工業(yè)過程控制系統(tǒng)講座

工業(yè)過程控制系統(tǒng)講座第一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日內(nèi)容一、工業(yè)過程控制概述二、幾種典型的工業(yè)過程控制介紹三、過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)

第二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日過程控制－是為達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)而對(duì)影響過程狀況的變量所進(jìn)行的操縱。

一、工業(yè)過程控制概述工業(yè)過程控制－是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制。1.1所謂過程控制（ProcessControl）是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。第三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日隨著生產(chǎn)過程的連續(xù)化﹑大型化和不斷強(qiáng)化,隨著對(duì)過程內(nèi)在規(guī)律的進(jìn)一步了解,以及儀表﹑計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,生產(chǎn)過程控制技術(shù)近年來發(fā)展異常迅速。所謂生產(chǎn)過程自動(dòng)化,一般指工業(yè)生產(chǎn)中(如石油﹑化工﹑冶金﹑煉焦﹑造紙﹑建材﹑陶瓷及熱力發(fā)電等)連續(xù)的或按一定程序周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制

一、工業(yè)過程控制概述凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對(duì)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)(如溫度﹑壓力﹑流量等)進(jìn)行的自動(dòng)控制，統(tǒng)稱為過程控制。生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制,一般要求保持過程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。由于被控參數(shù)不但受內(nèi)﹑外界各種條件的影響,而且各參數(shù)之間也會(huì)相互影響,這就給對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制增加了復(fù)雜性和困難性.

1.2

過程控制的特點(diǎn)第四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日(1)被控對(duì)象的多樣性對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的控制,首先得認(rèn)識(shí)被控對(duì)象的行為特征,并用數(shù)學(xué)模型給以表征,這叫對(duì)象特性的辨識(shí)。由于被控對(duì)象多樣性這一特點(diǎn),就給辨識(shí)對(duì)象特性帶來一定的困難。一、工業(yè)過程控制概述(2)被控對(duì)象存在滯后由于生產(chǎn)過程大多在比較龐大的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行,對(duì)象的儲(chǔ)存能力大,慣性也大。在熱工生產(chǎn)過程中,內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)和熱量轉(zhuǎn)移都存在一定的阻力,因此對(duì)象一般均存在滯后性。由自動(dòng)控制理論可知,如系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)具有較大的滯后特性,將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)帶來不利的影響,增加控制的難度。除此之外,過程控制尚有如下一些特點(diǎn):第五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述過程控制尚有如下一些特點(diǎn):(3)被控對(duì)象一般具有非線性特點(diǎn)當(dāng)被控對(duì)象具有的非線性特性較明顯而不能忽略不計(jì)時(shí),系統(tǒng)為非線性系統(tǒng),必需用非線性理論來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)的難度較高。如將具有明顯的非線性特性的被控對(duì)象經(jīng)線性化處理后近似成線性對(duì)象,用線性理論來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),由于被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有明顯的差別,難以達(dá)到理想的控制目的。(4)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜控制系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)之一是其運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)具有較多的干擾因素?；谏a(chǎn)安全上的考慮,應(yīng)使控制系統(tǒng)具有很高的可靠性。

由于以上特點(diǎn),要完全通過理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制器的參數(shù)整定至今乃存在相當(dāng)?shù)睦щy,一般是通過理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的方法,達(dá)到過程控制的目的。第六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.3過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成,一般可用如下框圖表示

被控參數(shù)（變量）y(t);控制（操縱）參數(shù)（變量）q(t);擾動(dòng)量f(t);給定值r(t);當(dāng)前值z(mì)(t);

偏差e(t);控制作用u(t)

第七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分(1)反饋控制系統(tǒng);(2)前饋控制系統(tǒng);(3)復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來分(1)定值控制系統(tǒng);(2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)第八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的分類

(1)反饋控制系統(tǒng)偏差值是控制的依據(jù)，最后達(dá)到減小或消除偏差的目的。反饋信號(hào)可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級(jí)控制系統(tǒng)）。

