自來水流量單回路過程控制系統(tǒng)方案

1、目錄1設計目的與要求 .01.1設計目的 .02自來水生產(chǎn)工藝 .32.1生產(chǎn)工藝 .12.2生產(chǎn)工藝流程圖 .23系統(tǒng)結構設計 .33.1控制方案 .33.2系統(tǒng)結構 .34被控變量與控制變量選擇 .34.1被控變量選擇原則 .34.2控制變量選擇原則 .44.3本系統(tǒng)被控變量與控制變量的選擇 .55檢測環(huán)節(jié)設計 .55.1檢測環(huán)節(jié)設計原則 .55.2本系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)設計 .66執(zhí)行器設計 .66.1執(zhí)行器設計原則 .66.2本系統(tǒng)執(zhí)行器設計 .77調(diào)節(jié)器設計 .77.1調(diào)節(jié)器正反作用選取 .77.2調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇 .87.3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 .9心得體會 .10參考文獻 .13自來水廠流量控

2、制系統(tǒng)的設計1 設計目的與要求1.1設計目的如圖，按照定值系統(tǒng)的控制要求， 根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結構和 PID 控制規(guī)律，對自來水廠用泵將水打入水槽（泵1 和泵 2 同時用），以備下一道工藝生產(chǎn)需要， 進行設計將流量控制在500± 3 立方米 / 小時，以滿足要求。1.2要求完成的主要任務1、了解對象及自來水廠生產(chǎn)工藝2、繪制流量控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術參數(shù)4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過程說明書2 自來水廠生產(chǎn)工藝2.1生產(chǎn)工藝眾所周知，由于自然因素和人為因素，原水里含有各種各樣的雜質(zhì)。從給水處理角度考慮，這些雜質(zhì)可分為懸浮物、膠

3、體、溶解物三大類。城市水廠凈水處理的目的就是去除原水中這些會給人類健康和工業(yè)生產(chǎn)帶來危害的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、細菌及其他有害成分，使凈化后的水能滿足生活飲用及工業(yè)生產(chǎn)的需要。市自來水總公司水廠采用常規(guī)水處理工藝，它包括混合、反應、沉淀、過濾及消毒幾個過程。（ 1）混凝反應處理原水經(jīng)取水泵房提升后，首先經(jīng)過混凝工藝處理，即：原水+ 水處理劑 混合 反應 礬花水自藥劑與水均勻混合起直到大顆粒絮凝體形成為止，整個稱混凝過程。 常用的水處理劑有聚合氯化鋁、硫酸鋁、三氯化鐵等。市使用的是堿式氯化鋁。根據(jù)鋁元素的化學性質(zhì)可知， 投入藥劑后水中存在電離出來的鋁離子，它與水分子存在以下的可逆反應：Al3+ +

4、 3H2O Al(OH)3 + 3H+氫氧化鋁具有吸附作用， 可把水中不易沉淀的膠粒及微小懸浮物脫穩(wěn)、 相互聚結，再被吸附架橋，從而形成較大的絮粒，以利于從水中分離、沉降下來?；旌线^程要求在加藥后迅速完成。 混合的目的是通過水力、 機械的劇烈攪拌， 使藥劑迅速均勻地散于水中。經(jīng)混凝反應處理過的水通過道管流入沉淀池，進入凈水第二階段。（ 2）沉淀處理混凝階段形成的絮狀體依靠重力作用從水中分離出來的過程稱為沉淀， 這個過程在沉淀池中進行。 水流入沉淀區(qū)后， 沿水區(qū)整個截面進行分配， 進入沉淀區(qū)，然后緩慢地流向出口區(qū)。 水中的顆粒沉于池底， 污泥不斷堆積并濃縮， 定期排出池外。（ 3）過濾處理過濾一

