第八章 典型工業(yè)過程控制

第八章典型工業(yè)過程控制過程控制及儀表

鹽城工學(xué)院學(xué)習(xí)目標第八章典型工業(yè)過程控制了解DCS控制系統(tǒng)基本概念熟練掌握球磨機控制一般方法熟悉精餾過程控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院8.1精餾過程控制系統(tǒng)8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)8.3磨機的控制本章內(nèi)容鹽城工學(xué)院B，xBvF，zf蒸汽LD，xD進料餾出液冷劑回流釜液工藝簡介精餾過程---將組分復(fù)雜的混合物通過傳熱、傳質(zhì)分離成純度相對較高的單一化工產(chǎn)品的過程

原理-----利用混合物中各組分相對揮發(fā)度不同，在一定的溫度、壓力下通過蒸發(fā)與冷凝，使液相中的輕組分和氣相中的重組分互相轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)分離。

8.1精餾過程控制系統(tǒng)精餾過程廣泛應(yīng)用于石油加工、化工、精細化工和輕工生產(chǎn)過程中。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對精餾過程而言就是對產(chǎn)品的純度要求不斷提高，這就對控制精度提出了更高的要求，由于精餾過程為多輸入、多輸出對象，被控參數(shù)之間有著比較復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，需要從系統(tǒng)工程的角度相互協(xié)調(diào)，統(tǒng)一考慮，因此控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。由于精餾過程的自動控制極為重要且有一定難度，國內(nèi)外許多專家都在從事這方面的研究。

板式塔精餾裝置的工藝過程為：原料液加入精餾塔中部的某一層塔板，該層塔板稱為加料板。加料板將分成兩部分：上部進行著蒸汽中易揮發(fā)組分的增濃，稱為精餾段；下部（包括加料板）進行著液體中難揮發(fā)組分的提濃，稱為提餾段。提餾段底部液體一部分被不斷排出，作為塔底產(chǎn)品收集，一部分經(jīng)再沸器加熱汽化后重新送入塔中。塔頂蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后，一部分作為塔頂產(chǎn)品排出，一部分回流入塔。顯然，精餾塔的作用是使塔中上升汽流與下降液流充分逆流接觸，并多次進行熱量和質(zhì)量交換，最終在塔頂和塔底得到組分濃度符合質(zhì)量要求的合格產(chǎn)品。B，xBvF，zf蒸汽LD，xD進料餾出液冷劑回流釜液鹽城工學(xué)院精餾過程的控制要求產(chǎn)品質(zhì)量要求平穩(wěn)運行要求約束條件要求節(jié)能要求精餾過程控制的目標是：在保證安全的前提下，滿足工藝提出的質(zhì)量指標，并盡可能降低原材料和能源消耗，提高效率，保證生產(chǎn)安全、平穩(wěn)運行。8.1精餾過程控制系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量要求

塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)保證達到質(zhì)量指標規(guī)定的純度要求，另一產(chǎn)品純度應(yīng)穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)；或者塔頂、塔底產(chǎn)品均保證一定的純度。對于二元組分精餾過程的質(zhì)量通常用塔頂?shù)妮p組分產(chǎn)品和塔底重組分產(chǎn)品純度進行控制。

平穩(wěn)運行要求為保證精餾過程的平穩(wěn)運行，應(yīng)當保持精餾過程的總產(chǎn)品輸出量（塔頂餾出液和塔底釜液的總采出量）與進料量平衡，即保證物料平衡；同時應(yīng)當保證精餾過程輸入輸出總能量的平衡，即保證能量平衡，使塔內(nèi)的操作壓力保持穩(wěn)定。約束條件要求

常用的精餾塔約束條件有：液泛限、漏液限、壓力限和臨界溫差限。液泛限和漏液限最大和最小氣相速度限，當塔內(nèi)氣相速度過高時，將可能導(dǎo)致下層塔板的液相倒流到上層塔，產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，影響正常操作；當塔內(nèi)氣相速度過低時，將產(chǎn)生塔板漏液，使得傳熱傳質(zhì)效率下降。壓力限是塔的操作壓力限制，一般是最大壓力限，因為塔內(nèi)壓力不能過大，否則會影響塔內(nèi)的汽液平衡，嚴重越限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)的溫差，當這一溫差低于臨界溫差時，給熱系數(shù)急劇下降，不能保證塔的正常傳熱需要。節(jié)能要求節(jié)能的主要要求是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗應(yīng)符合一定的要求。鹽城工學(xué)院基本控制方案按精餾段指標的控制方案

