9.分程控制-過程控制(自動(dòng)化)

1、分程與閥位控制系統(tǒng)本講主要內(nèi)容分程控制的特點(diǎn)與適用場(chǎng)合；分程區(qū)間的確定方法；閥位控制的概念與設(shè)計(jì)方法。例1：間歇聚合反應(yīng)器的控制問題Y“A”“B”蒸汽冷水T控制要求控制要求：反應(yīng)開始前，需要用蒸汽加熱以達(dá)到反應(yīng)所需的溫度；當(dāng)反應(yīng)開始后，因放出大量反應(yīng)熱，需要用冷水進(jìn)行冷卻。要求全過程自動(dòng)控制反應(yīng)器的溫度，怎么實(shí)現(xiàn)？反應(yīng)器溫度分程控制系統(tǒng)分程控制定義：若一臺(tái)控制器去操縱幾只閥門，并且是按輸出信號(hào)的不同區(qū)間操作不同的閥門，這種控制方式習(xí)慣上稱為分程控制。根據(jù)閥的開閉形式，分程控制有同向分程、異向分程兩種。同向分程：多個(gè)閥同為氣開閥，或同為氣關(guān)閥。異向分程：多個(gè)閥中一些為氣開，其他為氣關(guān)閥。同向或異

2、向規(guī)律的選擇全由工藝的需要而定。設(shè)計(jì)分程控制的目的：一是為擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，以改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)；二是滿足工藝上操作的特殊要求。分程控制應(yīng)用之一 擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍（同向分程） 控制閥的可調(diào)范圍R：閥的靜態(tài)指標(biāo)，是控制閥可以調(diào)節(jié)的最大流量與最小流量之比。國(guó)產(chǎn)柱塞型閥固有可調(diào)范圍是30。 絕大多數(shù)化工生產(chǎn)過程中，R=30的控制閥足夠滿足生產(chǎn)要求。 對(duì)于廢水處理中的pH值控制，可調(diào)范圍要求特別大。工廠的廢液來(lái)自下水道、污水沉淀池、洗滌器等處，其流量變化可達(dá)4-5倍，酸堿含量可以變化幾十倍以上；廢液中酸或堿的類型各異，其含量變化使pH值也產(chǎn)生變化，因而這種場(chǎng)合需要的可調(diào)范圍會(huì)超過1000。分程

3、控制應(yīng)用之一（續(xù)）對(duì)于此問題的解決辦法： 采用兩個(gè)控制閥（同為氣開或氣關(guān)），在小流量（低負(fù)荷）時(shí)用小閥加酸或堿試劑，在大流量（高負(fù)荷）時(shí)用小閥不夠時(shí)再開大閥加酸或堿試劑。 比如：兩閥分別為A和B，QAmax=4， QBmax=100，兩閥的可調(diào)范圍相等，即RA=RB=30。若B閥的泄漏量為最大流量的0.02% ，即QBS=0.02%QBmax=0.02。當(dāng)采用分程控制后，最小流量和最大流量分別為：Qmin=QAmin+QBS=4/30+0.02=0.153；Qmax=QAmax+QBmax=4+100=104因此此兩閥組合在一起的可調(diào)范圍將擴(kuò)大到R=104/0.15368030。分程控制應(yīng)用之

4、二滿足工藝上操作的特殊要求（異向分程）例1的間歇聚合反應(yīng)器的溫度控制就是這樣的情況反應(yīng)器溫度分程控制系統(tǒng)問題：（1）選擇兩調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)屬性；（2）溫度控制器的正反作用；（3）協(xié)調(diào)兩調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作；（4）如何克服廣義對(duì)象的非線性。反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的分程動(dòng)作關(guān)系氣關(guān)閥氣開閥“A”“B”100閥開度(%)00.020.060.10調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)（MPa）工作過程：工作過程：（1）當(dāng)溫度偏低時(shí)，調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)增大。若冷水閥A還未全關(guān)，則逐步關(guān)冷水閥；否則，開大蒸汽閥B；（2）當(dāng)溫度偏高時(shí)，調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)減少。若蒸汽閥B還未全關(guān)，則逐步關(guān)蒸汽閥；否則，開大冷水閥A；控制閥分程動(dòng)作-異向分程分程

5、控制系統(tǒng)的非線性蒸汽閥反應(yīng)釜溫度測(cè)量TspTC換熱器Tmu(t)冷水閥f1(t)f2(t)問題：21fTfTmm分程控制系統(tǒng)非線性的補(bǔ)償蒸汽閥反應(yīng)釜溫度測(cè)量TspTC換熱器Tmu(t)冷水閥f1(t)f2(t)uffTuffTmm2211補(bǔ)償原理：分程控制非線性補(bǔ)償方法uffTuffTmm2211補(bǔ)償原理：“A”“B”100閥開度(%)00.020.040.10調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)（MPa）0.06若213fTfTmmufuf213例2：貯罐氣封分程控制系統(tǒng)氣關(guān)閥氣開閥PC“B”“A”排 空N2N2在煉油廠或石油化工廠中，有許多存放著各種油品或石油化工產(chǎn)品的儲(chǔ)罐，為使這些油品或產(chǎn)品不與空氣中的氧氣接

