应当在一定容许区间。超限现象是由于浮现了非正常工况缘故。不妨假设有杂质油漏入被冷物料管线，使传热系数猛降，为了取走同样热量，就要大大增长传热面积。但当液位沉没了换热器所有列管时，传热面积增长已达极限，如果继续增长氨蒸发器内液氨量，并不会提高传热量。但是液位继续升高，却也许带来生产事故。这是由于气化氨是要回收重复使用，气氨将进入压缩机入口，若气氨带液，液滴会损坏压缩机叶片，因而液氨蒸发器上部必要留有足够气化空间，因此就要限制液位不要超过某一限高。为此就必要在原有温度控制基本上加一种防液位超限控制系统。两个控制系统工作规律如下：正常状况下，由温度控制器操纵阀门进行温度控制；当浮现非正常工况，引起氨液位达到高限时，被冷却物料温度虽然仍偏高，此时温度偏离给定值暂时成为次要因素，而保护氨压缩机已经上升为重要矛盾，于是液位控制器取代温度控制器工作。等引起不正常因素消失，液位恢复到正常区域，此时又应恢复温度控制闭环运营。实现上述功能防超限控制方案如图2.6-1（b），它具备两台控制器，通过选取器对两个输出信号选取来实现对控制阀两种控制方式。正常状况下应当选温度控制器输出信号，当液位达到极限时，则应选上液位控制器输出。这种控制方式，习惯上称为“超驰控制”。总之，选取性控制系统工作过程是：（1）在正常状况下，温度调节系统进行调节工作（2）当液面达到高限时，LC调节器抢夺（3）当液面恢复正常值时，TC温度调节恢复正常工作。选取性控制系统特点是：（1）实现工艺规定逻辑关系或极值条件（2）系统中详细实现逻辑功能选取器（3）保护性系统必要是短时（4）“救急”控制系统。选取性调节系统设计：（1）被调节参数选取（2）调节器选型及参数整定（3）选取器选取环节，先拟定阀开、关形式；再拟定出调节器正反作用；最后看超驰系统参数极限输出，是高选取器选为高选。是低为低选。正常回路参数变化与选取器选取无关。2.6.3关于防积分饱和办法由于选取性控制系统中，总有一台控制器处在开环状态，因而易产生积分饱和。防积分饱和三种办法： 限幅法：用高低值限幅器,控制器积分反馈信号限定在某个区域。 外反馈法：在控制器开环状态下，不再使它自身信号做积分反馈，而是采用适当外部信号作为积分反馈信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步偏差积分作用。 积分切除法：它是从控制器自身线路构造上想办法。使控制器积分线路在开环状况下，会暂时自动切除，使之仅具备比例作用。因此此类控制器称为PI-P控制器。由于积分切除法，重要是涉及仪表内部线路设计，在这里不作进一步讨论。关于限幅器与外反馈办法，由于它们防积分饱和原理不一致，功能亦有差别，在应用中应注意它们各自合用场合。对于选取性控制系统防积分饱和，应选取外反馈法。其积分外反馈信号取自选取器输出信号，如图2.6-2所示。当控制器1处在工作状态时，选取器输出信号等于它自身输出信号，而对控制器2来说，这信号就成为外部积分反馈信号了。反之，亦相似。 值得注意是，在这里防积分饱和要解决问题，并非仅仅是在于使开环工作控制器输出信号不超过有效区间，并且规定当该控制器偏差为0时瞬间，其输出信号与当时工作控制器输出信号相似，以以便及时替代。图2.6-2外反馈法能满足这种规定。由于对普通PI控制器，存在下式 因而控制器1工作时，控制器输出算式 （2.6-1）式中：偏差，控制器比例增益， 图2.6-2 选取性调节系统防积分饱和示意图为积分反馈时间常数。若为0，且系统处在较平稳阶段时，上式为： （2.6-2）从而实现了跟踪，一旦偏差反向，控制器输出信号及时会被选上，显然，若在这里选用限幅法防积分饱和，则无法起到信号跟踪功能。2.6.2其她选取控制系统选取性控制系统除用于软保护外，尚有诸多用途，兹举一下数例。1 用于被控变量测量值选取固定床反映器中热点温度控制就是一种例子。热点温度（即最高点温度）位置也许会随催化剂老化，变质和流动等因素而有所移动。反映器各处温度都应参加比较，择其高者用于温度控制。