(2)前饋控制系統(tǒng)擾動(dòng)量的大小是控制的依據(jù)，控制“及時(shí)”。屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)采用。(3)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)反饋是控制的核心！只有通過反饋才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的閉環(huán)控制！開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)地“察覺”被控參數(shù)的變化情況，也不能判斷控制參數(shù)的校正作用是否適合實(shí)際需要。閉環(huán)控制系統(tǒng)在過程控制中使用最為普遍。

第九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的分類

(4).定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的一種過程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量（溫度、壓力、流量、液位、成份等）的給定值是固定不變的。有時(shí)在規(guī)定的小范圍附近不變。

(5).隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，要求空氣量隨燃料量的變化而變化，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。一般意義上的隨動(dòng)控制系統(tǒng)是指位置隨動(dòng)系統(tǒng)，如火炮、導(dǎo)彈的位置跟蹤等。第十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.4過程控制系統(tǒng)的分類

閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋是控制的核心！只有通過反饋才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)在過程控制中使用最為普遍。

圖1溫度控制系統(tǒng)第十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述圖2熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋是控制的核心！只有通過反饋才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)在過程控制中使用最為普遍。

第十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述

開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)地“察覺”被控參數(shù)的變化情況，也不能判斷控制參數(shù)的校正作用是否適合實(shí)際需要。圖3熱力系統(tǒng)的人工反饋控制第十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述在上述的例子中，請(qǐng)說出如下的解釋：（1）控制任務(wù)——（2）被控對(duì)象——（3）被控量——（4）擾動(dòng)量——（5）測(cè)量元件——圖3熱力系統(tǒng)的人工反饋控制圖2熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制第十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.5性能指標(biāo)的確定和分析方法控制系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實(shí)際需要來確定。特別需要注意的是，不能不切實(shí)際地提出過高的控制性能指標(biāo)要求。分析系統(tǒng)性能指標(biāo)，通常采用：階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)工程整定時(shí)采用；偏差積分性能指標(biāo)，計(jì)算機(jī)仿真或分析時(shí)采用。階躍擾動(dòng)作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線圖5階躍響應(yīng)過度曲線圖6階躍響應(yīng)特性曲線第十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.6過程控制的任務(wù)

工業(yè)過程自動(dòng)化其目標(biāo)應(yīng)該是使生產(chǎn)過程達(dá)到安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效（高產(chǎn)、低耗）。作為自動(dòng)化的初級(jí)階段能夠達(dá)到的目標(biāo)主要是使生產(chǎn)過程安全（僅限于越限報(bào)警和聯(lián)鎖）與平穩(wěn)地進(jìn)行。第十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.7過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)控制，首先要對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程的物料流、能源流和生產(chǎn)過程中的有關(guān)狀態(tài)（如溫度、壓力、流量、物位、成分等）進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和計(jì)量。根據(jù)測(cè)量到數(shù)據(jù)和信息，用生產(chǎn)過程工藝和控制理論的知識(shí)管理、控制該生產(chǎn)過程。一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)包括：（1）方案設(shè)計(jì)（2）工程設(shè)計(jì)（3）工程安裝與儀表調(diào)校（4）控制器參數(shù)整定

以上主要內(nèi)容，控制方案設(shè)計(jì)和控制器參數(shù)整定則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)核心內(nèi)容！第十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.7過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于工業(yè)生產(chǎn)過程各種各樣而且非常復(fù)雜，因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)時(shí)，必須花大量的時(shí)間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過程的基本原理、操作過程和過程特性，這是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的首要條件。這就要求從事過程控制的技術(shù)人員必須與工藝人員充分交流。控制方案設(shè)計(jì)的基本原則包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、被控參數(shù)的測(cè)量變送、控制規(guī)律的選取以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等等。第十八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日二、典型生產(chǎn)過程控制圖7火力發(fā)電廠外觀在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖6汽輪發(fā)電機(jī)組鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要組成部分。它的主要任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備（汽輪機(jī)）的需要，供應(yīng)一定規(guī)格（壓力、溫度、流量和純度）的蒸汽。2.1電廠鍋爐的過程控制2.1.1火力發(fā)電廠生產(chǎn)流程第十九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日