5、般是指以石英砂等有空隙的粒狀濾料層通過黏附作用截留水中懸浮顆粒，從而進一步除去水中細小懸浮雜質(zhì)、有機物、細菌、病毒等，使水澄清的過程。（ 4）濾后消毒處理水經(jīng)過濾后， 濁度進一步降低， 同時亦使殘留細菌、 病毒等失去渾濁物保護或依附，為濾后消毒創(chuàng)造良好條件。 消毒并非把微生物全部消滅， 只要求消滅致病微生物。雖然水經(jīng)混凝、沉淀和過濾，可以除去大多數(shù)細菌和病毒，但消毒則起了保證飲用達到飲用水細菌學指標的作用， 同時它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制細菌繁殖且預防污染。 消毒的加氯量（液氯）在 1.0-2.5g/m3 之間。主要是通過氯與水反應生成的次氯酸在細菌部起氧化作用， 破壞細菌的酶系統(tǒng)

6、而使細菌死亡。消毒后的水由清水池經(jīng)送水泵房提升達到一定的水壓，在通過輸、配水管網(wǎng)送給千家萬戶。2.2生產(chǎn)工藝流程圖首先從泵房將水打到水池，經(jīng)初濾，再加水沉淀劑聚合、過濾得到清水，加氯氣消毒（小水廠加二氧化氯），將水儲入清水池備用，再經(jīng)高壓泵壓出供水。流程圖如圖 2-1 所示。進水泵 - 蓄水池 - 澄清池 - 過濾池 - 加藥池 - 過濾池 - 澄清池 - 出水泵圖 2-1自來水廠生產(chǎn)工藝流程圖3 系統(tǒng)結構設計3.1控制方案整個過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，采用算法為 PID 控制規(guī)律（見附錄 A 和附錄 B），調(diào)節(jié)器為電磁閥，測量變送為

7、 HB 、FT 兩個組成，被控對象為流量 PV。結構組成如下圖3-1 所示。當系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道將水送到水箱，由HB判斷是加大調(diào)節(jié)閥流量還是減小調(diào)節(jié)閥流量。若需要加大（即水位過低）返回信號，則通過電磁閥控制流量的大小， 加大流量，從而保證流量控制在 500±3 立方米 /小時；若不需要，則通過電磁閥使流量保持或減小。3.2系統(tǒng)結構過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設計為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖3-1。SP計算機PV電動_管道控制器調(diào)節(jié)閥PV1流量檢測傳感器圖 3-1流量單回路控制系統(tǒng)框圖4 被控變量與控制變量選擇4

8、.1 被控變量選擇原則根據(jù)被控參數(shù)的選擇與生產(chǎn)工藝密切相關，被控參數(shù)的選擇通常有兩種方法。一種是選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)作為被控參數(shù)，稱為直接參數(shù)法。 如果生產(chǎn)過程是按質(zhì)量指標進行控制，按理應以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控參數(shù)， 但有時由于缺乏檢測直接反映產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的有效手段，無法對產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進行直接檢測； 雖能檢測， 但檢測信號很微弱或滯后很大，直接參數(shù)檢測不能及時、 正確地反映生產(chǎn)過程的實際情況。 這時可以選擇與質(zhì)量指標有單值對應關系、 易于測量的變量作為被控參數(shù)， 簡介反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程的實際情況。 在選擇被控參數(shù)時， 還要求所選參數(shù)有足夠的靈敏度。

9、選取被控參數(shù)的基本原則是首先考慮選擇對產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、 安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用、 可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)； 當直接參數(shù)不易測量， 或其測量之后很大時， 應選擇一個易于測量， 與直接參數(shù)有單值關系的簡接參數(shù)作為被控參數(shù)； 同時兼顧工藝上的合理性和所用儀表的性能及經(jīng)濟性。4.2 控制變量選擇原則設計單回路控制系統(tǒng)時，選擇控制變量的原則可歸納為以下幾條：1)控制變量應是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。2)控制變量一般應比其他干擾對被控參數(shù)的影響靈敏。為此，應通過合理選擇控制變量，使控制通道的放大系數(shù)K 0 大、時間常數(shù) T0 小、純滯后時間0 越小越好。3)為使干擾對被控

