化工儀表71課件

化工儀表72024/4/17化工儀表7[1]

簡單控制系統(tǒng)又稱單回路反饋控制系統(tǒng)。由一個被控過程、一個檢測變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成，對一個被控變量進行控制的單回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元，其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求。尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場合。

化工儀表7[1]7.1過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容7.1.1過程分析

過程控制系統(tǒng)包括被控過程和控制儀表兩部分。被控過程是由工藝要求決定的，因此，要進行過程特性分析，明確：

被控變量操縱變量主要擾動

化工儀表7[1]

7.1.2過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容A控制方案的設計

包括帶控制點的工藝流程圖、設計說明書等。

帶控制點的工藝流程圖是用自控字母和圖形符號在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的圖紙文件。它反映出被控變量測量點的位置、控制手段的實現(xiàn)方法，以及各個控制系統(tǒng)相互之間的關(guān)系。圖紙上自控字母和圖形符號都要符合一定的設計規(guī)范。

初步設計說明書包括設計指導思想、工藝流程和環(huán)境特征、自動化技術(shù)水平、安全措施等說明。化工儀表7[1]B工程設計

包括儀表選型、控制室和儀表盤設計、儀表供電氣系統(tǒng)設計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設計等。

提交自控設備匯總表、電氣設備材料表，以及儀表、電氣設備接線圖等詳細資料。C工程安裝和儀表調(diào)校

進行儀表和電氣裝備的安裝、信號線路的連接。系統(tǒng)安裝完成后，對每臺儀表進行單獨校驗，對每個控制回路進行聯(lián)動校驗。D控制器參數(shù)工程整定

整定控制器PID參數(shù)。化工儀表7[1]

7.2簡單控制系統(tǒng)的設計7.2.1被控變量的選擇

通過對過程分析，確定對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全生產(chǎn)和節(jié)能等方面具有決定性作用，而且是直接可測或通過間接計算可得到的變量作為被控變量。

選擇原則：

(1)必須選擇表征生產(chǎn)過程的質(zhì)量指標作為被控變量按質(zhì)量指標進行直接控制并不多見。一般是采用溫度、壓力等作為間接指標。間接指標與質(zhì)量指標之間必須具有單值對應關(guān)系和足夠大小的測量信號。

例如，在精餾過程中，要求產(chǎn)品達到規(guī)定的純度。理論上講，塔頂餾出物或塔底殘液的濃度應該選作為被控變量。但由于缺乏直接測量產(chǎn)品濃度的工具，而且滯后時間較大，因此，常用塔頂、塔底或塔中某點的溫度代替濃度作為被控變量。化工儀表7[1]

(2)必須正確確定表征生產(chǎn)過程的獨立變量數(shù)目根據(jù)物理化學中的相律關(guān)系進行判定。例如，確定蒸汽的溫度和壓力是否都是獨立變量，由下式求得：

F=C-P+2

F為獨立變量數(shù)目，C為組分數(shù)，P為相數(shù)。

飽和蒸汽：存在著氣、液兩相，從而：

F=1（組分數(shù)）-2（相數(shù)）十2=1

上式表明，只要選取蒸汽溫度或蒸汽壓力就可以了。一般以選取蒸汽壓力為宜，壓力測量元件的時間常數(shù)小。如果不遵循這個原則，設計出既有溫度又有壓力作為被控變量的控制方案，則控制系統(tǒng)將是無法投運的。過熱蒸汽：由于蒸汽在過熱狀態(tài)下只存在氣相，則：F=1（組分數(shù)）-1（相數(shù)）+2=2在這種情況下，把壓力和溫度都選作為被控變量則是完全必要的。

化工儀表7[1](3)必須注意控制系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)問題

當一個過程具有兩個以上的獨立變量，且又分別組成控制系統(tǒng)，則容易產(chǎn)生系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)。如圖所示的流體輸送中的流量與壓力控制系統(tǒng)，存在著嚴重的相互關(guān)聯(lián)。若因擾動導致壓力p1升高，PC將控制閥A開大，加大回流量q1；與此同時，由于p1升高將使q2增大，為此FC將使閥B關(guān)小。這樣會進一步加劇p1的上升。這樣的兩個控制系統(tǒng)都無法運行。化工儀表7[1]7.2.2操縱變量的選擇