6、觸而被氧化變質(zhì)，常采用罐頂充氮?dú)獾淖龇?，使?chǔ)存物與外界空氣隔絕。氮封的技術(shù)要求實(shí)行氮封的技術(shù)要求是：要始終保持儲(chǔ)罐內(nèi)的氮?dú)鈮何⒘空龎?。?chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存物料量增減時(shí)，將引起罐頂壓力的升降，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行控制，否則將使儲(chǔ)罐變形，更有甚者，會(huì)將儲(chǔ)罐吸扁。因此，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)液面上升時(shí)，應(yīng)停止繼續(xù)補(bǔ)充氮?dú)?，并將壓縮的氮?dú)膺m量排出。反之，當(dāng)液面下降時(shí)應(yīng)停止放出氮?dú)?。只有這樣才能達(dá)到既隔絕空氣，又保證容器不變形的目的。問題：（1）協(xié)調(diào)兩調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作；（2）如何避免兩調(diào)節(jié)閥的頻繁開閉以減少N2用量?圖中所用的儀表均為氣動(dòng)儀表，A閥選擇氣開閥，B閥選擇氣關(guān)閥，控制器具有反作用，采用PI控制規(guī)律 。貯罐氣封分程控制系統(tǒng)分程動(dòng)作

7、過程氣關(guān)閥氣開閥“B”“A”100閥開度(%)00.020.0580.10調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)（MPa）0.062避免兩調(diào)節(jié)閥頻繁開閉的方法：（1）控制閥引入不靈敏區(qū)。 （2）同時(shí)，控制器引入調(diào)節(jié)死區(qū)（為什么？）B閥接受控制器的輸出信號(hào)為0.02-0.058MPa，而A閥接受的信號(hào)為0.062-0.10MPa。因此，在兩個(gè)控制閥之間存在一個(gè)不靈敏區(qū)（間隙區(qū)）。針對(duì)一般儲(chǔ)罐頂部空隙較大，壓力對(duì)象時(shí)間常數(shù)大，而氮的壓力控制精度要求不高的實(shí)際情況，存在一個(gè)不靈敏區(qū)是允許的。閥位控制系統(tǒng)主控制器主控制閥副控制閥閥位控制器（VPC）測(cè)量變送器對(duì)象r2r1圖中，r2為對(duì)應(yīng)旁路閥（主控制閥）的較小開度設(shè)定值。閥位

8、控制器VPC和副控制閥及對(duì)象構(gòu)成一個(gè)次控制回路，主控制器和主控制閥（旁路閥）及對(duì)象構(gòu)成主控制回路（具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)）。例3：分餾塔輕柴油抽出塔板溫度控制問題回?zé)捰蜐{外甩油漿輕柴油FCTCFIC203TIC203反應(yīng)油氣一中回流分餾塔富氣粗汽油C-201D-201問題問題：TIC203與輕柴油的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力不足，經(jīng)常需要人工干預(yù)（手動(dòng)調(diào)節(jié)一中回流量）。如何改進(jìn)方案？要求：（1）確保TIC203的控制能力；（2）盡可能使一中回流經(jīng)換熱器進(jìn)行能量回收；（3）一中回流量作為穩(wěn)定塔的熱源，希望波動(dòng)盡可能小。催化裂化裝置分餾塔工藝流程：主要產(chǎn)品為

9、粗汽油和輕柴油，原料為來(lái)自反應(yīng)再生系統(tǒng)的反應(yīng)后油氣。分餾塔內(nèi)壓力、溫度、中段回流對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量都有影響。中段回流取熱 。分餾塔從下到上有5個(gè)側(cè)線抽出回流，分別為油漿、二中段（重循環(huán)油）循環(huán)回流、一中段（輕循環(huán)油）循環(huán)回流、重汽油循環(huán)回流、頂循環(huán)回流。輕柴油抽出板溫度的雙重控制系統(tǒng)圖中VPC稱為“閥位控制器”，其測(cè)量值為主調(diào)節(jié)閥（本例中為三通調(diào)節(jié)閥）的開度。 系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）對(duì)主參數(shù)的控制能力顯著提高。與分程控制不同的是，兩調(diào)節(jié)閥可同時(shí)動(dòng)作。（2）通過設(shè)定Vsp，可實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化。輕柴油FCTCFIC203TIC203反應(yīng)油氣一中回流分餾塔VPCTspVsp多回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)用于改善控

10、制系統(tǒng)性能的多回路PID系統(tǒng)（1）串級(jí)控制系統(tǒng)；（2）前饋控制系統(tǒng)；（3）變?cè)鲆?變比值控制系統(tǒng)。用于滿足工藝特定需要的多回路PID系統(tǒng)（1）均勻控制系統(tǒng)；（2）比值控制系統(tǒng)；（3）分程控制系統(tǒng)；（4）閥位控制系統(tǒng)；（5）選擇性控制系統(tǒng)。練習(xí)題1 下圖為化學(xué)反應(yīng)器的過程控制系統(tǒng)：1）說明圖中的控制策略屬于哪類控制系統(tǒng)？2）最主要的被控變量是什么？最主要的操縱變量是什么？3）圖中哪個(gè)控制器要整定的最慢，哪個(gè)控制器要整定的最快？為什么？4）閥門V1是氣開還是氣關(guān)？為什么？V2是氣開還是氣關(guān)？為什么？5）指出各圖中控制器的正反作用，并給出選取的理由；6）給出圖中控制規(guī)律的選取。練習(xí)（續(xù)）答： 是串級(jí)分程控制系統(tǒng)。 最主要的被控變量是反應(yīng)器內(nèi)溫度，最主要的操縱變量是冷劑流量。 圖中T1C要整定的最慢，F(xiàn)C最快。 閥門V1是氣關(guān)，保證反應(yīng)溫度不致過高，從而生成其它產(chǎn)物。閥門V2是氣關(guān)氣關(guān)。 圖中：T1C反作用，T2C正作用正作用，F(xiàn)C正作用。 (6) T1C：PID；T2C：P（PI，I弱）；FC：P。練習(xí)題TC進(jìn)料頂產(chǎn)品底產(chǎn)品氣開PBPDPm如圖所示