重點(diǎn)以鍋爐汽包水位控制、過熱蒸汽溫度控制、鍋爐燃燒控制為例討論它們的控制方案。1－汽輪機(jī)高壓缸；2－汽輪機(jī)中、低壓缸；3－汽包；4－爐膛；5－煙道；6－發(fā)電機(jī)；7－冷凝器；8－補(bǔ)充水；9－凝結(jié)水泵；10－循環(huán)水泵；11－低壓加熱器；12－除氧器；13－給水泵；14－高壓加熱器；15－給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；16－省媒器；17－過熱器；18－減溫器；19－汽機(jī)高壓調(diào)汽門；20－再熱器；21－再熱器減溫器；22－汽機(jī)中壓調(diào)汽門；23－媒粉倉(cāng)；24－燃料量控制機(jī)構(gòu)；25－噴燃器；26－送風(fēng)機(jī)；27－空氣預(yù)熱器；28－調(diào)風(fēng)門；29－水冷壁管；30－引風(fēng)機(jī)；31－煙道擋板。2.1.2單元機(jī)組生產(chǎn)流程示意圖第二十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日汽包水位控制1.汽包水位控制的重要性將鍋爐的汽包水位控制在一個(gè)允許范圍內(nèi)，是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求的蒸汽負(fù)荷的必要條件。2.汽包水位的控制方案一種可行的控制方案是以汽包水位為主被控參數(shù)、給水流量為副被控參數(shù)、蒸汽流量為前饋信號(hào)的三沖量前饋－反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。采用這種控制方案的理由分析如下：

（1）單沖量水位控制方案

以汽包水位為被控參數(shù)、給水流量為控制參數(shù)構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)稱為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便，缺點(diǎn)是克服給水自發(fā)性干擾和負(fù)荷干擾的能力差（虛假水位問題。。。）。第二十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）雙沖量水位控制方案

如果根據(jù)蒸汽流量的變化來校正虛假水位的誤動(dòng)作，就能使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)，減少水位的波動(dòng)，改善控制質(zhì)量。也就是說，若將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。FT流量變送器；FC流量控制TT溫度變送器；TC溫度控制

PT壓力變送；PC壓力控制；LT液位變送；LC液位控制；AT成分變送器

；AC成分控制器LS液位開關(guān)聯(lián)鎖第二十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日顯而易見，該控制方案與單沖量水位控制相比，控制質(zhì)量已有明顯改善，但它對(duì)于給水系統(tǒng)的干擾仍不能有效克服，需要再引入給水流量信號(hào)構(gòu)成三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)。（3）三沖量串級(jí)控制方案

該控制系統(tǒng)由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。其中，主調(diào)節(jié)器為水位調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器，蒸汽流量為前饋信號(hào)。汽包水位三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)流程圖三沖量前饋－反饋串級(jí)控制系統(tǒng)在克服虛假水位的影響、維持水位穩(wěn)定、提高給水控制質(zhì)量等多方面都優(yōu)于前述兩種控制系統(tǒng)，是現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的汽包水位控制方案。FT流量變送器；FC流量控制；

Kβ放大器；LT液位變送

LC液位控制；第二十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日

過熱蒸汽溫度控制1．控制要求與過程特性

過熱蒸汽溫度是影響安全和經(jīng)濟(jì)的重要參數(shù)，要求保持在±5℃的范圍內(nèi)。

過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)。影響過熱蒸汽溫度的外界因素很多，例如蒸汽流量、減溫水量、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速等的變化都會(huì)影響過熱蒸汽的溫度。各種階躍干擾對(duì)過熱蒸汽溫度的階躍響應(yīng)曲線如左圖所示。不同干擾對(duì)過熱蒸汽溫度對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線由左圖可知，在各種階躍干擾作用下，其動(dòng)態(tài)特性都有時(shí)延和慣性，只是時(shí)延和慣性的大小不同而已。第二十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．控制變量的選擇與控制方案的確定由于蒸汽流量的變化是負(fù)荷干擾，因而不能作為控制變量；若采用煙氣側(cè)干擾作為控制變量，則會(huì)使鍋爐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給設(shè)計(jì)制造帶來困難，也不宜作為控制變量；若采用減溫水流量作為控制變量則既簡(jiǎn)單又易行。但存在的問題是：①減溫水流量與過熱蒸汽溫度之間存在較大的時(shí)延和慣性；②在工藝上，鍋爐給水與減溫水常常合用一根總管，這樣會(huì)導(dǎo)致減溫水自身波動(dòng)頻繁。針對(duì)上述存在的問題，如果設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)則無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此，需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。

