过程控制 第6章 分程控制-xu

3 分程控制的应用
一、扩大系统控制的可调范围 例：蒸汽减压系统：
R = Cmax/Cmin
控制阀可调范围R为30。当选用大流量阀，则对小流量不敏感。 选小流量阀，不能调节大流量。这时采取控制阀并联工作。
高压蒸汽
100%
供水
PC
阀 门 开 度 中压蒸汽
0
0.02
0.06
0.10MPa
控制气压
蒸汽减压系统分程控制方案
100% 阀 门 开 度 0 0.02
A
B
0.10MPa
0.058 0.062
复习:分程控制系统
1、一台控制器控制两只或两只以上的控制阀，控 制器信号被分割成若干个信号范围段，而每一段 信号去控制一只控制阀全程工作。
0.02~0.06 100% 阀 门 开 度 Sp A B
控制阀A 对象 控制阀B 变送器
A
0.10MPa
P
PC Psp
0
0.058 0.062
+
GC(S)
+ -
充氮对象 放空对象
+
P
-
a）油罐氮气封压力控制系统：控制阀A应选气开阀，则 控制器应为反作用，B阀应选气闭。 b）分程区域：为了保证安全，不使贮罐压力过高，能 源中断时氮气阀A应该关闭，放空阀B打开，所以B阀应 在小信号段，A阀在高信号段。
• 根据需要不同的控制区段，调节阀门定位器零点 或反馈凸轮，实现其在分程区段全行程工作。 • 例如：要求控制阀在0.02~0.06MPa区段全行程工 作。调节阀门定位器调整0.06MPa时其对应输出 为100%开度(0.10MPa)，则控制阀全行程工作。 如果要求0.06MPa~0.1MPa区段，则阀门定位器 调整使得0.06MPa为开始工作压力(0.02MPa)。
100% 阀 门 开 度 0 0.02
A
100% 阀 门 开 度 0 0.02
B
0.10MPa 控制器输出
0.10MPa 控制器输出
• 在某些生产过程中，一个调节器，分别控制两个 或以上的执行器工作。每个执行器在调节器部分 范围内全行程动作。 这样的系统叫分程控制系统
分程控制系统
1 2 3 4 分程控制系统概述 分程控制的实现 分程控制的应用 分程控制系统的设计与控制器参 数的整定
控制器
0.06~0.10
0
0.02
0.06 0.10MPa 控制器输出
在一个控制信号下，最多只有一个控制阀工作。
2、分程控制是通过阀门定位器来实现的。 阀杆位置跟随气压输入信号。 3、分程控制的应用 √ √ √ √ √ 扩大系统控制的可调范围 -蒸汽减压系统 用于控制两种不同的介质 -间歇式化学反应器 用作生产安全的防护措施 -油罐的氮气压力控制 用于节能控制 -工业废水用于热交换器 用于环保 -废液的PH中和控制
设：A、B两阀最大流通能力Cmax均为100，可调范围 R为30。 R = Cmax/Cmin 总流通能力：C′max = CAmax+CBmax = 2Cmax = 200 Cmin = Cmax/R =100/30=3.33 R′= C′max/Cmin = 200/3.33 = 60
结论：采用两只流通能力相同的控制阀构成分程控制 系统，其控制阀可调范围R比单只控制阀进行控制时的 可调范围扩大一倍。
3分程控制的应扩大系统控制的可调范围蒸汽减压系统用于控制两种不同的介质间歇式化学反应器用作生产安全的防护措施油罐的氮气压力控制用于节能控制工业废水用于热交换器用于环保废液的ph中和控制分程控制系统的设计与控制器参数的整定一分程控制系统的设计1
三
分程控制系统
• 在单回路、串级、前馈等系统中调节器只控制一 个执行器动作。A气关阀，B气开阀。
放空 B 氮气 P A 100% 阀 门 开 度 0 0.02
B
A
0.10MPa
PC
0.058 0.062
油罐氮气封 分程控制系统