其控制方案见图2.6-3。类似一种状况是使用复份检测仪表时控制问题。成分分析仪普通比其他仪表可靠性差。在图2.6-4所示系统中，采用两台分析仪，用高值选取器来决定仪表信号选用，因此万一哪一台分析仪浮现刻度偏高故障时，依然可以维持正常控制作用。图中方案固然也许会导致刻度偏高故障影响，但这里假定它不至于导致过大危害。假若刻度偏高、偏低故障都不太容许，则应配备三个分析仪，它们输出送至中值选取器，将其中最高和最低信号均舍弃。因而在分析仪产生任一方向故障时，设备都能受到保护。图2.6-3 高选器用于控制反映器热点温度 图2.6-4 用选取器对复份仪表检测信号进行选取2 用于“变构造控制”有时在系统达到某一约束区后，需要将调节器输出从一种阀门切换到另一种阀上去。图2.6-5冷凝器控制系统即属于这种状况。图中系统是精馏塔控制一某些。来于精馏塔顶物料蒸汽在进入冷凝器后，被冷凝为液体。冷凝液流入冷凝液贮罐，并用泵输送回塔。 正常运营条件下，所有蒸汽都是可凝。塔顶蒸汽压力可以通过变化回流量来进行控制。这里变化回流量目是为 了调节冷凝器中冷凝液液位。 图2.6-5 精馏过程中冷凝器控制系统 如回流量减少，则液位升高，减小冷凝器中暴露于蒸汽中传热表面积使冷凝量减小蒸汽压力上升。在此期间，回流罐液位升高，液位控制器产生高输出信号，但是这个信号不会被低值选取器选中，此时，送给减法器两个信号相等，减法器输出至排气阀信号为零，相应地排气阀应处在全关状态。如有不凝气体在冷凝器中积累起来，压力就会升高。压力控制器将加大回流量，但也许冷凝器中液体抽完，压力依然降不下来。这时为了避免抽空冷凝贮罐和气蚀回泵，液位控制器必要接替压力控制器控制回流量。对于已经空了冷凝器，只能依托排出不凝气体来减低压力。在图2.6-5系统中，当选取液位控制器控制回流量时，压力控制就被平稳地切换到排气阀上。在切换点，送给减法器两个输入信号开始有所不同，产生一种打开排气阀信号。压力控制器输出以排气阀代替了控制回流阀。压力控制器参数应当在它控制回流量时进行整定。当它控制排气阀时，可以通过调节减法器通道系数办法重新加以调节。液位控制器需要有外部反馈以防积分饱和，但压力控制器没有这个必要，由于无论通过哪一种阀门进行控制，它回路总是闭合。2.7按计算指标控制系统 在工业生产过程中，对于某些特殊生产工艺，采用能直接测量变量作为操纵指标不能满足工艺规定，而可以作为操作指标某些变量，由于种种因素又不能直接测量出来。这时可以通过测量与此控制指标关于某些变量，按一定物料或能量换算关系，由计算指来获得控制指标，进行控制。这一类由测量变量经计算得到控制指标作为被控变量控制系统即称之按计算指标控制系统。常用按计算指标控制系统从构造来分，可有两种状况：一类是由辅助输出变量推算出控制指标，直接作为被控变量测量值；另一类是以某辅助输出变量为被控变量，而它设定值则由控制指标算式推算来得出。这两种状况本质上是一致。重要应用在精馏塔内回流控制系统，和气液混相进料下热焓控制系统等2.71精馏塔内回流控制1内回流及其对精馏操作影响内回流是精馏塔平稳操作一种重要因素，内回流普通是指精馏塔精馏段内上一层塔盘向下一层塔盘流下液体流量。它与精馏操作普通所说回流量（即外回流量）是既关于系，又有区别两个概念。从精馏操作原理看：当塔进料流量、温度、和成分都比较平稳时，内回流稳定是保证塔操作良好一种重要因素。内回流变化会影响塔盘上气液平衡工况，导致塔顶、塔底产品也许不合格。因此要使工况稳定，需保持内回流量恒定。如果进料流量不能保证恒定期，从精馏操作可知，要保证产品合格，应使内回流量随塔进料量按一定比例变化，同步，再沸器汽化量也要做相应增减。因而依照精馏塔工艺状况，但愿塔内回流稳定或按规律（如与进料量成比例）变化。2内回流和外回流关系内回流与外回流之间关系如图2.7-1所示。