第5章4 選擇性控制系統(tǒng)-12年

5.4選擇性控制系統(tǒng)5.4.1概述5.4.2選擇性控制系統(tǒng)的類型及應(yīng)用5.4.3選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.4.5積分飽和及其防止措施5.4.1概述

控制系統(tǒng)可分為三類：

物料平衡（或能量平衡）控制，質(zhì)量控制和極限控制。

選擇性控制屬于極限控制一類。它的特點(diǎn)是：

在正常工況下，參數(shù)不會超限，所以也不考慮對它進(jìn)行直接控制；而在非常工況下，該參數(shù)會達(dá)到極限值，這時(shí)又要求采取強(qiáng)有力的控制手段，避免超限。選擇性控制系統(tǒng)又叫取代控制，也稱超馳控制。生產(chǎn)保護(hù)性措施的分類：硬保護(hù)和軟保護(hù)2.軟保護(hù)參數(shù)達(dá)到第一極限時(shí)報(bào)警

→設(shè)法排除故障→若沒有及時(shí)排除故障，參數(shù)值會達(dá)到更嚴(yán)重的第二極限，經(jīng)連鎖裝置動作，自動停車。達(dá)到保護(hù)生產(chǎn)的目的。1.硬保護(hù)參數(shù)達(dá)到第一極限時(shí)報(bào)警→設(shè)法排除故障→在這同時(shí)，改變操作方式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制目標(biāo)進(jìn)行控制，以防該參數(shù)進(jìn)一步超限。這種操作方式一般會使原有的控制質(zhì)量降低，但能維持生產(chǎn)的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了停車。選擇性控制系統(tǒng)：

把生產(chǎn)過程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正?？刂葡到y(tǒng)上去的一種控制方法。生產(chǎn)過程趨近于危險(xiǎn)極限區(qū)，但未達(dá)到危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，一個(gè)用于控制不安全的控制方案取代正常情況下的控制方案，即用一個(gè)取代控制器的裝置自動頂替正常情況下工作的控制器。當(dāng)生產(chǎn)脫離危險(xiǎn)時(shí)，再切換到正常工作下的控制器。要構(gòu)成選擇性控制，生產(chǎn)操作必須有一定選擇性邏輯關(guān)系。而選擇性控制的實(shí)現(xiàn)則需要具有選擇功能的自動選擇器(高值選擇器和低值選擇器)或有關(guān)切換裝置來完成。5.4.2選擇性控制系統(tǒng)的類型及應(yīng)用選擇性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：采用了選擇器。選擇器在控制系統(tǒng)中的位置分類：1）選擇器在測量變送器輸出端；2）選擇器在控制器的輸出端，并在控制閥前A、對被控參數(shù)的選擇B、對操縱變量的選擇根據(jù)控制閥的結(jié)構(gòu)分類：1)開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)2)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)3)混合型選擇性控制系統(tǒng)1）選擇器位于調(diào)節(jié)器之前，對變送器輸出信號選擇選擇的目的有兩個(gè)：第一個(gè)：選出最高或最低測量值。圖8-62a為反應(yīng)器熱點(diǎn)溫度的選擇性控制原理圖。氫氣和氮?dú)庠谟|媒的作用下合成為氨。合成塔內(nèi)的反應(yīng)溫度是反映氨合成率的間接指標(biāo)。熱點(diǎn)溫度過高會燒壞觸媒，在觸媒層的不同位置上插入熱電偶，將測量的溫度信號送至高選器，通過選擇最高溫度進(jìn)行控制，保證不燒壞觸媒。特點(diǎn)：幾個(gè)變送器合用一個(gè)調(diào)節(jié)器第二個(gè)：選出可靠測量值。