10、參數(shù)的影響小，應使干擾通道的放大系數(shù)K f 盡可能小、時間常數(shù) Tf 盡可能大。 擾動引入系統(tǒng) (控制通道 )的位置要遠離被控參數(shù)，盡可能靠近調(diào)節(jié)閥 (控制器 )。4)被控過程存在多個時間常數(shù)，在選擇設備及控制參數(shù)時，應盡量使時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大很多，同時注意減小其他時間常數(shù)。這一原則同樣適用于控制器、 調(diào)節(jié)閥和測量變送器時間常數(shù)的選擇?？刂破鳌⒄{(diào)節(jié)閥和測量變送器 ( 三者均為系統(tǒng)控制通道中的環(huán)節(jié) )的時間常數(shù)應遠小于被控過程中最大的時間常數(shù) (這個時間常數(shù)一般難以改變 )。5)在選擇控制變量時，除了從提高控制品質(zhì)的角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)效率及生產(chǎn)過

11、程的經(jīng)濟性。一般不宜選擇生產(chǎn)負荷作為控制變量，因為生產(chǎn)負荷直接關系到產(chǎn)品的產(chǎn)量或者用戶的需求，不允許控制。 另外，從經(jīng)濟性考慮，應盡可能地降低物料與能量的消耗。4.3 本系統(tǒng)被控變量與控制變量的選擇由設計任務和以上分析可知， 本系統(tǒng)要求維持出口水流量恒定， 并且出口流量也是易于檢測的， 所以選擇出口水流量作為該系統(tǒng)的被控變量。 在選擇控制變量時，要從所有允許控制的變量中盡可能地選擇一個對被控參數(shù)影響顯著、 控制性能好的輸入變量作為控制變量。 水的流量是較易于控制的， 通過調(diào)節(jié)閥就可以控制住，所以選擇水的流量作為本系統(tǒng)的控制變量。5 檢測環(huán)節(jié)設計5.1 檢測環(huán)節(jié)設計原則過程控制系統(tǒng)中的檢測元件指

12、的是用于參數(shù)檢測的傳感器、 變送器。傳感器、變送器完成對被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、 變量的檢測，并將測量信號傳送至控制器。測量信號是調(diào)節(jié)器進行控制的基本依據(jù)， 被控參數(shù)迅速、 準確地測量是實現(xiàn)高性能控制的重要條件。下面介紹傳感器、變送器選擇的一些原則及使用中應注意的一些事項。(1)傳感器、變送器測量圍與精度等級的選擇在控制系統(tǒng)設計時， 對要檢測的參數(shù)和變量都有明確的測量精度要求， 參數(shù)與變量可能的變化圍一般都是已知的。 因此，在傳感器與變送器的選擇時， 應按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測量圍與精度等級。(2)盡可能選擇時間常數(shù)小的傳感器、變送器傳感器、變送器都有一定的響應

13、時間， 特別是測溫元件。 這些時間和純滯后必然造成測量滯后； 對于氣動儀表， 由于現(xiàn)場傳感器與控制室儀表間的信號通過管道傳遞，還存在一定的傳送滯后。 因此，控制系統(tǒng)中測量環(huán)節(jié)的常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測量元件。必要時，可以在測量元件之后引入微分環(huán)節(jié)，利用它的超前作用來補償測量元件引起的動態(tài)誤差。對于傳送滯后較大的氣動信號，一般氣壓信號管路不能超過 300m，直徑不能小于 6mm，或者用閥門定位器、氣動放大器增大輸出功率，以減小傳送滯后。在可能的情況下， 現(xiàn)場與控制室之間的信號盡量采用電信號傳遞， 必要時可用氣-電轉換器將氣信號轉換為電信號，以減小傳送滯后。(3)合理選擇檢測點，減小測