選定了操縱變量，實際上就確定了控制通道。因此，在選擇操縱變量時，要認真分析過程特性。A放大系數(shù)K0的影響

在選擇操縱變量時，一般是希望控制通道的放大系統(tǒng)數(shù)K0要大一些。因為K0大，表示操縱變量對被控變量的影響大，抑制擾動能力強，過渡過程的余差也小，控制精度可得到提高。但K0過大，控制作用過于靈敏，易使調(diào)節(jié)過頭，引起振蕩。因此，在工藝條件允許的情況下應選擇控制通道放大系數(shù)K0較大的作為操縱變量?；x表7[1]

B時間常數(shù)T0的影響

控制通道時間常數(shù)T0越大，被控變量變化越緩慢，恢復時間加長，控制作用不及時，過渡過程的最大偏差將加大，使控制質(zhì)量變差。相反，時間常數(shù)T0較小時，反映靈敏，控制及時，恢復時間短。但當T0太小時，容易引起調(diào)節(jié)過于頻繁而造成被控變量振蕩，穩(wěn)定性變差。因此，在T0太大或太小的情況下，都比較難以控制。一般，要根據(jù)被控過程的特性來考慮控制通道時間常數(shù)T0的大小?；x表7[1]C純滯后τ0的影響

控制通道純滯后的存在，使控制作用落后于被控變量的變化，容易引起超調(diào)和振蕩，使被控變量的最大偏差增大，過渡時間拉長，控制質(zhì)量變差。D擾動通道放大系數(shù)Kf，越小表明在同樣階躍擾動Δ?作用下，擾動被大大削弱，對被控變量的影響越小。時間常數(shù)Tf，越大相當于對擾動起到了一個濾波作用，則控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標越好。純滯后τf，對于擾動通道來說，相當于擾動推遲時間τf后進入被控過程，它的大小不影響控制的品質(zhì)?；x表7[1]

討論：假設控制系統(tǒng)的被控過程由三個獨立的單容量環(huán)節(jié)GP1、GP2、GP3串聯(lián)組成，擾動分別從三個不同的位置進入系統(tǒng)。顯然從擾動Fl到被控變量C通道的時間常數(shù)個數(shù)最多，因而對擾動Fl的濾波效果最好，即對被控變量的影響最小，F(xiàn)2次之，而F3的影響最大。結(jié)論：擾動離被控變量越近，離調(diào)節(jié)閥越遠，則對被控變量的影響越大?；x表7[1]綜上所述，設計控制系統(tǒng)時，操縱變量選擇的原則是：

(1)操縱變量應是控制通道放大系數(shù)K0較大者。(2)應使擾動通道的時間常數(shù)越大越好，而控制通道的時間常數(shù)適當小一些。

(3)控制通道純滯后時間越小越好，并盡量使擾動遠離被控變量而靠近調(diào)節(jié)閥。

另外，當廣義過程的控制通道由幾個一階滯后環(huán)節(jié)組成時，要避免各個時間常數(shù)相等或相接近的情況。需考慮到工藝上的合理和方便。由于生產(chǎn)負荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜選擇生產(chǎn)負荷作為操縱變量?；x表7[1]

7.2.3檢測變送環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響

檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起獲取和傳送信息的作用。檢測變送環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響主要集中在檢測元件的滯后和信號傳遞的滯后問題上。因此，分析研究檢測元件本身的特性、安裝位置、信息傳遞等問題，也是提高系統(tǒng)控制質(zhì)量的重要方面。化工儀表7[1]7.2.3.1檢測環(huán)節(jié)的純滯后

圖示的pH控制系統(tǒng)，測量電極不能放置在流速較大的主管道，需要安裝在流速較小的支管道上，其測量引入了純滯后時間τo，其大小為：τo=l1/V1+l2/V2由于檢測元件的安裝位置所引入的純滯后，有時是不可避免的，但必須盡可能地減小。因此必須合理地選擇檢測元件的安裝位置。當檢測元件的純滯后太大、采用簡單控制系統(tǒng)無法滿足工藝要求時，應考慮采用復雜控制等方案?；x表7[1]

7.2.3.2測量滯后（容量滯后）

測量滯后，是指由檢測元件時間常數(shù)所引起的動態(tài)誤差。例如，測溫元件測量溫度時，由于存在著熱阻和熱容，其本身具有一定的時間常數(shù)。測量滯后可通過正確選擇檢測元件的安裝位置、選擇快速檢測元件、正確選擇控制器的微分控制作用等來克服測量滯后?；x表7[1]