為防止儀器故障對裝置可能造成的危害，對于關(guān)鍵性的檢測點(diǎn)可同時(shí)安裝三個(gè)變送器，通過選擇器，選出可靠的測量信號進(jìn)行自動控制，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠程度。圖8-63為反應(yīng)器成分信號中值選擇性控制。2）選擇器位于調(diào)節(jié)器輸出端，對調(diào)節(jié)器輸出信號選擇特點(diǎn)：幾個(gè)調(diào)節(jié)器合用一個(gè)調(diào)節(jié)閥正常調(diào)節(jié)器在生產(chǎn)正常情況下工作；取代調(diào)節(jié)器處于備用狀態(tài)。在正常情況下，兩個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)輸出信號到選擇器，選出適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號給調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行自動控制。在生產(chǎn)狀況不正常時(shí)，通過選擇器(低值或高值)選出能適應(yīng)安全狀況的控制信號，由取代調(diào)節(jié)器代替正常調(diào)節(jié)器工作，直到生產(chǎn)情況恢復(fù)正常，然后再通過選擇器的自動切換，仍由原正常調(diào)節(jié)器來控制生產(chǎn)的正常進(jìn)行。A、對被控量的選擇性控制系統(tǒng)工程示例：冷卻器出口溫度與液氨液位選擇性控制系統(tǒng)TC物料氣氨液氨LC選擇器為了防止液氨帶液進(jìn)入氨壓縮機(jī)危及氨壓縮機(jī)安全，控制閥應(yīng)選氣開式。物料出口溫度是工藝的操作指標(biāo)，溫度控制器是正常情況下工作的控制器，由于溫度對象的容量滯后比較大，因此，溫度控制器應(yīng)選擇PID控制規(guī)律。系統(tǒng)中液位控制器為非正常情況下工作的控制器，因此，液位控制器應(yīng)選用窄比例式。由于液位控制系統(tǒng)是在非正常情況下工作，液位大于給定值時(shí)，反作用控制器LC下降，所以選擇器應(yīng)低選器LS，以防事故的發(fā)生。GCT(S)GmL(S)GmT(S)GOL(S)GOT(S)GV(S)GCL(S)LSFTB、對操縱變量的選擇性控制系統(tǒng)與被控量選擇性控制系統(tǒng)的差別在于被控量有一個(gè)，而操縱變量有兩個(gè)。它比普通單回路控制系統(tǒng)又增加了一個(gè)影響被控量的控制通道。工程示例：加熱爐的燃料供熱方案采用低值燃料A和高值燃料B供熱。為了節(jié)約能源，要求只有在負(fù)荷增加后，在最大限度地使用低值燃料A仍然感到不足時(shí)，才把高值燃料B作為補(bǔ)充形式投入燃燒。串級控制系統(tǒng)：溫度控制器的輸出信號作為選擇計(jì)算裝置的輸入值，經(jīng)計(jì)算后，按照信號，作為低值燃料A和高值燃料B流量控制器的設(shè)定值。1)開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)定義：一般設(shè)有A、B兩個(gè)可供選擇的變量。A變量：工藝操作的主要指標(biāo)；

B變量:工藝上對它只有一個(gè)限值要求。在限值以內(nèi)時(shí)，生產(chǎn)過程按變量A進(jìn)行連續(xù)控制，當(dāng)B達(dá)到或超過限值時(shí)，選擇控制系統(tǒng)將通過專門的裝置切斷A的輸出，而控制閥迅速關(guān)閉或打開，直到B回到限值內(nèi)，系統(tǒng)才重新恢復(fù)到按變量A進(jìn)行連續(xù)控制。開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般都用作系統(tǒng)的限值保護(hù)。丙烯冷卻器的兩種控制方案TC裂解氣氣丙烯液丙烯88℃15℃TC裂解氣氣丙烯液丙烯88℃15℃LS注：LS為液位開關(guān)工程示例：在乙烯分離過程中，裂解氣經(jīng)五段壓縮后其溫度已達(dá)到88℃。為了進(jìn)行低溫分離，必須將它的溫度降下來。為此，工藝上采用了液丙烯低溫下蒸發(fā)吸熱原理，用它與裂解氣換熱，達(dá)到降低裂解氣溫度的目的。分析工作過程：非正常工況時(shí)：當(dāng)裂解氣溫度過高或負(fù)荷過大時(shí)，控制閥已被大幅開大，并且冷卻器中所有的列管都有已被淹沒時(shí)，裂解氣溫度仍降不下來，則不能再使控制閥開度繼續(xù)開大了，因?yàn)橐粊頁Q熱面積已無法再增加，二來丙烯液位的繼續(xù)上升，會使冷卻器中的丙烯蒸發(fā)空間縮小，使氣丙烯出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，給壓縮機(jī)帶來損害。正常工況時(shí)下：液位低于限值（75%），液位開關(guān)LS斷開，電磁閥失電，溫度控制器輸出直通控制閥，實(shí)現(xiàn)溫度控制；TC裂解氣氣丙烯液丙烯88℃15℃LS非正常工況時(shí)，液位高于限值（75%），液位開關(guān)LS接通，電磁閥得電，將溫度控制器輸出切斷，同時(shí)使控制閥膜頭與大氣相通，控制閥關(guān)閉，停止進(jìn)液丙烯。待冷卻器中液態(tài)丙烯逐漸蒸發(fā)，液位慢慢下降到低于75%時(shí)，液位開關(guān)LS斷開，電磁閥重新失電，恢復(fù)溫度控制系統(tǒng)。2)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)