分析：油罐要保持一定压力氮气，注、放油时要保持压力。 A阀（充氮气）采用气开式，B阀（放空）为气闭式，控 制器为反作用。 （1）向油罐注油时P↑→PC↓(<0.06MPa)→A阀全关、B阀 开→P↓； （2）从油罐抽油时P↓→PC↑(>0.06MPa)→B阀全关、A阀 开→P↑。
思考：当A、B两阀最大流通能力C1max=4，C2max=100，可调范围R为 30,并联分程工作。系统的可调范围是多少？
二、用于控制两种不同的介质，以满足生产工艺的要求
例如：间歇反应器 工作原理：
1.按配比配好原料并放入反应器，开始时温度达不到反应要求， 需对其通以蒸汽加热，诱发化学反应；
2.当达到反应温度并开始反应后，会产生大量的反应热，需及 时地移走热量，否则会因温度过高而发生危险。
例：间歇式化学反应器分程控制系统
TC 冷却水 A B 蒸 汽
VA：冷却水，气闭 VB：蒸汽，气开 TC：反作用
开始反应时，蒸汽加热。反应进行时，冷却水冷却。
思考：两个控制阀对调节器正反作用选择有没有影响？
TC 冷水
VA：气闭
A B
蒸汽
VB：气开
TC： 反作用
100% 阀 门 开 度 0 0.02
2
分程控制的实现
%
分程控制的实现是通过控制阀的附件，即阀门 定位器来实现的。 • 阀门定位器：是调节阀的一种辅助装置，与调 节阀配套使用。
• 作用机理： 输入信号：控制器输入信号 输出：阀杆位移 将调节阀的阀杆位移信号反馈到阀门定位器的 输入端而构成一个闭环随动系统。
公称直径Dg
阀座直径dg
气动调节阀结构简图
A
0.058 0.062
B
0.10MPa
1.反应开始前升温阶段→T测<给定值→TC↑→A阀↓ →(A阀 全关时)B阀↑→蒸汽加热，T↑→达到反应温度时，反应开 始； 2.反应开始后T↑→T测>给定值→TC↓→B阀↓(B阀全关时)A 阀↑→T↓，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反 应继续进行。
三、用作生产安全的防护措施
4 分程控制系统的设计与控制器参数的整定
一、分程控制系统的设计 1.确定控制阀的开、闭形式： 从生产安全的角度考虑。
2.决定分程区域： 分程区域根据生产的要求和工艺的特点来考虑。 3.控制器的正反作用和控制规律选择： 与单回路控制系统设计方法一样。
1、控制阀的开闭形式与分程区间的确定
高压蒸汽
B
A PC 供水
四、用于节能控制。
例：某工业生产过程中，利用工业废水（热水）和蒸 汽对热交换器进行加热。当热水加热不能满足时，用 蒸汽加热。
控制阀A，B采用气开式，调节器为反作用。 充分利用工业废水加热，节省能源。
100%
阀 门 开 度
0 0.02
A
0.06
B
0.10MPa
控制气压
五、用于环保 工业生产中，比如造纸，印染，乙烯生产等过程中会 产生很多废液。不能直接排放，必须进行处理。其 中一步是对废液进行酸碱中和处理。 测量PH值，酸度越大，则控制阀输出越大。 控制阀A气关式，Ｂ气开式。调节器反作用。
小结：分程控制系统
1 分程控制系统概述 两个控制阀在控制器一个区段全程工作 2 分程控制的实现 阀门定位器实现 3 分程控制的应用 改善控制阀调节范围、实现两种介质控制、用于安 全防护、节能、环保等多个方面 4 分程控制系统的设计与控制器参数的整定 设计：开闭形式；分程区域；正反作用形式。 整定：兼顾两个通道进行参数整定。
一台控制器的输出可以同时控制两只或两只以上的 控制阀，控制器的输出被分割成若干个信号范围段， 而每一段信号去控制一只控制阀全程工作。
100% 阀 门 开 度 0 0.02 A B
0.06 0.10MPa 控制器输出
注：一台控制器的输出同时控两只或两只以上的控 制阀，每只控制控制阀在不同条件下在控制器输出 全程上工作，不是分程控制系统。
1 分程控制系统概述
• 例: 一般反应釜内化学反应, 开 始阶段放热的,中期和后期 是吸热的。