7.2.3.3傳遞滯后（氣動信號）

傳遞滯后是指氣壓信號在管路傳遞過程中所造成的滯后。

在實行集中控制的大、中型工廠中，由于檢測變送器和調(diào)節(jié)閥安裝在現(xiàn)場設備上，而控制器安裝在控制室，兩者之間有一定的距離。如果采用氣動儀表，就會產(chǎn)生氣壓信號的傳遞滯后。

所以，應盡量選用電信號進行遠距離傳遞。

化工儀表7[1]7.2.4控制器控制規(guī)律及作用方向的選擇7.2.4.1控制規(guī)律的選擇原則

（1）當廣義過程控制通道時間常數(shù)大，或容量滯后大時，采用微分作用有良好效果，積分作用可以消除余差，因此，選用PID控制規(guī)律。如溫度過程。（2）當廣義過程控制通道時間常數(shù)小，系統(tǒng)負荷變化不大時，可以采用PI控制規(guī)律，如流量過程。（3）當廣義過程控制通道時間常數(shù)小，而負荷變化很大時，采用微分作用和積分作用都易引起振蕩?？蛇m當引入反微分作用。（4）當廣義過程控制通道的時間常數(shù)或時滯很大，而負荷變化又很大時，簡單控制系統(tǒng)無法滿足要求。

化工儀表7[1]

7.2.4.2控制器作用方向的選擇

控制器作用方向，是指控制器的輸入變化后，輸出的變化方向有正作用和反作用兩種形式。所謂正作用是指控制器的輸出隨著測量值增大而增大；所謂反作用是指控制器的輸出隨著測量值增大而減小?？刂破髯饔梅较虼_定的原則應根據(jù)被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來正確選擇，以使控制系統(tǒng)成為一個反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。如果控制器正、反作用方向確定錯了，則控制系統(tǒng)將失去控制作用?；x表7[1]7.2.5氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的選擇

7.2.5.1調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)類型的選擇

根據(jù)調(diào)節(jié)介質(zhì)的工藝條件(溫度、壓力、流量等)及其特性(粘度、腐蝕性、毒性等)來選用。閥結(jié)構(gòu)形式特點及使用場合直通單座閥適用于要求泄漏量小、閥前后壓差小的場合直通雙座閥有兩個閥芯，適用于閥前后壓差大，有較大泄漏量的場合角閥適于高壓差、高粘度、含懸浮顆粒物質(zhì)場合隔膜閥適用于有腐蝕性介質(zhì)的場合蝶閥適于有懸浮物介質(zhì)、大流量、壓差小、允許大泄漏量場合三通閥適用于分流或合流控制的場合高壓閥適用于高壓控制的特殊場合化工儀表7[1]7.2.5.2調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇

選擇原則：

從生產(chǎn)安全出發(fā)，當氣源供氣中斷、或控制器因故障而無輸出、或調(diào)節(jié)閥膜片破裂漏氣等原因?qū)е抡{(diào)節(jié)閥無法正常工作，以致閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)，應確保操作人員和生產(chǎn)設備的安全，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗。

如精餾塔回流量調(diào)節(jié)閥也應采用氣關(guān)閥，一旦發(fā)生事故，調(diào)節(jié)閥全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，防止不合格產(chǎn)品的蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。如控制精餾塔進料的調(diào)節(jié)閥就常采用氣開式，一旦調(diào)節(jié)閥失去能源即處于關(guān)閉狀態(tài)，不再給塔進料，以免造成浪費?；x表7[1]

7.2.5.3調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

閥的工作特性應根據(jù)過程特性來選擇，其目的是使廣義過程特性為線性。

通常，根據(jù)工藝配管情況確定配管系數(shù)S（Δpv/Δp）值后，可以從所選的工作特性出發(fā)，確定理想特性。當S＝0.6~1時，理想特性與工作恃性幾乎相同；當S＝0.3~0.6時，無論是線性或?qū)?shù)工作特性，都應選對數(shù)的理想特性；當S<0.3時，一般不適宜控制。化工儀表7[1]7.3簡單控制系統(tǒng)的投運