一種可行的控制方案是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，如下圖所示。第二十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日過熱蒸汽溫度串級(jí)控制為進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，還可以考慮將負(fù)荷干擾作為前饋信號(hào)，構(gòu)成前饋－反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。第二十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日鍋爐燃燒過程的控制1．鍋爐燃燒過程的控制任務(wù)鍋爐燃燒過程的控制任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量能夠適應(yīng)鍋爐產(chǎn)汽的需要，同時(shí)還要保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其具體任務(wù)又可分為：①使鍋爐出口蒸汽壓力保持穩(wěn)定；②保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求；③使?fàn)t膛負(fù)壓保持恒定；④確保燃燒過程的安全性等。有三個(gè)可供選擇的調(diào)節(jié)量，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷產(chǎn)生變化時(shí)，燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量應(yīng)同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，達(dá)到既要適應(yīng)負(fù)荷變化、又要使燃料量和送風(fēng)量成一定比例、還要使?fàn)t膛負(fù)壓保持一定的效果；當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)保持燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量也相對(duì)穩(wěn)定，并能迅速消除外界干擾對(duì)它們各自的影響。此外，為確保設(shè)備與人身安全，對(duì)因燃料的流速過快而導(dǎo)致燒嘴背壓過高產(chǎn)生的“脫火”現(xiàn)象、或因燒嘴背壓過低產(chǎn)生的“回火”現(xiàn)象，都應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全保護(hù)系統(tǒng)，防止上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。第二十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．蒸汽壓力控制方案影響蒸汽壓力的外界因素主要是蒸汽負(fù)荷的變化與燃料量的波動(dòng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷及燃料量波動(dòng)較小、對(duì)燃燒的經(jīng)濟(jì)性要求不高時(shí)，可以采用調(diào)節(jié)燃料量以控制蒸汽壓力的簡(jiǎn)單控制方案；而當(dāng)燃料量波動(dòng)較大、對(duì)燃燒的經(jīng)濟(jì)性又有較高要求時(shí)，則需采用燃料量/空氣量對(duì)蒸汽壓力的串級(jí)/比值控制方案。下圖為燃燒過程的兩種基本控制方案。在串級(jí)/比值控制方案中，由于燃料量是隨蒸汽負(fù)荷而變化的，所以為主動(dòng)量，它與空氣量（從動(dòng)量）組成單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，使燃料量與空氣量保持一定比例，以確保燃燒的充分性。第二十八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日燃燒過程基本控制方案

圖（a）所示的基本控制方案是將蒸汽壓力調(diào)節(jié)器PC作為串級(jí)控制的主調(diào)節(jié)器，其輸出同時(shí)作為燃料流量調(diào)節(jié)器和空氣流量調(diào)節(jié)器FC的設(shè)定值，燃料流量調(diào)節(jié)器和空氣流量調(diào)節(jié)器則構(gòu)成各自的副回路用以迅速克服它們自身的干擾。圖（b）所示的基本控制方案是將蒸汽壓力與燃料流量構(gòu)成串級(jí)控制，而送風(fēng)量則隨燃料量變化而變化，從而構(gòu)成比值控制，這樣可以確保燃料量與送風(fēng)量的比例，但該控制方案的缺點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，送風(fēng)量的變化必然落后于燃料量的變化，導(dǎo)致燃燒不充分。第二十九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日下圖為燃燒過程的改進(jìn)型控制方案

該控制方案在蒸汽負(fù)荷減小、壓力增大時(shí)，可通過低值選擇器LS先減少燃料量，后減少空氣量；而當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加、壓力減小時(shí)，可通過高值選擇器HS先加大空氣量，再加大燃料量，從而可使兩種情況下的燃燒均較為充分。燃燒過程的改進(jìn)型控制方案

第三十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日3．燃燒過程的最優(yōu)化控制方案

液體燃料的過?？諝饬颗c能量損失的關(guān)系圖

第三十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日過?？諝饬砍Ｓ眠^?？諝饴蕘肀硎?，為實(shí)際空氣量和理論空氣量之比，一般情況下，

