第六章典型过程控制系统应用方案案例

按照图 6-5 分析可知，乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于 干燥温度的校正作用最灵敏， 而且干扰进入装置最靠近调节阀 1， 似 乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生产负荷，一般要求能保证 产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液 流量为控制参数，该控制方案不能成立。 再对图 6-6 进行分析，可以发现，调节旁路空气流量与热风量 混合后，再经过较长的风管进行干燥器。如图 6-5 所示方案相比， 由于混合空气传输管道长， 存在管道传输滞后,故控制通道时间滞后 教大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。若按照图 6-7 所 示调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常 为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度 的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方 案最佳。 （1） 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求， 选用电动单元组合仪表（DDZ–Ⅲ型）
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统
6.2 单回路控制系统的应用
6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。 热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。 图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
6.2.2 系统设计
（1） 被控参数和控制参数的选择 ① 被控参数的选择 根据上述生产工艺情况，产品质量（水分含 量）与干燥温度密切相关，若测量水分的仪表精度不够高，可采 用对间接参数温度的测量，因为水分与温度一一对应。因此必须 控制温度在一定值上，故选用干燥器的温度为被控对象。 ② 控制参数选择 若知道被控过程的数学模型，则可以选取可控 性良好的参量作为控制参数。在未掌握过程的数学模型情况下， 仅以图 6-4 所示装置进行分析。 影响干燥器温度的因素有乳液流量 f 1（t） 、旁路空气流量 f 2（t） 、加热蒸汽用量 f 3（t） 。选取其中 任一变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。图中用调节阀 位置代表三种控制方案，其框图分别为图 6-5、图 6-6、图 6-7 所 示。
Tc 2
的影响得到补偿。
6.1.3 仪表静态参数的设置
本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号 I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。 有两股气体在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正 常 情 况 下 T h 1 =380 ℃ ， T h 2 =300 ℃ ，T c 1 =150 ℃ ，T c 2 =260 ， 3 3 m s 。选择电动单元组合仪表 DDZ–Ⅲ型 qv1=0.125 m s ，qv2=0.109 组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS–1000 的乘除器代替， 比值器与加减器可以用一台 DJJ–1000 的通用加减器代 替。电动单元组合仪表 DD–Ⅲ型的仪表信号范围为 4～20mA(或 1～5V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100℃，仪表零位为 210℃，则可以 得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为
c1 、 c2 —分别为加热介质和被加热介质的平均比热容, kJ ( kg K ) ；
Th1 、Th 2 —分别为加热介质进、出热交换器的温温度，℃或 K。
由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式
qv2
由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= K△Th×(380-300)+4=12.54 mA I3= K△Tc×(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv1×0.125+4=15.24 mA I6= Kqv2×0.109+4=13.81 mA I9= KTc2×(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS–1000 乘除器的输出信号为
I5 I8
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5 取 12 mA。
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA, 因此 I5 取 12 mA。 Tc2 温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2 流量变送器、电/气转换 器与 qv2 控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2 为副被调节变量。 这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个 复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2 或 qv1 的扰 动，都具有很高的适应能力。
（4） 调节器参数整定 为了使温度控制系统能运行在最佳状态，可以按照调节器 工程整定方法中的任一种进行调节器参数的整定。
6.3 计算机数字控制的典型实例 ——炉温控制系统的计算机控制
某真空电阻炉（在实验室里该炉也可以用油槽代替）的加热功率为 5KW，实验室工作环境。控制任务要求如下。 ① 给定值在 100～300℃之间实现恒温控制 ② 控制精度为 0.5%（安全程允许误差 5℃） ； ③ 实时数字显示温度； ④ 温度超过 330 时要有警报指示； ⑤ 可以在线改变给定温度。
① 测温元件及变送器 阻温度变送器。 ② 调节阀
被控温度在 500℃以下，选用铂热电阻温度
计。为了提高检测精度，应用三线制接法，并配用 DDZ–Ⅲ型热电 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选用气关形式
的调节阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀； 根据被控介质流量选择调节阀公称直径和阀芯直径的具体大尺 寸。 ③ 调节器 根据过程特性与工艺要求，可选用 PI 或 PID 控制规律； 根据构成系统负反馈的原则，确定调节器正、反作用方向。 由于本例中选用调节阀为关气式，则调节阀的放大系数 Kv 为负。 对于过程放大系数 Ko 为正。一般测量变送器的放大系数 Km 为正。 为了使系统中各环节放大系数极性乘积为正，则调节器的放大系 数 Kc 取负，即选用正作用调节器。 （2） 画出温度控制流程图极其控制系统方框图 温度控制流程图及控制系统方框图如图 6-8 所示。

6.3.1 控制方案设计
（1） 目标和任务估计 从控制任务要求可知是单点、恒值控制。控制范围和精度要求一般，功能 上无特殊要求。可采用一般的闭环控制系统实现。
(2)元件选择 ① 计算机的选择 按上述要求只需单点控制和显示， 没有特别的数据 处理任务。因此适宜于采用单扳机、单片机控制。为了使系统结构 紧凑，采用 Z80-CPU 的计算机控制系统。 ② A/D 转换器的选择 假定控制范围设定为 0～330℃。若选用 8 位 A/D 转换器，其分辨率约为 1.5℃/字。它虽然在 5℃的允许误差范

围之内，但是裕量太小。因为系统的其他环节，特别是传感元件的 非线性， 也会产生误差引起精度损失， 因此实际精度很难达到要求。 若选用 10 位 A/D 转换器，其分辨率为 0.3℃/字，在要求的精度范 围内有较大裕量，可以满足要求。若采用 12 位的 A/D 转换器，其 分辨率约为 0.1℃/字，但是由于其他环节对精度的影响，单纯过高 追求 A/D 的高分辨率是一种资源浪费。而无论采用 10 位，还是 12 位 A/D 转换器，与 8 位 CPU 连接都比较麻烦，增加了系统的复杂 性。
K Tc 2 ( 20 4 ) mA 0 . 16 mA / C 100 C
(20 4)mA K△Tc= K△Th= 100 =0.1067mA/℃
m 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178
3
s
，则可知其仪表转换系
数分别为
(20 4)mA (m 3 s) 3 Kqv1= Kqv2= 0.178m / s =89.888mA/
6.1.2 系统组成
根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热 量应该等于被加热介质吸收的热量，即
qv1c1 (Th1 Th 2 ) qv 2 c 2 (Tc 2 Tc1 )
式中
（6-1）
qv1 、 qv 2 —分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流
3 m 量, s （或kg s ）
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
目
录
第一章 控制系统的基本概念 第二章 过程装备控制基础
第三章 过程检测技术
第四章 过程控制装置
第五章 计算机控制系统
第六章 典型过程控制系统应用方案
第六章 典型过程控制系统应用方案
本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换 器温度反馈——静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”； “流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型 控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的 理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技 能。
6.2 单回路控制系统的应用
在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计算机控制获得迅速发 展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85% 的控制系统是单回路控制系统。所以， 掌握单回路控制系统的设计原则 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的意义。 单回路控制系统具有结构简单、投资少，易于调整，投运，又能满 足一般生产过程的工艺要求。单回路控制系统一般由被控过程 Wo（s） 、 测量变送器 Wm（s） 、调节器 Wc（s）和调节阀 Wv（s）等环节组成，如 图 6-3 所示为用拉氏变换表示的单回路控制系统的基本结构框图。 下面 通过一个工程设计实例说明单回路控制系统的应用， 来达到举一反三的 目的。