塔頂餾出液為主要產(chǎn)品，或塔的進料全部為氣相此時進料量、成分和溫度的波動對精餾段影響較大

LCLCFCFCTCFDBL根據(jù)精餾段質(zhì)量指標控制回流量，保持再沸器加熱量恒定8.1精餾過程控制系統(tǒng)根據(jù)精餾段質(zhì)量指標控制回流量，保持再沸器加熱量恒定

這種控制方案優(yōu)點是：控制回路滯后小，反應(yīng)迅速，利于克服進入精餾段的擾動，保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量，是精餾過程控制中最為常見的控制方案；缺點是：以回流量作為操縱變量，對精餾塔的平穩(wěn)操作有影響。所以在調(diào)節(jié)參數(shù)整定時，采用PI控制，不必加入微分控制。此方案適用于回流比小于0.8和某些需要減小滯后的場合。鹽城工學(xué)院根據(jù)精餾段質(zhì)量指標控制餾出液流量，保持再沸器加熱量恒定LCFCFCTCFDBL8.1精餾過程控制系統(tǒng)根據(jù)精餾段質(zhì)量指標控制餾出液流量，保持再沸器加熱量恒定

為這種控制方案，此方案的優(yōu)點是：塔內(nèi)回流基本不變，有利于精餾塔的平穩(wěn)操作，若采用有積分作用的控制，當塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時，塔頂餾出液會自動停止餾出，進行全回流，保證產(chǎn)品合格；缺點是：控制回路滯后大，反應(yīng)慢。此方案適用于回流比較大的場合。鹽城工學(xué)院按提餾段指標的控制方案

LCFCTCFCTCFDBL當塔底產(chǎn)品為主要產(chǎn)品或進料為液相時，常采用此類控制方案。此時進料量、成分和溫度的波動對精餾段影響較大。

根據(jù)提餾段質(zhì)量指標控制加熱量，保持回流量恒定

8.1精餾過程控制系統(tǒng)根據(jù)提餾段質(zhì)量指標控制加熱量，保持回流量恒定

這種控制方案的優(yōu)點是：滯后小，反應(yīng)迅速，有利于克服進入提留段的擾動，保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)用廣泛。缺點是：物料平衡與能量平衡之間有一定關(guān)聯(lián)。該方案由于回流量恒定，故應(yīng)保證回流量足夠大，以便當塔的負荷最大時保證產(chǎn)品質(zhì)量。鹽城工學(xué)院水泥生產(chǎn)過程自動化為企業(yè)帶來的諸多好處以被企業(yè)的管理者廣泛認同。但為了降低投資，企業(yè)一般都不選用從國外引進的傳統(tǒng)性DCS系統(tǒng)，尤其在中小型水泥廠大多采用由原裝的可編程序控制器（PLC）作為現(xiàn)場控制站（下位機），用通用工控機作操做站（上位機），配以標準的控制網(wǎng)絡(luò)組態(tài)而成的分布式控制系統(tǒng)（DCS），實現(xiàn)分散控制和集中管理的功能。

8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院集散控制系統(tǒng)的基本概念

集散控制系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和過程制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運而生的綜合控制系統(tǒng)，它緊密依賴于自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)(4C)。

集散控制系統(tǒng)又稱分散型控制系統(tǒng)

DCS------DistributedControlSystem“分散”指：

1、工藝上各種設(shè)備地理位置的分散。2、功能分散?！凹保杭斜O(jiān)視、集中管理。8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院集散控制系統(tǒng)特點

與常規(guī)控制儀表相比較，

優(yōu)點

控制功能齊全，可實現(xiàn)復(fù)雜控制、最優(yōu)控制,便于信息的綜合和分析。

存在問題

1、危險集中2、性能問題：單機負荷過載3、開發(fā)周期

解決方法

選用高可靠性能的計算機

引入雙重化，增加后備裝置8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個分布式系統(tǒng)。其邏輯結(jié)構(gòu)為樹結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行垂直分解各級既相互獨立由相互聯(lián)系。每一級又水平分解成若干子集。8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中央操作臺網(wǎng)間連接器生產(chǎn)管理級LAN局域網(wǎng)過程管理級管理計算機工程師操作站

操作員站監(jiān)控計算機網(wǎng)間連接器高速數(shù)據(jù)公路過程控制級DDC直接數(shù)字控制站數(shù)據(jù)采集站多功能控制站可編程邏輯控制站單回路調(diào)節(jié)控制站8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院某水泥生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)構(gòu)成

8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院原料破碎原料預(yù)均化堆場

生料配料

生料粉磨

生料均化

熟料燒成煤粉制備

水泥配料水泥粉磨

水泥包裝等水泥生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)控制范圍8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院檢測參數(shù)