。由此可知，

是衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的一種直接指標(biāo)。但由于很難直接測(cè)量，因而可用

與煙氣中含氧量存在的近似關(guān)系，計(jì)算出的最優(yōu)值，即例如，當(dāng)

的最優(yōu)值為1.08～1.15時(shí)，可得

的最優(yōu)值為1.6%～2.9%。因此，煙氣中的含氧量

可作為一種衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的間接指標(biāo)。第三十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日在該控制系統(tǒng)中，只要把含氧量成分控制器的給定值按正常負(fù)荷下煙氣含氧量的最優(yōu)值設(shè)定，即可使過?？諝饬糠€(wěn)定在最優(yōu)值，從而保證鍋爐燃燒最經(jīng)濟(jì)，熱效率最高。根據(jù)以上分析可知，只要在上圖控制方案上對(duì)進(jìn)風(fēng)量用煙氣含氧量加以校正，就可構(gòu)成如下圖所示的煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)

要使不同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的鍋爐總是處于最佳燃燒狀態(tài)，則煙氣含氧量的最優(yōu)值還需隨之變化，這就需要對(duì)上圖的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)一步加以改進(jìn)。第三十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日蒸汽流量與煙氣中最優(yōu)含氧量之間呈一非線性曲線關(guān)系，在實(shí)際使用時(shí)可用下圖所示的折線來近似。由圖可知，當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，煙氣中最優(yōu)含氧量增大，也即意味著過?？諝饬吭龃?，反之亦然。蒸汽流量與最優(yōu)含氧量近似關(guān)系

第三十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日在煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)中增加一折線函數(shù)發(fā)生器，對(duì)空氣過剩量進(jìn)行修正，構(gòu)成如下圖所示的最佳煙氣含氧量鍋爐燃燒控制系統(tǒng)。最佳煙氣含氧量的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，其變化的信號(hào)經(jīng)函數(shù)發(fā)生器改變含氧量成分調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，然后再由含氧量成分調(diào)節(jié)器校正過?？諝饬?，使鍋爐燃燒過程在不同負(fù)荷下，始終處于最佳過?？諝饬康臓顟B(tài)。第三十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日4．爐膛負(fù)壓控制與安全保護(hù)控制方案

下圖所示為鍋爐燃燒過程爐膛負(fù)壓及安全保護(hù)控制系統(tǒng)。由圖可知，該控制系統(tǒng)又由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。（1）爐膛負(fù)壓控制：一般可通過控制引風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)。（2）防“脫火”控制：通?？梢圆捎米詣?dòng)選擇性控制方案。（3）防“回火”控制：是一個(gè)連鎖保護(hù)控制系統(tǒng)。爐膛負(fù)壓控制與安全保護(hù)控制系統(tǒng)

引風(fēng)檔板空氣預(yù)熱器第三十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.2精餾塔的過程控制

精餾過程的目的是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同，將各組分進(jìn)行分離以達(dá)到規(guī)定的純度。2.2.1精餾塔的控制目標(biāo)及變量分析

1．控制目標(biāo)

精餾塔的控制目標(biāo)通常表現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量及能量消耗三個(gè)方面。（1）產(chǎn)品質(zhì)量精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量必須符合規(guī)定的要求。（2）產(chǎn)品產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益任何產(chǎn)品都要求在確保質(zhì)量的前提下，盡可能提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和降低成本、最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益。第三十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日

2．變量分析

精餾塔的進(jìn)、出料流程圖

（1）不可控干擾：進(jìn)料流量及進(jìn)料成分的變化是精餾過程中的主要干擾量。其它干擾如進(jìn)料溫度、進(jìn)料熱焓等，可以通過各自的控制系統(tǒng)使它們保持相對(duì)穩(wěn)定。（2）被控量與控制量：在精餾塔控制中，控制變量與被控變量之間的配對(duì)關(guān)系共有24種選擇。（3）變量配對(duì)原則：在變量配對(duì)時(shí)首先要解決產(chǎn)品成分的變量配對(duì)問題。第三十八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.2.2精餾塔的控制方案

