过程控制系统第4章-选择、均匀、分程

下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 在两塔之间增设中间缓冲容 器来克服, 器来克服 但这增加了投资 且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长, 的过程又不允许中间储存的时间过长 因 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 均匀地变化 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
Q1 QC1
K
二 氧 化 碳 反 应 器 氧 气
Q1r
主控器 控制阀 主流量变送器 比值器 主对象
Q1
QC2 Q2
混 合
Q2
副控器 控制阀 副流量变送器 副对象
双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统, 双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统 使主流 量的变化较为平稳, 从而副流量的变化也较平稳, 提高 量的变化较为平稳 从而副流量的变化也较平稳 了流量比值的精确度, 另一优点是, 了流量比值的精确度 另一优点是 提降负荷比较方便 只要缓慢地改变主控器的给定值, 就可提降主流量, 只要缓慢地改变主控器的给定值 就可提降主流量 而 副流量也可自动跟踪提降. 副流量也可自动跟踪提降 双闭环比值控制系统的缺点除结构稍复杂, 双闭环比值控制系统的缺点除结构稍复杂 投资稍 多外, 由于两个闭环通过比值器互相联系, 当主﹑ 多外 由于两个闭环通过比值器互相联系 当主﹑副控 制器参数整定不当时, 会引起“共振” 为防“共振” 制器参数整定不当时 会引起“共振”, 为防“共振”, 应 通过对主控制器的参数整定, 通过对主控制器的参数整定 尽量使主回路的输出为非 周期变化. 副控制器一般选PI控制 控制. 周期变化 主﹑副控制器一般选 控制 (四)变比值控制系统 四 变比值控制系统 上述各种比值控制都是定比值方案. 上述各种比值控制都是定比值方案 但生产上维持 流量比恒定往往不是控制的最终目的, 流量比恒定往往不是控制的最终目的 仅仅是保证产品 质量的一种手段. 质量的一种手段 当系统中存在除流量干扰外的其它干
比值控制系统
一﹑基本概念 在化工﹑炼油及其它工业生产过程中, 在化工﹑炼油及其它工业生产过程中 工艺上常需 要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系, 要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系 比例一 旦失调, 将影响生产或造成事故. 例如, 旦失调 将影响生产或造成事故 例如 在造纸生产过 程中, 浓纸浆和水按一定的比例混合, 程中 浓纸浆和水按一定的比例混合 才能制造出一定 浓度的纸浆, 显然这个流量比和产品质量有密切的关系. 浓度的纸浆 显然这个流量比和产品质量有密切的关系 在重油气化的造气过程中, 在重油气化的造气过程中 进入气化炉的氧气和重油流 量应保持一定的比例, 若氧油比过高, 量应保持一定的比例 若氧油比过高 会因炉温过高而 使喷嘴和耐火砖烧坏, 严重时会引起炉体爆炸; 使喷嘴和耐火砖烧坏 严重时会引起炉体爆炸 如果氧 量过低, 则因生成的碳黑增多, 发生堵塞现象. 量过低 则因生成的碳黑增多 发生堵塞现象 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制 系统, 称为比值控制系统. 系统 称为比值控制系统 通常以保持两种或几种物料