溫度、

壓力、物位、重量、轉(zhuǎn)速、電流、CO、O2含量等參數(shù)的檢測。

閥門開度、位置、狀態(tài)的檢測。

8.2水泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)鹽城工學(xué)院一水泥磨的信息檢測和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

1磨頭軸承溫度檢測、報警回路2隔倉板溫度控制回路3選粉機循環(huán)風溫控制回路4磨尾軸承溫度檢測報警回路5出磨水泥溫度控制回路6磨尾氣體溫度記錄回路9選粉機循環(huán)風機進口氣體壓力指示回路10選粉機袋收塵器出口氣體壓力指示回路11粗粉分離器出口壓力控制回路7磨尾氣體壓力指示回路8磨機袋收塵器出口氣體壓力指示回路12磨音，提升機功率控制磨機負荷回路13.石灰石、石膏、熟料倉料位檢測，報警回路14.石灰石、石膏、熟料喂料量累計回路15.磨頭倉和選粉機袋收塵器出口閥門控制回路8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院磨頭軸承溫度檢測、報警回路：由鉑熱電阻(WZPM—201)檢測到的軸承溫度信號(電阻阻值的變化)送入變送器(5351—3101／A2)，轉(zhuǎn)變?yōu)锳2)，通過報警給定器可以設(shè)定多高的溫度給出報警信號。上限報警信號產(chǎn)生聲光報警，通知巡檢人員去現(xiàn)場巡視，若溫度繼續(xù)升高，將有一個上限報警信號送入可編程序控制器(PLC)，使可編程序控制器發(fā)出停止磨機運行指令，以保證磨機軸承不會因溫度過高而燒毀。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院隔倉板溫度控制回路

為防止水泥溫度過高，使石膏脫水，在磨頭磨尾分別設(shè)置了水泥磨內(nèi)噴水系統(tǒng)。磨頭噴水由隔倉板處的物料溫度控制，當達到一定溫度時便啟動噴水系統(tǒng)。水量是連續(xù)控制的，當然，也可以手動控制。由鉑熱電阻(Ptl00，0～150~C)檢測到的溫度信號，經(jīng)過溫度變送器變成4～20mA標準信號后，送入控制器，由控制器的輸出去控制供水管路上的電動控制閥，達到控制水量大小的目的。噴入的水必須霧化，為此設(shè)置了壓縮空氣系統(tǒng)，同時也起到了防止噴水嘴堵塞的作用。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院選粉機循環(huán)風溫控制回路

為了進一步降低水泥溫度，減少粗粉帶回磨中的熱量，選粉機設(shè)置了放風系統(tǒng)，放風量可根據(jù)循環(huán)風溫自動控制。根據(jù)循環(huán)風溫控制冷風閥門的開度，達到控制循環(huán)風溫度的目的。由熱電阻檢測風溫，由控制器輸出去控制電動執(zhí)行機構(gòu)，控制冷風閥門的開度，達到控制循環(huán)風溫度的目的。

8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院出磨水泥溫度控制回路

這是磨尾噴水系統(tǒng)，由磨尾氣體溫度控制。由鉑熱電阻(Ptl00)檢測到的溫度信號通過變送器送入控制器由控制器控制電動控制閥控制噴水量，達到出磨水泥溫度控制的目的。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院石灰石、石膏、熟料倉料位檢測，指示、報警回路由重錘料位計檢測料位的高低，信號(4～20mA)用以指示料位的高低，并給出高位的報警信號。同時，料位信號送入可編程控制器，可編程控制器根據(jù)料位的高低，來啟動或停止送料系統(tǒng)。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院球磨機負荷的檢測與控制球磨機負荷檢測與控制的目的：是在保證粉磨產(chǎn)品細度合格的前提下，使磨機物料填充率保證較佳數(shù)值，避免人工控制時磨機負荷的幅度波動，防止“悶?zāi)ァ焙汀翱漳ァ保岣叻勰バ?，減輕工人勞動強度。據(jù)資料介紹，磨機負荷采用自動控制后，比人工控制可節(jié)電3％～12％，粉磨原料和水泥的電耗約占水泥生產(chǎn)總耗電的60％，因此，經(jīng)濟效益可觀。

8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院閉路循環(huán)磨的動態(tài)特性

一般認為閉路循環(huán)磨是長滯后對象，也就是說，從喂料量變化到出磨物料流量變化需要經(jīng)過較長的時間才能反應(yīng)出來。

圖閉路磨的動態(tài)特性8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院控制目標:

保證粉磨產(chǎn)品細度合格的前提下，使磨機物料填充率保證較佳數(shù)值，防止“悶?zāi)ァ焙汀翱漳ァ?。提高粉磨效率?/p>

8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院1確定被控變量

從工藝概況可知需要控制磨機運轉(zhuǎn)狀況

。磨音、粗粉回粉量、提升機功率。思考：選取被控參數(shù)的一般原則？選擇對產(chǎn)品的產(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的，可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。

當不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。

被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度。被控參數(shù)的選擇必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院

磨音：

可以判斷喂料量是否正確。如果磨內(nèi)只有很少的物料，這時可以聽到金屬的碰撞聲，這是磨機的研磨體落到磨機內(nèi)襯板上發(fā)出的聲音，這時磨機簡體振動幅值也高；反之，若喂料量過大，金屬的碰撞聲便會部分地或全部地消失，這時磨機簡體振幅也低，喂料適當時，磨音介于這兩者之間。聲壓傳感器代替人耳，通過PI控制器控制喂料量的大小。實質(zhì)上，這種方法就是控制磨機中物料的填充率。對于開環(huán)系統(tǒng)和濕法磨來說，若采用現(xiàn)代的磁阻式電耳，這種方法也是一個控制粉磨過程的有效手段?？蛇x的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院提升機拖動電機的有功功率：提升機拖動電機的功率消耗正比于提升機載有的循環(huán)荷重和空斗的重量。因此，提升機有功功率反映了出磨物料總量。物料易磨性變化時，盡管入磨喂料量保持不變，出磨喂料總量將發(fā)生變化。

可選的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院粗粉回粉流量：

在工藝條件一定時，選粉機參數(shù)(如轉(zhuǎn)速，風量)不變時，粗粉回粉量的多少反映了物料的易磨性。當磨機喂料量一定時，物料易磨性好，則細粉多粗粉少，回粉量就減少，磨內(nèi)物料填充量就減少。

可選的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院選用電耳為被控變量

電耳為被控變量控制磨機喂料使之正比于磨音，隨著磨音的增大或減小，增加或減小磨機的喂料量，即磨音減弱時，意味著磨機的物料填充率過高，要減少喂料量，反之則增加喂料量。采用磨音信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，由于磨音對磨機負荷反快，滯后時間短，用一般連續(xù)PI控制就可滿足要求。

可選的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院采用提升機功率作為被控變量出磨料多↑→提升機功率↑→檢測信號變送放大↑→與控制器給定信號比較后的偏差e↓，控制喂料電子皮帶秤直流電機轉(zhuǎn)速降低，由于純滯后時間長，不適于采用連縷PI控制，可采用斷續(xù)或采樣控制規(guī)律。

可選的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院選粗粉回粉流量為被控變量：滯后時間長，PID控制。可選的被控變量:8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院確定被控變量考慮到電耳是一種間接控制影響因素較多，粗粉回粉流量滯后較大，故優(yōu)選提升機功率作為被控變量。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院確定操縱變量：影響磨機工作狀況原因：隨著物料的喂料量、易磨性、溫度及鋼球的磨損等多種因素而變化。選喂料量做為操縱變量。復(fù)習(xí)：操縱變量選取應(yīng)遵循原則：

①控制參數(shù)必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；

②控制參數(shù)應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控對象的輸入變量中的對被控變量影響最大的一個，控制通道的放大系數(shù)K要盡量大一些，時間常數(shù)T適當小些，滯后時間盡量??；

③不宜選擇代表生產(chǎn)負荷的變量作為控制參數(shù)，以免產(chǎn)量受到波動。8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院被控變量：出磨料提升機功率操縱變量：喂料量測量變送裝置：功率變送器控制器:斷續(xù)PI控制

控制目標：磨機工況良好8.3磨機的控制鹽城工學(xué)院1提升機功率為主、磨音為輔的控制方式

提升機拖動電機的功率減少時，就增加磨機的喂料量，使磨機增加卸料量，使提升機功率消耗增加到整定值。若提升機功率增加了，則謂整過程與上述情況相反。電耳控制回路起監(jiān)控作用。這是由于這種粉磨回路具有較長的時滯，所以要安裝一臺電耳監(jiān)視粗磨倉的物料填充率，防止粗磨室喂料過大。電耳一旦發(fā)現(xiàn)磨內(nèi)填充率超出某一數(shù)值，如磨音信號設(shè)定值的15％～20％，則自動切斷提升機功率控制回路，接通電耳控制回路，待磨音正常后，系統(tǒng)又自動切換到提升機功率控制回路。由于系統(tǒng)滯后時間較長，選用的控制器要充分考慮這一工藝特點，用連續(xù)PI控制是不合適的