1．一端產(chǎn)品質(zhì)量控制

所謂一端產(chǎn)品質(zhì)量控制，是指塔頂產(chǎn)品或塔底產(chǎn)品要達(dá)到規(guī)定的純度，而對(duì)另一端的產(chǎn)品純度只要保持在一定范圍內(nèi)即可。它分為塔頂產(chǎn)品成分控制和塔底產(chǎn)品成分控制兩種（1）塔頂產(chǎn)品成分控制

例如，在對(duì)甲醇進(jìn)行分離的精餾塔中，其進(jìn)料為甲醇、甲醛和水的混合液，工藝要求把甲醇分離出來。因甲醇為輕組分，所以這是一個(gè)塔頂產(chǎn)品成分的控制問題。某甲醇分餾的參數(shù)表如下表所示。水的成分甲醛成分=0.0032=0.986

=0.046甲醇成分387.517.5400流量/kg/s塔底餾出物塔頂餾出物進(jìn)料參數(shù)工況成分第三十九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日蒸氣閥門根據(jù)變量配對(duì)的要求，通常采用的控制方案是：用塔頂產(chǎn)品流量控制塔頂產(chǎn)品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底產(chǎn)品流量控制塔底液位；蒸汽的熱釜（再沸器）進(jìn)行自身流量的控制，如下圖所示選用塔頂產(chǎn)品流量作為控制量。在圖中，調(diào)節(jié)器的輸出均通過電/氣轉(zhuǎn)換后變成氣壓信號(hào)，經(jīng)氣動(dòng)閥門定位器進(jìn)行功率放大，進(jìn)而推動(dòng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

塔頂產(chǎn)品成分控制方案

FT流量變送器；FC流量控制TT溫度變送器；TC溫度控制

PT壓力變送；PC壓力控制；LT液位變送；LC液位控制；AT成分變送器

；AC成分控制器LS液位開關(guān)聯(lián)鎖第四十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）塔底產(chǎn)品成分控制由圖可知，用塔底產(chǎn)品流量控制塔底產(chǎn)品成分，以保證控制質(zhì)量；對(duì)塔頂產(chǎn)品只進(jìn)行流量控制；用回流量控制回流罐液位，用蒸汽量控制塔底液位，使精餾操作能正常進(jìn)行。塔底產(chǎn)品成分控制方案

蒸氣閥門第四十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．兩端產(chǎn)品質(zhì)量均需控制

當(dāng)塔頂及塔底產(chǎn)品分別需要滿足一定質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，則需要對(duì)塔的兩端產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行控制。在該控制方案中，用回流量控制塔頂產(chǎn)品成分，用塔底流量控制塔底產(chǎn)品成分，其目的是保證兩端產(chǎn)品的控制質(zhì)量；用塔頂流量控制回流罐液位，用蒸汽流量控制再沸器液位，使精餾操作能正常進(jìn)行。兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案

第四十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)改變回流量時(shí)，不僅影響塔頂產(chǎn)品組分的變化，同時(shí)也引起塔底產(chǎn)品組分的變化；同理，當(dāng)控制塔底的加熱用蒸汽流量時(shí)，也將引起塔內(nèi)溫度的變化，從而不但使塔底產(chǎn)品組分產(chǎn)生變化，同時(shí)也將影響到塔頂產(chǎn)品組分的變化?？梢姡@是一個(gè)2×2的多變量耦合系統(tǒng).精餾塔兩端產(chǎn)品成分控制框圖

顯然，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，兩端產(chǎn)品成分解耦控制方案如圖所示。第四十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日

該控制方案的設(shè)計(jì)思想是：為使回流量的變化只影響塔頂組分而不影響塔底組分，設(shè)計(jì)了解耦裝置，使蒸汽閥門預(yù)先動(dòng)作，予以補(bǔ)償；同樣，為使蒸汽量的變化只影響塔底組分而不影響塔頂組分，設(shè)計(jì)了另一個(gè)解耦裝置，使回流閥預(yù)先動(dòng)作，予以補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了兩端產(chǎn)品質(zhì)量的解耦控制。兩端產(chǎn)品質(zhì)量的解耦控制方案