的流量为一定比例关系的系统, 称之流量比值系统. 的流量为一定比例关系的系统 称之流量比值系统 在需要保持比值关系的两种物料中, 在需要保持比值关系的两种物料中 必有一种物料 处于主导地位, 这种物料称之为主物料, 处于主导地位 这种物料称之为主物料 表征这种物料 的参数叫主动量. 的参数叫主动量 由于在生产过程控制中主要是流量比 表示 值控制系统, 所以主动量也称为主流量, 值控制系统 所以主动量也称为主流量 用 Q1 表示; 而另一种物料按主物料进行配比, 在控制过程中随主物 而另一种物料按主物料进行配比 料而变化, 因此称为从物料, 料而变化 因此称为从物料 表征其特性的参数叫从动 量或副流量, 用 Q2 表示. 一般情况下, 总把生产中主要 量或副流量 表示 一般情况下 物料定为主物料. 但在有些场合, 以不可控物料定为主 物料定为主物料 但在有些场合 物料, 物料 用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值 关系. 工艺上要求的比值定义为: K = Q2 / Q1 关系 工艺上要求的比值定义为 在比值控制系统中, 在比值控制系统中 从动量随主动量按一定比例变 故比值控制系统实际上是一种随动系统. 化, 故比值控制系统实际上是一种随动系统
二﹑比值控制系统的类型 (一)开环比值控制系统 一 开环比值控制系统 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统, 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统 其系 统组成如下图所示. 稳态时, Q2 = KQ1 , 当主物料 Q1在某 统组成如下图所示 稳态时 Q1 一时刻因干扰作用发生变化时, 一时刻因干扰作用发生变化时 比 值器按 Q1对设定值的偏差而动作 按比例发 对设定值的偏差而动作, 出信号去改变控制阀的开度, 使从物料 Q2 出信号去改变控制阀的开度 设定值 K 保持原有的比例关系. 重新与变化后的 Q1保持原有的比例关系 其 Q2 实质是满足控制阀的阀门开度与 Q1 之间成 一定的比例关系. 但是, 一定的比例关系 但是 当 Q2 因其管线两端压力波动而 发生变化时, 系统不起控制作用, 控制阀开度不变, 难以 发生变化时 系统不起控制作用 控制阀开度不变 保证 Q2 与 Q1 的比值关系 开环比值控制系统结构简单 只 的比值关系. 开环比值控制系统结构简单, 能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合. 能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合
第4章 章
均匀控制系统
其它控制系统
一﹑均匀控制的目的和要求 在连续生产过程中, 在连续生产过程中 前一设备的出料往往是后一设 备的进料, 且随生产的进一步强化, 备的进料 且随生产的进一步强化 前后生产过程的联 系更加紧密, 此时设计自动控制系统应从全局考虑. 系更加紧密 此时设计自动控制系统应从全局考虑 例 用精馏方法分离多组分的混合物时, 如, 用精馏方法分离多组分的混合物时 总是几个塔串 联运行; 在石油裂解气深冷分离的乙稀装置中, 联运行 在石油裂解气深冷分离的乙稀装置中 前后串 联了八个塔进行连续生产. 联了八个塔进行连续生产 为保证这些相互串联的塔能 正常地连续生产, 正常地连续生产 每一个塔都要求进入塔的流量保持在 一定的范围内, 同时也要求塔底液位不能过高或过低. 一定的范围内 同时也要求塔底液位不能过高或过低
三﹑控制器的参数整定 均匀控制方案中的控制器可选P或 控制作 均匀控制方案中的控制器可选 或PI控制作 一般不选用微分作用. 用, 一般不选用微分作用 控制器的比例 度要大, 积分时间要长,即控制力度要小些 即控制力度要小些, 度要大 积分时间要长 即控制力度要小些 以突出一个“ 以突出一个“慢”字. 简单均匀控制系统 在结构上与单回路控制系统相同, 在结构上与单回路控制系统相同 因此控 制器参数整定的方法与单回路控制系统一 样.