外回流是塔顶蒸汽经冷凝器冷凝后，从塔外再送回精馏塔回流液量，由于外回流往往处在过冷状态，因此外回流液温度由于回流量不能直接测得普通要比回流层塔盘温度低，这样在这一层塔盘上，除了正常精馏过程汽化和冷凝外，尚需把外回流液加热到，而这一某些热能只能有这一层塔盘一某些上升蒸汽冷凝所释放汽化潜热来提供。因而从这一层塔盘向下流内回流量应等于外回流流量与这某些冷凝液量之和，即： （2.7-1）式中 内回流； 外回流；冷凝液量。由式（2.7-1）可看出内回流与外回流关系。（1） 若则=0，；（2） 若则0，。 普通塔顶蒸汽采用风冷式冷凝器冷却，因此，这样不能用代替，而需要采用内回流控制。3实现内回流控制办法由于内回流难于测量和控制，必要通过测量与其关于某些其他变量，通过计算得到内回流作为被控变量，方可实现内回流控制。1）内回流运算数学模型内回流运算数学模型可以通过列写回流层物料和能量平衡关系得到。物料平衡关系式如式（2.7-1）所示： 热平衡关系式为： （2.7-2）式中 冷凝液汽化潜热； 外回流液比热容； 回流层塔板温度； 外流层塔板温度。将式（2.7-2）代入式（2.7-1）可得： =） （2.7-3）式中 ，。式（2.7-3）即内回流计算式。由于和值可查关于物性数据表得到，外回流及温差可以直接测量得，这样通过式（2.7-3）即可间接算得内回流量。2）实现内回流控制示意图内回流控制系统原理图如图2.7-2所示。由图可知，内回流计算装置可以由开方器、乘法器和加法器构成，通过它们完毕式（2.7-3）运算。由于内回流控制在石油、化工等生产过程中较为广泛，因而人们已设计出内回流计算专用仪表，以便于使用。 图2.7-2所示方案是通过变化外回流量来保证内回流量，从理论上讲也可以通过变化外回流液温度来实现。此外，如果精馏工艺中需要内回流按其她变量如进料量作一定比例变化时，只要把上述方案中流量调节器给定值由其她变量来决定就可以了。3）仪表信号匹配问题在“按计算指标控制系统中”，总需要有一种运算装置来实现关于“计算指标”得推算。当用几只模仿仪表或可编程调节器来实现这种运算时，必要注意采用适当设计环节。普通不适当按照工艺算式来构筑运算装置框图，而应当先将工艺算式转化为信号算式，再由信号算式去构筑运算装置。（1)依照工艺关系式设计运算装置环节环节1：选定信号变送器型号及变送范畴，并求得信号变送算式（设选用电型组合单元仪表）：（20-4）+4 mA （2.7-4）(20-4）+4 mA （2.7-5）(20-4）+4 mA （2.7-6）环节2：将变送器输出信号式（2.7-4）、（2.7-5）、（2.7-6）代入内回流运算数学模型（也称物理算式）（2.7-3）求得内回流运算信号。整顿得 （2.7-7）环节3：运用运算单元构筑能实现信号运算算式（2.7-7）信号运算装置。构造装置构筑环节普通可参照信号运算算式中算术运算顺序，但有时必要修改这种顺序，这时由于必要遵守如下注意事项：由于运算装置中每个运算单元输入和输出都是为有某种因次（如MPa，mA，V）信号，因而在构筑运算单元时，每考虑一步必要保持其输入、输出亦具备相应因次信号。对于（2.7-7）式可以做如下构筑+4即先用乘法器做方框里面运算，然后再用加法器实现方框外面乘上通道系数之后再相加运算。其仪表信号连接图见图2.7-3（图中）。环节4：验算有无溢出，得到运算装置后来，还需要检查在在参数整个变化区间，运算器所有信号与否会浮现满溢（即超过上、下限现象）。若有，普通是通过重新选取变送器量程等办法来解决。 例：已知 量程 = 50， ，-1代入构造算式得： = 50/50（-4）（1+0.00850）+4 = （-4）1+0.025（）+4验算：当= 20mA，= 20mA，=（-4）（1+0.4）+4= 22.8 mA 20mA上限溢出。当= 4mA，= 4mA，=（-4）（1+0.4）+4= 4 mA下限适当。防溢出办法：变化两量程比，重选量程， 。 则= 1/1.4（-4）（1+0.4）+4 当= 20mA，= 20mA时，=20mA满足上限规定。插入比例器件，设系数 为1/1.4也可。