第四十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日

關(guān)于解耦裝置數(shù)學(xué)模型、的取得，可根據(jù)不變性原理的前饋補(bǔ)償法進(jìn)行設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償法解耦控制系統(tǒng)框圖

第四十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3加熱爐的過程控制圖5加熱電爐2.3.1加熱爐的控制問題：被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度?？刂谱兞浚喝剂嫌突蛉剂蠚獾牧髁?。主要干擾：工藝介質(zhì)的進(jìn)料溫度、流量、組分；燃料油/燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）；燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。對(duì)象特性建模方法：定性分析+實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通常可用一階加純滯后環(huán)節(jié)來近似。第四十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3.2管式加熱爐的單回路控制系統(tǒng)第四十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日管式加熱爐的串級(jí)控制系統(tǒng)第四十八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.4換熱器的過程控制被控變量

(1)被加熱/冷卻介質(zhì)的出口溫度（無(wú)相變）；

(2)加熱/冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔底再沸器的蒸發(fā)量?？刂谱兞?/p>

(1)調(diào)載熱體的流量；(2)調(diào)節(jié)傳熱平均溫差；

(3)調(diào)傳熱面積； (4)將工藝介質(zhì)分路，一路經(jīng)換熱，另一路走旁路。第四十九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.4.1換熱器的控制方案問題：若上述單回路控制方案仍未能滿足工藝要求，如何改進(jìn)控制方案，以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量？第五十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日反應(yīng)器種類2.5反應(yīng)器的過程控制第五十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日反應(yīng)器種類2.5反應(yīng)器的過程控制第五十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.5.2反應(yīng)器的入口溫度控制反應(yīng)溫度的單回路控制第五十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日反應(yīng)溫度的串級(jí)與分程控制反應(yīng)溫度的分段控制與優(yōu)化第五十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2.5.5反應(yīng)溫度分段控制與關(guān)聯(lián)分析第五十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日聚合釜反應(yīng)溫度控制方案一第五十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日聚合釜反應(yīng)溫度控制方案二第五十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日聚合釜反應(yīng)溫度-壓力串級(jí)控制第五十八頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日具有壓力補(bǔ)償?shù)木酆细獌?nèi)溫控制第五十九頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的控制第六十頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日三、過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)

3.1工程化設(shè)計(jì)的目的和主要內(nèi)容

1．目的

過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)既是生產(chǎn)過程自動(dòng)化項(xiàng)目建設(shè)中的一項(xiàng)極其重要的環(huán)節(jié)，也是自動(dòng)化類專業(yè)的學(xué)生強(qiáng)化工程實(shí)際觀念、運(yùn)用《過程控制工程》的知識(shí)進(jìn)行全面綜合訓(xùn)練的重要實(shí)踐過程。過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者既要掌握大量的專業(yè)知識(shí)，還要懂得設(shè)計(jì)工作的程序。過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)，不管具體過程和控制方案如何，其基本的設(shè)計(jì)程序和方法則是相似的。第六十一頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．主要內(nèi)容

①在熟悉工藝流程、確定控制方案的基礎(chǔ)上，完成工藝流程圖和控制流程圖的繪制；

②在儀表選型的基礎(chǔ)上完成有關(guān)儀表信息的文件編制；

③完成控制室的設(shè)計(jì)及其相關(guān)條件的設(shè)計(jì)；

④完成信號(hào)連鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

⑤完成儀表供電、供氣系統(tǒng)圖及管線平面圖的繪制以及控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間水、電、氣（汽）的管線布置圖的繪制；

⑥完成與過程控制有關(guān)的其它設(shè)備、材料的選用情況統(tǒng)計(jì)及安裝材料表的編制；

⑦完成抗干擾和安全設(shè)施的設(shè)計(jì)；

⑧完成設(shè)計(jì)文件的目錄編寫等。第六十二頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日3.