14、量純滯后0要合理地選擇測量信號的檢測點， 避免由于傳感器安裝位置不合適引起的純滯后。純滯后使測量信號不能及時反映被控變量的變化，從而使控制品質(zhì)降低，所以在選定測量傳感器的安裝位置時，一定要注意盡量減小純滯后。另外，檢測位置的選擇還要使檢測參數(shù)能夠真實反映生產(chǎn)過程的狀態(tài)，因此，盡量將傳感器安裝在能夠直接代表生產(chǎn)過程狀態(tài)的位置。(4)測量信號的處理1)測量信號校正與補償。測量某些參數(shù)時，測量值要受到其他參數(shù)的影響，為了保證測量精度，需要進行校正與補償處理。2)測量噪聲的抑制。在測量某些過程參數(shù)時，由于其本身特點和環(huán)境干擾的存在，測量信號中含有干擾噪聲，如不采用措施，將會影響系統(tǒng)控制等質(zhì)量。3)測量

15、信號的線性化處理。一些檢測傳感器的非線性，使傳感器的檢測信號與被測參數(shù)間呈非線性關系。 在系統(tǒng)設計時， 應根據(jù)具體情況確定是否進行線性化處理。5.2 本系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)設計流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據(jù)本試驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S 型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量 0.03m3/h,壓力 1.6Mpmax,4-20mA 標準信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。 避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達到教學要求。主要優(yōu)點：1）采用整體焊接結構，密封性好；2）結構簡單可靠，部無活動部件，幾乎無壓力損失；3）

16、采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；4）儀表反映靈敏，輸出信號與流量呈線性關系,量程比寬；（2）流量轉換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV 輸出信號： 420mA DC,許負載電阻為 0750 歐姆，基本誤差：輸出信號量程的 0.5%。6 執(zhí)行器設計6.1 執(zhí)行器設計原則過程控制使用最多的是由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥組成的執(zhí)行器。從提高系統(tǒng)控制品質(zhì)、增強生產(chǎn)系統(tǒng)及設備安全性的角度，對控制系統(tǒng)設計中有關執(zhí)行器選型需要關注的問題進行簡單的說明。(1)調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇。在過程控制過程中，確定控制閥的口徑尺寸是選擇控制閥的重要容之一，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在15

17、%85%之間。如果調(diào)節(jié)閥口徑選得過小， 當系統(tǒng)受到較大的擾動時， 調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關的飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時處于失控工況，這對擾動偏差的消除不利；同樣，調(diào)節(jié)閥口徑選得過大， 閥門長時間處于小開度工作狀態(tài)，閥門的不平衡力較大， 閥門調(diào)節(jié)靈敏度低，工作特性差，甚至會產(chǎn)生振蕩或調(diào)節(jié)失靈的情況。因此，調(diào)節(jié)閥口徑選擇一定要合適。(2)調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇。調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇一般分兩步進行。首先要根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)和對控制系統(tǒng)的工藝要求， 確定工作流量特性， 然后根據(jù)工作流量特性相對于理想流量特性的畸變關系，求出對應的理想流量特性，確定閥門的選型。(3)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇。調(diào)節(jié)閥開、關

18、作用方式的選擇主要以不同生產(chǎn)工藝條件下， 人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)及設備安全的需要為首要依據(jù)。6.2 本系統(tǒng)執(zhí)行器設計電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進行調(diào)節(jié)。 采用德國 PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器， 驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機， 運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號 4-20mA 及單相電源即可控制與轉實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用 PS 電子式直行程執(zhí)行機構， 4-20mA 閥位反饋信號輸出雙

19、導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。7 調(diào)節(jié)器設計7.1 調(diào)節(jié)器正反作用選取調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設定值之差，被控參數(shù)的測量值與設定值變化，對輸出的作用方向是相反的。 當設定值不變時，隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當測量值不變，設定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出增加，稱為“反作用”方式。反之，如果測量值增加或設定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關方式確定之后進行