0
t 0
t
作用下, 液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化, 作用下 液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化 如上右图所示. 通常, 如上右图所示 通常 简单均匀方案中的控制器采用纯 比例控制, 且比例度较大, 一般大于100%, 当需采用 当需采用PI 比例控制 且比例度较大 一般大于 控制时, 应使积分弱些, 即积分时间常数整定的大些. 控制时 应使积分弱些 即积分时间常数整定的大些 简单均匀控制系统的最大优点是结构简单, 简单均匀控制系统的最大优点是结构简单 投运方 成本低廉. 但当前后设备的压力变化较大时, 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, 控制阀的开度不变 输出流量也会发生变化 所以它适 用于干扰不大, 要求不高的场合. 此外, 用于干扰不大 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. 自衡能力较强时 均匀控制的效果也较差
Q2
比值器 含乙腈的洗涤水 流量变送器 流量变送器 控制器 控制阀 对象
Q1
在稳定工况下, 在稳定工况下 主﹑副流量满足工艺要求的比值 K = Q2 / Q1 经流量变送器送到比值器 当主流量变化时, 当主流量变化时 Q1 经流量变送器送到比值器, 比值器按 预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化, 即成比例 预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化 地改变副流量控制器的给定值, 地改变副流量控制器的给定值 此时副流量闭环系统为一 变化,在新的工况下, 在新的工况下 随动控制系统, 使 Q2 跟随 Q1 变化 在新的工况下 流量比 随动控制系统 值保持不变. 当副流量由于干扰而变化时, 值保持不变 当副流量由于干扰而变化时 副流量闭环系 统相当于一个定值控制系统, 自行调节, 统相当于一个定值控制系统 自行调节 使工艺要求的流 量比仍保持不变. 量比仍保持不变 单闭环比值控制系统的优点是不但能实现副流量跟随 主流量的变化而变化, 主流量的变化而变化 而且能克服副流量本身干扰对比值 的影响, 因此主副流量的比值较为精确, 的影响 因此主副流量的比值较为精确 结构新形式较为 简单, 实施方便, 应用较为广泛, 简单 实施方便 应用较为广泛 尤其适用于主物料在工 艺上不允许进行控制的场合. 艺上不允许进行控制的场合 其缺点是, 由于主流量不受控制, 其缺点是 由于主流量不受控制 当主流量因干扰或 负荷的变化而出现大幅度变化时, 副流量在控制过程中, 负荷的变化而出现大幅度变化时 副流量在控制过程中 相对于控制器的设定值会出现较大的偏差, 相对于控制器的设定值会出现较大的偏差 主﹑副流量的
甲塔
Q0
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下 Q 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
比值会较大地偏离工艺要求的流量比, 比值会较大地偏离工艺要求的流量比 即不能保证动态 比值. 比值 (三)双闭环比值控制系统 三 双闭环比值控制系统 在单闭环比值控制系统的基础上, 增设对主流量的 在单闭环比值控制系统的基础上 控制回路即构成双闭环比值控制系统, 控制回路即构成双闭环比值控制系统 下图所示为溶剂 厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制 系统. 下右图是双闭环比值控制系统的方框图. 系统 下右图是双闭环比值控制系统的方框图
均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允
许在规定范围内缓慢地变化. 许在规定范围内缓慢地变化 二﹑均匀控制系统的结构方案 下图即为液位和流量的简单均匀控制系统的 例子. 例子
从系统结构形式上看, 从系统结构形式上看 它与单回路液位定 值控制系统一样, 但两者控制目的不同, 值控制系统一样 但两者控制目的不同 LC H 所以在控制器的参数整定上也不同. 下面 所以在控制器的参数整定上也不同. 分三种情况说明. 第一种情况, 分三种情况说明 第一种情况 控制器的 K c 较大, 即控制作用较强, 在干扰作用下 较大 即控制作用较强 液位偏离给定值时, Q 液位偏离给定值时 控制器给出强有力 的控制作用, 使液位迅速回到给定值, 的控制作用 使液位迅速回到给定值 且余差很小, 且余差很小 但流量发生 H Q H H0 较大的波动.如右图所示 如右图所示. 较大的波动 如右图所示
开环比值控制系统的方框图如下所示. 开环比值控制系统的方框图如下所示
设定值 比值器 流量变送器 控制阀
Q2
Q1
(二)单闭环比值控制系统 二 单闭环比值控制系统 下图是一单闭环比值控制系统的实例. 下图是一单闭环比值控制系统的实例 丁稀 丁稀洗涤塔的作用是用水除去丁稀馏 含乙腈的 分所夹带的微量乙腈, 为保 分所夹带的微量乙腈 洗涤水 丁稀馏分 洗 证洗涤质量, 证洗涤质量 要求根据进料 涤 塔 流量配以一定比例的洗涤水流量. 流量配以一定比例的洗涤水流量 QC 单闭环比值控制系统方框图如下. 单闭环比值控制系统方框图如下 K