9分程控制过程控制自动化解析

PC
“A”
N2
气开阀
在炼油厂或石油化 工厂中，有许多存 放着各种油品或石 油化工产品的储罐， 为使这些油品或产 品不与空气中的氧 气接触而被氧化变 质，常采用罐顶充 氮气的做法，使储 存物与外界空气隔 绝。
氮封的技术要求
实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的 氮气压微量正压。储罐内储存物料量增减时， 将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否 则将使储罐变形，更有甚者，会将储罐吸扁。 因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充 氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液 面下降时应停止放出氮气。只有这样才能达到 既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。
阀位控制系统
r1
主控制阀 对
主控制器
阀位控制器 （VPC）
象 副控制阀
r2
测量变送器
图中，r2为对应旁路阀（主控制阀）的较小开度设定值。阀 位控制器VPC和副控制阀及对象构成一个次控制回路，主控制 器和主控制阀（旁路阀）及对象构成主控制回路（具有良好 的动态品质）。
例3：分馏塔轻柴油 抽出塔板温度控制问题
设计分程控制的目的：一是为扩大控制阀的可调范围， 以改善控制系统的品质；二是满足工艺上操作的特殊 要求。
分程控制应用之一
扩大控制阀的可调范围（同向分程） 控制阀的可调范围R：阀的静态指标，是控制阀可以调节的最
大流量与最小流量之比。国产柱塞型阀固有可调范围是30。 绝大多数化工生产过程中，R=30的控制阀足够满足生产要求。
分程与阀位控制系统
本讲主要内容
分程控制的特点与适用场合； 分程区间的确定方法； 阀位控制的概念与设计方法。
例1：间歇聚合反应器的控制问题
T
Y
冷水
“A”
蒸汽
“B”
控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需 的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水 进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度，怎么实现？
＋
TC
－
＋
蒸汽阀
f2(t)
＋ 换热器
反应釜
Tm 温度测量
问题： Tm Tm f1 f2
分程控制系统非线性的补偿
冷水阀 f1(t)
源自文库
Tsp
u(t)
＋
TC
－
＋
蒸汽阀
f2(t)
＋ 换热器
反应釜
Tm 温度测量
补偿原理： Tm f1 Tm f2 f1 u f2 u
分程控制非线性补偿方法
C-201
TIC203
TC
分
FC
馏
一中回流 塔
FIC203
反应油气
富气
D-201 粗汽油 轻柴油 回炼油浆 外甩油浆
问题：TIC203与轻柴油的产品 质量关系密切，需要加以有效 控制。但原控制方案中三通调 节阀的调节能力不足，经常需 要人工干预（手动调节一中回 流量）。 如何改进方案？要求： （1）确保TIC203的控制能力； （2）尽可能使一中回流经换热 器进行能量回收； （3）一中回流量作为稳定塔的 热源，希望波动尽可能小。
控制阀分程动作---异向分程
工作过程： （1）当温度偏低时，调节阀 气动信号增大。若冷水阀A 还未全关，则逐步关冷水阀； 否则，开大蒸汽阀B； （2）当温度偏高时，调节阀 气动信号减少。若蒸汽阀B还 未全关，则逐步关蒸汽阀； 否则，开大冷水阀A；
分程控制系统的非线性
冷水阀 f1(t)
Tsp
u(t)
0.10
调节阀气动信号（MPa）
避免两调节阀频繁开 闭的方法： （1）控制阀引入不 灵敏区。 （2）同时，控制器 引入调节死区（为什 么？）
B阀接受控制器的输出信号为0.02-0.058MPa，而A阀接受的信号 为0.062-0.10MPa。因此，在两个控制阀之间存在一个不灵敏区 （间隙区）。针对一般储罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大， 而氮的压力控制精度要求不高的实际情况，存在一个不灵敏区是 允许的。
补偿原理：
Tm f1 Tm f2 f1 u f2 u
若
3 Tm Tm f1 f2
阀开度(%)
100
“A”
“B”
0 0.02
0.04
0.06
0.10
调节阀气动信号（MPa）
f1 3 f2 u u
例2：贮罐气封分程控制系统
排空 气关阀 “B”
N2
问题： （1）协调两调节阀的动作； （2）如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?
图中所用的仪表均为气动仪表，A阀选择气开阀，B阀 选择气关阀，控制器具有反作用，采用PI控制规律 。
贮罐气封分程控制系统 分程动作过程
阀开度(%) 气
关 阀 气开阀
100
“B”
“A”
0 0.02
0.058 0.062
反应器温度分程控制系统
分程控制
定义：若一台控制器去操纵几只阀门，并且是按输出 信号的不同区间操作不同的阀门，这种控制方式习惯 上称为分程控制。
根据阀的开闭形式，分程控制有同向分程、异向分程 两种。同向分程：多个阀同为气开阀，或同为气关阀。 异向分程：多个阀中一些为气开，其他为气关阀。同 向或异向规律的选择全由工艺的需要而定。
对于废水处理中的pH值控制，可调范围要求特别大。工厂的 废液来自下水道、污水沉淀池、洗涤器等处，其流量变化可达4-5 倍，酸碱含量可以变化几十倍以上；废液中酸或碱的类型各异， 其含量变化使pH值也产生变化，因而这种场合需要的可调范围会 超过1000。
分程控制应用之一（续）
对于此问题的解决办法：
采用两个控制阀（同为气开或气关），在小流量（低负荷）时用小阀 加酸或碱试剂，在大流量（高负荷）时用小阀不够时再开大阀加酸或碱试 剂。 比如：两阀分别为A和B，QAmax=4， QBmax=100，两阀的可调范围相等，即 RA=RB=30。若B阀的泄漏量为最大流量的0.02% ，即QBS=0.02%QBmax=0.02。
反应器温度分程控制系统
问题： （1）选择两调节阀 的气开气关属性； （2）温度控制器的 正反作用； （3）协调两调节阀 的动作； （4）如何克服广义 对象的非线性。
反应器温度控制系统 调节阀的分程动作关系
阀开度(%) 气开阀
100
气 关
“A” 阀
“B”
0 0.02
0.06
0.10
调节阀气动信号（MPa）
当采用分程控制后，最小流量和最大流量分别为： Qmin=QAmin+QBS=4/30+0.02=0.153；Qmax=QAmax+QBmax=4+100=104 因此此两阀组合在一起的可调范围将扩大到R=104/0.153≈680»30。
分程控制应用之二
满足工艺上操作的特殊要求（异向分程） 例1的间歇聚合反应器的温度控制就是这样的情况