控制系統(tǒng)的投運是指當系統(tǒng)設計、安裝完畢，或者經(jīng)過停車檢修之后，使控制系統(tǒng)投入運行的過程。7.3.1投運前的準備

(1)

熟悉整個過程

：了解主要工藝流程及主要設備的功能、工藝介質(zhì)性質(zhì)及各工藝變量間的關(guān)系；熟悉控制方案，明確控制指標；對檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)閥等的安裝位置和管線走向等都要心中有數(shù)；熟悉各種自動化裝置的原理、結(jié)構(gòu)及其調(diào)校技術(shù)，掌握調(diào)節(jié)器手動/自動切換操作的要求和方法；全面檢查電源、氣源、管路和線路等的連接是否正確、氣壓管線是否堵塞或漏氣等，保證整個系統(tǒng)的每一個組成環(huán)節(jié)都處于完好狀態(tài)。

化工儀表7[1](2)

現(xiàn)場校驗：安裝完畢投運之前，必須對檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器、顯示儀表和調(diào)節(jié)閥等進行現(xiàn)場校驗。校驗儀表的零點、工作點、滿刻度，校驗記錄調(diào)節(jié)儀的指示值和控制點偏差等等。(3)檢查調(diào)節(jié)器的內(nèi)外設定、正反作用方向及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式：

調(diào)節(jié)器的內(nèi)外設定位置、正反作用方向和調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運行和安全操作的重要問題，投運前必須仔細檢查。化工儀表7[1]7.3.2投運過程

A檢測系統(tǒng)投入運行

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的實際情況，將溫度、壓力、流量、液位等檢測系統(tǒng)投入運行，觀察測量指示是否正確等。

B現(xiàn)場人工操作

控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥在安裝時，一般應設置旁路閥。在調(diào)節(jié)閥的前、后各裝有一截止閥1和截止閥2，旁路管線上裝有旁路閥3。在自動控制系統(tǒng)投入運行時，先進行現(xiàn)場人工操作，即先將閥1和閥2關(guān)閉，用人工操作旁路閥3，待工況穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)入控制室內(nèi)手動遙控。也可以直接手動遙控。C手動遙控

在控制室內(nèi)通過控制器的手動操作旋鈕，對調(diào)節(jié)閥門的開度進行人工遙控。一般在自動控制系統(tǒng)投運以前的調(diào)試階段，在生產(chǎn)過程不穩(wěn)定或負荷大幅度變化等情況下，都需要對系統(tǒng)進行手動遙控，以便掌握生產(chǎn)狀況和操作條件的變化。

D自動控制待手動遙控使工況穩(wěn)定、被控變量接近或等于設定值并穩(wěn)定一段時間后，即可將系統(tǒng)由手動遙控無擾動切換到自動控制。化工儀表7[1]7.4控制器參數(shù)的工程整定

設置和調(diào)整PID參數(shù)以使控制過程達到滿意的質(zhì)量，稱為參數(shù)整定。整定方法有：理論整定法和工程整定法。

理論整定法有反應曲線法、根軌跡法等，要求已知過程的數(shù)學模型。計算工作量大，需忽略某些因素作一些近似簡化，因而得不到完全符合實際過程的動態(tài)特性。因而在工程上采用不多。化工儀表7[1]

工程整定法有：經(jīng)驗法、臨界比例度法、衰減曲線法。工程整定的一般原則是：

(1)

系統(tǒng)要具有一定的穩(wěn)定裕度。對于定值控制系統(tǒng)，常取衰減比為4:1；對于隨動控制系統(tǒng)，常取衰減比為10:1。

(2)

在滿足穩(wěn)定裕度的前提下，統(tǒng)籌兼顧，重點保證主要控制指標?；x表7[1]7.4.1經(jīng)驗法

先將控制器參數(shù)預先設置在常見范圍(見表)的數(shù)值上，然后施加一定的人為擾動，觀察控制系統(tǒng)的過渡過程，反復湊試，直至獲得滿意的控制質(zhì)量為止。

變量(%)TI(min)TD(min)溫度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1壓力30~700.4~3液位20~80A先比例，后積分微分

具體方法如下：

(1)