連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)與開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)區(qū)別：在連續(xù)型性選擇控制系統(tǒng)中，一般具有兩個(gè)連續(xù)控制器，它們的輸出通過一個(gè)選擇器后，送往控制閥。一個(gè)控制器工作在正常情況下，另一個(gè)工作在非正常情況下，并通過選擇器進(jìn)行切換。當(dāng)取代作用發(fā)生后，控制閥不是立即全關(guān)或全開，而是在原有開度基礎(chǔ)上繼續(xù)控制，因此，對控制閥來說，控制作用是連續(xù)的。工作機(jī)理：工程示例1：蒸汽壓力與燃料氣壓力的選擇性控制系統(tǒng)大型合成氨工廠中，蒸汽鍋爐是一個(gè)很重要的動力設(shè)備，它直接擔(dān)負(fù)著向全廠提供蒸汽的任務(wù)。因此必須對鍋爐的正常運(yùn)行采取一系列的保護(hù)措施。問題：當(dāng)燃料壓力過高時(shí)，會將燃燒噴嘴的火焰吹滅，產(chǎn)生脫火現(xiàn)象。一旦發(fā)生脫火不僅會因未燃燒而導(dǎo)致煙囪冒黑煙，而且會在燃燒室內(nèi)積存大量燃料氣與空氣的混合物，會有爆炸的危險(xiǎn)。PC2PC1LSPBPYPA供水燃料氣蒸汽PC1為正常控制器：蒸汽壓力為被控參數(shù)PC2為非?？刂破鳎喝剂蠅毫楸豢貐?shù)控制器PC2燃料氣壓力變送器蒸汽壓力變送器蒸汽壓力對象控制閥控制器PC1燃料氣壓力對象LSPBPAPYP1P2在正常情況下，燃料氣壓力低于產(chǎn)生脫火的壓力，PC2感受到的是負(fù)偏差，因此它的輸出PB呈現(xiàn)為高信號，而與此同時(shí)PC1的輸出信號相對來說呈低信號。這樣，低選器LS將選中PC1輸出PA送往控制閥，構(gòu)成蒸汽壓力控制系統(tǒng)。當(dāng)燃料氣壓力上升到超過PC2的給定值時(shí)，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此它的輸出PB一下跌為低信號，于是低選器LS將選中PC2輸出PB送往控制閥，構(gòu)成燃料氣壓力控制系統(tǒng)，從而防止燃料氣壓力上升，達(dá)到防止脫火的產(chǎn)生。工作過程：工程示例2：