原料
TT
TC
冷却水
• 反应釜温度要求稳定，先预 热，开始反应时要冷却，中 期和后期要加热。
Sp
反应釜
B A 蒸汽
控制阀A
• 在开始和中期、后期需 要采用不同控制变量即 不同控制阀。
控制器 TC
对象
控制阀B 变送器
关于A、B两阀的分程区域的进一步讨论
分程区域中间可以存在的间歇区： 作用：可以避免两阀的频繁开闭，以有效地节省 氮气。 一般地贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大， 而压力控制的精度要求不高，存在一个间歇区是允许 的。
100% 阀 门 开 度 0 0.02
B
A
0.10MPa
0.058 0.062
间歇区
+
+
Gm(S)
+
a）间歇式化学反应器：A阀应选气闭阀，则控制器应 为反作用；B阀应选气开，控制器也应为反作用。 b）分程区域：为了保证安全，不使反应器温度过高， 能源中断时冷水阀应该打开，所以A阀应在小信号段， B阀在高信号段。
B 氮气 A
100%
阀 门 开 度
B
0.02 GVA(S) GVB(S) Gm(S)
100% 阀 门 开 度
A
B
0
0.02
0.06
0.10MPa
中压蒸汽 sp GC(S)
控制气压
P
+ +
GVA(S)
蒸汽管中压对象
+
GVB(S)
+
Gm(S)
a）蒸汽减压系统：控制阀A、B应选气开阀，则控制 器为正增益，反作用。 b）假如A、B阀为同口径或相近口径，线性阀，分程 区域可以等分。
• 分程控制图：
分程控制系统根据控制阀开、闭形式和分程区 段的不同，可以分为两类四种情况： （A）两个控制阀同向动作
100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 控制 气压 0.10MPa 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 控制 气压 0.10MPa
(a)两阀气开式
(b)两阀气闭式
（B） 两个控制阀异向动作
100% 阀 门 开 度 0 0.02
A
B
0.06
0.10MPa
控制气压
• 流量特性图：
管 路 流 量
0
B
A
0.02 0.06 0.10MPa
控制气压
TC 冷水 A B 蒸汽
100% 阀 门 开 度 0
A
B
0.06 0.10MPa
0.02
控制气压
Tsp GC(S)
GVA(S)
GVB(S) 减温对象 加温对象 T
100% 阀 门 开 度 100% 阀 门 开 度 0.06 控制 气压 0.10MPa
A
B
0
0.02
0
0.02
0.06 控制 气压
0.10MPa
(c)气开气闭式
100% 阀 门 开 度 100% 阀 门 开 度
(d)气闭气开式
A
B
0
0.02
0.10MPa 控制器输出
0
0.02
0.10MPa 控制器输出
几个相关问题： •控制阀泄漏问题：尤其是大、小阀并联分程控制 时，要保证大阀在关闭时泄露要小，不然小阀不 起作用。 •控制阀流量特性选择：除考虑对象特性外，更应 注意在分程点处控制阀的控制切换要平滑。
二、控制器参数的整定 分程控制系统有两只控制阀:
如两个控制阀对应对象特性比较接近、控制阀也 相同时：可按单回路系统一样来整定某一回路的控制 器参数； 若两个通道的特性不一样，相差很大：可采取折衷 的办法，选择一组合适的控制器参数，使之能兼顾两 个通道特性。
TT
原料
TT TC
预热：加热，阀A动作。 反应开始，冷却，阀B动作。 反应后面阶段，加热，阀A动作。
即在控制器整个输出信号区间， 控制两个控制阀在信号区间的 不同区段工作。 控制器的输出信号分成两段。
Sp
冷凝水 反应釜 B A 蒸汽
控制阀A
称为分程控制系统
控制器 TC
对象
控制阀B 变送器
TT
分程控制系统：