2工程化設(shè)計(jì)的具體步驟

在確定了過程控制系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以后，可分兩步進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，即立項(xiàng)報(bào)告設(shè)計(jì)和施工圖的設(shè)計(jì)。3.2.1立項(xiàng)報(bào)告的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

（1）調(diào)查研究

（2）規(guī)劃目標(biāo)

（3）收集資料

為了使設(shè)計(jì)的立項(xiàng)報(bào)告科學(xué)合理、切實(shí)可行，能夠比較順利地被審批通過，必須認(rèn)真做好設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作。第六十三頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．立項(xiàng)報(bào)告的設(shè)計(jì)1）系統(tǒng)控制方案的論證與確定；2）說明采用了哪種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范作為設(shè)計(jì)的依據(jù)；3）說明設(shè)計(jì)的分工范圍；4）說明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在同行業(yè)中的自動(dòng)化水平以及新工藝、新技術(shù)的采用情況等;5）提供儀表設(shè)備匯總表、材料清單以及主要的供貨廠家、供貨時(shí)間與相應(yīng)的價(jià)格，并和概算專業(yè)人員共同做出經(jīng)費(fèi)預(yù)算及使用情況的說明;6）提出參加該項(xiàng)工作的有關(guān)人員和完成該項(xiàng)工作所需時(shí)間以及存在的問題及解決的辦法等；7）預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)投入正常運(yùn)行后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益.第六十四頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2施工圖的設(shè)計(jì)

當(dāng)立項(xiàng)報(bào)告設(shè)計(jì)的審批文件下達(dá)后，即可進(jìn)行施工圖的設(shè)計(jì)。施工圖是進(jìn)行施工用的技術(shù)文件與圖紙資料，必須從施工的角度解決設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)部分。現(xiàn)以常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)（DCS）為例，簡(jiǎn)要介紹施工圖的設(shè)計(jì)內(nèi)容。1．常規(guī)儀表控制系統(tǒng)施工圖的設(shè)計(jì)

（1）圖紙目錄;

（2）說明書;

（3）設(shè)備匯總表;

（4）設(shè)備裝置數(shù)據(jù)表;

（5）材料表;（6）連接關(guān)系表;

（7）測(cè)量管路和絕熱、伴熱方式表;

（8）銘牌注字表;

（9）信號(hào)原理圖;

（10）平面布置圖;

（11）接線（管）圖;

（12）空視圖;（13）安裝圖;

（14）工藝管道和儀表流程圖;

（15）接地系統(tǒng)圖;

（16）任選圖的設(shè)計(jì);（略）。第六十五頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日2．集散控制系統(tǒng)（DCS）施工圖的設(shè)計(jì)集散控制系統(tǒng)（DCS）施工圖的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：

（1）文件目錄;

（2）集散控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格說明書;

（3）集散控制系統(tǒng)I/O表;

（4）連鎖系統(tǒng)邏輯圖;

（5）儀表回路圖;

（6）控制室布置圖;

（7）端子配線圖;

（8）電纜布置圖;

（9）儀表接地系統(tǒng)圖;

（10）集散控制系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表;

（11）集散控制系統(tǒng)配置圖;

（12）端子（安全柵）柜布置圖;

（13）機(jī)房設(shè)計(jì);

（14）集散控制系統(tǒng)組態(tài)文件的設(shè)計(jì);

第六十六頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3控制系統(tǒng)的抗干擾和接地設(shè)計(jì)

儀表及控制系統(tǒng)的干擾是普遍存在的，若不對(duì)儀表或系統(tǒng)存在的干擾采取措施加以消除，輕者會(huì)影響儀表或系統(tǒng)的精度，重者使其無(wú)法工作，甚至?xí)斐砂踩鹿省Ｋ?，分析干擾的來源，采取相應(yīng)的消除措施，也是工程化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。3.2.3.1干擾的來源

儀表及控制系統(tǒng)的干擾主要來自以下幾個(gè)方面：1．電磁輻射干擾;（1）電源引入線傳輸干擾;（2）信號(hào)引入線傳輸干擾;3．接地系統(tǒng)的干擾;

4．系統(tǒng)內(nèi)部干擾.2．引入線傳輸干擾;

第六十七頁(yè)，共七十三頁(yè)，2022年，8月28日3.2.4.2抗干擾措施針對(duì)上述種種干擾，通常采用如下抗干擾措施：

1．隔離;4．避雷保護(hù);

接地系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)在上述種種抗干擾措施中，有相當(dāng)部分是和