在控制系統(tǒng)中，將控制器的TI置最大，TD置零，δ取表中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，改變設定值，觀察記錄曲線，若過渡時間過長，應減小比例度；若振蕩過于劇烈，則應加大比例度，使系統(tǒng)達到4:1衰減振蕩過程為止。（2）加入積分作用，將已湊試好的比例度加大10％~20％，再將積分時間TI由大到小進行湊試，若曲線回復時間很長，應減小TI；若曲線振蕩較大，則應增大TI，直到系統(tǒng)達到4:1衰減振蕩的過渡過程為止。（3）若需加入微分作用，δ取比純比例時更小些，TI也相應減小些，一般先取TD＝(1/3~1/4)TI，將微分時間TD由小到大湊試，若曲線衰減慢，增大TD；若曲線振蕩厲害，則減小TD，直到控制質(zhì)量達到工藝要求為止?；x表7[1]B先積分微分，后比例

湊試程序是先選定TI，TI取表中所列范圍的某一數(shù)值，TD取(1/2~1/4)TI，然后對比例度δ進行湊試。若過渡過程仍然不夠理想，則對TD和TI再作適當調(diào)整。實際上，對許多過程來說，要達到相近的控制質(zhì)量，δ、TI和TD不同數(shù)值的組合很多，因此這種湊試程序是切實可行的。變量(%)TI(min)TD(min)溫度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1壓力30~700.4~3液位20~80化工儀表7[1]討論：(1)在一些特殊的情況下，參數(shù)的整定值可能會較大幅度地超越表中所列的范圍。例如，某些時間常數(shù)很小的流量過程，比例度需取200％以上，系統(tǒng)才能穩(wěn)定；時間常數(shù)大的溫度過程，TI需大到15min甚至更長；對貯氣柜等容量很大的壓力過程，δ需小到5％；而在控制某些管道壓力時，δ需大到100％以上。δ過大，曲線飄動較大，變化不規(guī)則TI過大，曲線雖帶有振蕩分量，但逐漸接近設定值TI過小，系統(tǒng)的振蕩周期較長TD過大，振蕩周期較短(2)凡是δ過大，或TI過大，都會使被控變量變化緩慢，不能使系統(tǒng)很快地達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)凡是δ過小，或TI過小，或TD過大，都會使系統(tǒng)振蕩劇烈，甚至等幅振蕩。δ過小，振蕩周期中等(4)

等幅振蕩的出現(xiàn)，不一定是由于參數(shù)整定不當所引起的。例如，閥門定位器、調(diào)節(jié)器或變送器調(diào)校不良，調(diào)節(jié)閥的傳動部分存在間隙，往復泵輸送液體時的脈沖等，都表現(xiàn)為被控變量的等幅振蕩。當系統(tǒng)內(nèi)存在正弦干擾時，也將使被控變量產(chǎn)生等幅振蕩。我們必須根據(jù)具體情況進行分析，作出正確判斷?；x表7[1]經(jīng)驗法的實質(zhì)是“看曲線、作分析、調(diào)參數(shù)、尋最佳”，方法簡單可靠，對外界擾動比較頻繁的系統(tǒng)，尤為合適，因此在生產(chǎn)上得到較為廣泛的應用。化工儀表7[1]7.4.2衰減曲線法

衰減曲線法是在純比例作用基礎上找出達到規(guī)定衰減比的比例度數(shù)值，然后用半經(jīng)驗公式求取P、I、D參數(shù)，也稱為半經(jīng)驗法。

(1)在閉合運行的控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器的TI置最大、TD置零，比例度放在較大數(shù)值上，待系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2)改變設定值或生產(chǎn)負荷，加以幅度適宜的階躍擾動，觀察、記錄過渡過程曲線的衰減比。

(3)從大到小調(diào)比例度，直至出現(xiàn)4:1衰減為止。記下此時的比例度δs，并從過渡過程曲線上求出衰減振蕩周期了Tp?；x表7[1]

(4)根據(jù)δs、Tp，按表1中的數(shù)據(jù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。

(5)

將調(diào)節(jié)器的比例度放在比整定值稍大的數(shù)值上，TI、TD分別置于整定值上，觀察過渡過程曲線，逐漸將比例度降至整定值上，直至過渡過程曲線滿意為止。

對于有些過程，4:1衰減仍嫌振蕩過強，則可采用10:1衰減曲線法(其方法同上)得到10:1衰減曲線。記下此時的比例度δ's和最大偏差時間Tr