20、的，其確定原則是使整個單回路構成負反饋系統(tǒng)。在傳感器、被控過程、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥 )的符號已確定的條件下，為了保證單回路控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的符號 (“正”、“反”作用 )選擇應滿足單回路各環(huán)節(jié)符號的乘積必須為“-”。在一般情況下，過程控制系統(tǒng)中變送器的符號都認為是“+”，簡化后，即調(diào)節(jié)器符號為被控過程的符號與執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥 )符號乘積的相反值。由此可知，當控制閥與被控過程符號相同時，控制器應選擇“反作用”方式；反之，則選擇“正作用”方式。7.2 調(diào)節(jié)器規(guī)律的選擇比例調(diào)節(jié)是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動作用的響應都很迅速。比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)， 整定簡便。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是系統(tǒng)

21、存在靜差。 對象調(diào)節(jié)通道 0 / T0 小、負荷變化與外部擾動小、 工藝要求不高、 允許有靜差的系統(tǒng)，可以選用比例調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)的特點是沒有靜差。 它的動態(tài)偏差最大、 調(diào)節(jié)時間長， 只能用于有自衡特性的簡單對象，很少單獨使用。比例積分調(diào)節(jié)既能消除靜差， 又能產(chǎn)生較積分調(diào)節(jié)快得多的動態(tài)響應。 對于一些調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、 負荷變化不大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 比例積分調(diào)節(jié)可以取得很好的效果。比例積分調(diào)節(jié)是使用最多的調(diào)節(jié)器。微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 使系統(tǒng)比例系數(shù)增大， 加快調(diào)節(jié)過程， 減小動態(tài)偏差和靜差。 在有高頻干擾的場合， 由于系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感， Td 不能太大，否則會影響系統(tǒng)正常工作。 在

22、高頻干擾頻繁或存在周期性干擾的場合， 不能使用微分調(diào)節(jié)。PID 調(diào)節(jié)器是常規(guī)調(diào)節(jié)中性能最好的一種調(diào)節(jié)器， 它綜合了各種調(diào)節(jié)規(guī)律的優(yōu)點，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 又可以消除靜差。 對于符合變化大、 容易滯后大、控制品質(zhì)要求高的控制對象均能適應。 但對于對象滯后很大， 負荷變化劇烈、 頻繁的被控過程，采用 PID 調(diào)節(jié)還達不到工藝要求的控制品質(zhì)時，則應選用串級控制、前饋控制等復雜控制系統(tǒng)。另外，如果廣義對象的傳遞函數(shù)可用下式近似時：GoK0e0sT0s1(7-1)則可根據(jù)0 / T0 來選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律：0 /T00.2 時，選擇比例 (P)或者比例積分 (PI)調(diào)節(jié)規(guī)律；0.20 / T0 1

23、.0 時，選擇比例微分 (PD)或比例積分微 (PID) 調(diào)節(jié)規(guī)律；0 /T01.0 時，采用簡單控制系統(tǒng)往往難以滿足工藝要求，應采用串級、前饋等復雜控制系統(tǒng)。7.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法有穩(wěn)定邊界法、 衰減曲線法、響應曲線法和經(jīng)驗法。這四種整定方法都是以衰減比為 4:1(衰減曲線法也考慮了衰減比為 10:1 的情況 )作為最佳指標進行參數(shù)整定。對多數(shù)簡單控制系統(tǒng)來說，這樣的整定結果能滿足工藝要求。下面對幾種方法作簡單比較。響應曲線法只適用于允許被控參數(shù)變化圍較大的生產(chǎn)過程。 反應曲線法的優(yōu)點是實驗方法比穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法的實驗容易掌握， 實驗所需時間比其他方法短。穩(wěn)定邊界法適用于一般的流量、 壓力、液位和溫度控制系統(tǒng)， 但不適用于比例度特別小的過程。 對于單容或雙容對象， 無論比例度多小， 調(diào)節(jié)過程都是穩(wěn)定的，達不到穩(wěn)定邊界，不適用此法。衰減曲線法也是在調(diào)節(jié)器投入運行的情況下進行，不需要系統(tǒng)在穩(wěn)定邊界(臨界狀態(tài) )運行，比較安全，而且容易掌握，能適用于各類控制系統(tǒng)。它的缺點是對于過度過程比較快的系統(tǒng)，衰減比和振蕩周期難以準確檢測。經(jīng)驗法的優(yōu)點是