乙烯工程中，C3綠油塔液位與去脫丙烷塔綠油流量的選擇性控制系統(tǒng)脫丙烷塔綠油塔FCLCLS進(jìn)料FLS(30%)GCL(S)GmF(S)GmL(S)GOF(S)GOL(S)GV(S)GCF(S)LSFL控制閥：氣開閥FC：反作用LC：正作用工作過程:(1)在正常情況下，綠油塔液位L高于給定值LS(30%)，LC感受的是正偏差，其輸出為高信號（LC為正作用），低選器LS將選中FC輸出送往控制閥，構(gòu)成流量控制系統(tǒng)，以維護(hù)脫丙烯塔進(jìn)料的穩(wěn)定。(2)當(dāng)綠油塔液位L低于給定值LS(30%)時(shí)，LC感受到的是負(fù)偏差，其輸出迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)榈托盘枺↙C為正作用），低選器LS將選中LC輸出送往控制閥，從而構(gòu)成液位控制系統(tǒng)，因此控制閥將被關(guān)小，防止液位繼續(xù)下降。脫丙烷塔綠油塔FCLCLS進(jìn)料FLS(30%)GCL(S)GmF(S)GmL(S)GOF(S)GOL(S)GV(S)GCF(S)LSFL“正”“反”3)混合型選擇性控制系統(tǒng)定義：既包含有開關(guān)型選擇的內(nèi)容，又包含有連續(xù)型選擇的系統(tǒng)。問題：當(dāng)燃料壓力不足時(shí)，燃料氣管線壓力有可能低于燃燒室壓力，這樣可能會出現(xiàn)回火現(xiàn)象。PC2PC1LSPBPYPA供水燃料氣蒸汽解決：在方案中增加一只帶下限節(jié)點(diǎn)的壓力控制器PC3和一只三通電磁閥。

PC2PC1LSPBPYPA供水燃料氣蒸汽PC3分析：當(dāng)燃料氣壓力正常時(shí)，PC3下限節(jié)點(diǎn)是斷開的，電磁閥是失電的，低選器LS輸出直通控制閥。一旦燃料氣壓力下降到低于下限值時(shí)，電磁閥得電的，于是切斷低選器LS控制閥的通路，使得控制閥關(guān)閉，以防回火現(xiàn)象。當(dāng)燃料氣壓力恢復(fù)正常，電磁閥失電，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。5.4.3選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1、根椐生產(chǎn)安全要求選擇控制閥的開、閉形式2、根椐對象的特性和控制要求，選擇控制器的控制規(guī)律及正、反作用。3、最后根椐控制器的正、反作用和選擇性控制系統(tǒng)設(shè)置的目的，確定選擇器的類型。選擇器的類型可以根據(jù)生產(chǎn)處于不正常情況下、正常情況控制器的輸出信號高、低來確定；如果在非正常情況下它的輸出信號為高信號，應(yīng)選高選器；如果在這種情況下它的輸出信號為低信號，應(yīng)選低選器。工程示例：氨冷卻器出口溫度與液氨液位選擇性控制系統(tǒng)TC物料氣氨液氨LC選擇器LSGCT(S)GmL(S)GmT(S)GOL(S)GOT(S)GV(S)GCL(S)LT++--+控制閥：氣開LC：反作用TC：正作用

為了防止液氨帶液進(jìn)入氨壓縮機(jī)危及氨壓縮機(jī)安全，控制閥應(yīng)選氣開式。物料出口溫度是工藝的操作指標(biāo)，溫度控制器是正常情況下工作的控制器，由于溫度對象的容量滯后比較大，因此，溫度控制器應(yīng)選擇PID控制規(guī)律。系統(tǒng)中液位控制器為非正常情況下工作的控制器，因此，液位控制器應(yīng)選用窄比例式。由于液位控制系統(tǒng)是在非正常情況下工作，液位大于給定值時(shí)，反作用控制器LC下降，所以選擇器應(yīng)低選器LS，以防事故的發(fā)生。分析：TC物料氣氨液氨LC選擇器“反”“正”5.4.4積分飽和及其防止措施1)積分飽和的產(chǎn)生及其危害2)抗積分飽和措施1)積分飽和的產(chǎn)生及其危害積分飽和：一個(gè)具有積分作用的控制器，當(dāng)處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，如果偏差一直存在，那么，由于積分作用控制器的輸出將不斷增加或不斷減少，一直達(dá)到極限為止，這種現(xiàn)象稱之為積分飽和。積分飽和產(chǎn)生的條件：（1）控制器具有積分作用。（2）控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)。（3）偏差信號長期存在。內(nèi)因：控制器具有積分作用；外因：偏差長期存在得不到消除。危害：積分飽和造成了控制閥的工作死區(qū)，使控制閥不能即時(shí)地發(fā)揮作用，因而導(dǎo)致控制品質(zhì)的惡化，甚至還會導(dǎo)致事故。2)抗積分飽和措施抗積分飽和措施的分類：(1)限幅