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，共七十三頁，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

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

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，采用測量儀表、執(zhí)行機構(gòu)和計算機等自動化工具，應用控制理論，設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日隨著生產(chǎn)過程的連續(xù)化﹑大型化和不斷強化,隨著對過程內(nèi)在規(guī)律的進一步了解,以及儀表﹑計算機技術(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行的生產(chǎn)過程的自動控制

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)進行的自動控制，統(tǒng)稱為過程控制。生產(chǎn)過程的自動控制,一般要求保持過程進行中的有關(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)之間也會相互影響,這就給對某些參數(shù)進行自動控制增加了復雜性和困難性.

1.2

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

由于以上特點,要完全通過理論計算進行系統(tǒng)設(shè)計與控制器的參數(shù)整定至今乃存在相當?shù)睦щy,一般是通過理論計算與現(xiàn)場調(diào)整的方法,達到過程控制的目的。第六頁，共七十三頁，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);擾動量f(t);給定值r(t);當前值z(t);

偏差e(t);控制作用u(t)

第七頁，共七十三頁，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)特點來分(1)反饋控制系統(tǒng);(2)前饋控制系統(tǒng);(3)復合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）按給定值信號的特點來分(1)定值控制系統(tǒng);(2)隨動控制系統(tǒng)第八頁，共七十三頁，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)，最后達到減小或消除偏差的目的。反饋信號可能有多個，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級控制系統(tǒng)）。

(2)前饋控制系統(tǒng)擾動量的大小是控制的依據(jù)，控制“及時”。屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)中不能單獨采用。(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現(xiàn)對被控參數(shù)的閉環(huán)控制！開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動地“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，共七十三頁，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)過程中應用最多的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，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。有時在規(guī)定的小范圍附近不變。

(5).隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時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)濟性。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。一般意義上的隨動控制系統(tǒng)是指位置隨動系統(tǒng)，如火炮、導彈的位置跟蹤等。第十頁，共七十三頁，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現(xiàn)對被控參數(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，共七十三頁，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現(xiàn)對被控參數(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，共七十三頁，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際需要。圖3熱力系統(tǒng)的人工反饋控制第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述在上述的例子中，請說出如下的解釋：（1）控制任務——（2）被控對象——（3）被控量——（4）擾動量——（5）測量元件——圖3熱力系統(tǒng)的人工反饋控制圖2熱力系統(tǒng)的自動反饋控制第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日一、工業(yè)過程控制概述1.5性能指標的確定和分析方法控制系統(tǒng)性能指標應根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實際需要來確定。特別需要注意的是，不能不切實際地提出過高的控制性能指標要求。分析系統(tǒng)性能指標，通常采用：階躍響應性能指標，系統(tǒng)工程整定時采用；偏差積分性能指標，計算機仿真或分析時采用。階躍擾動作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線圖5階躍響應過度曲線圖6階躍響應特性曲線第十五頁，共七十三頁，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

工業(yè)過程自動化其目標應該是使生產(chǎn)過程達到安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效（高產(chǎn)、低耗）。作為自動化的初級階段能夠達到的目標主要是使生產(chǎn)過程安全（僅限于越限報警和聯(lián)鎖）與平穩(wěn)地進行。第十六頁，共七十三頁，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)計要實現(xiàn)過程自動控制，首先要對整個工業(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）進行準確的測量和計量。根據(jù)測量到數(shù)據(jù)和信息，用生產(chǎn)過程工藝和控制理論的知識管理、控制該生產(chǎn)過程。一個完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計，應包括：（1）方案設(shè)計（2）工程設(shè)計（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)計和控制器參數(shù)整定則是系統(tǒng)設(shè)計中的兩個核心內(nèi)容！第十七頁，共七十三頁，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)計由于工業(yè)生產(chǎn)過程各種各樣而且非常復雜，因此，在設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)時，必須花大量的時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)計和實現(xiàn)一個工業(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?？刂品桨冈O(shè)計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)的測量變送、控制規(guī)律的選取以及執(zhí)行機構(gòu)的選擇等等。第十八頁，共七十三頁，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，使汽輪機運轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。圖6汽輪發(fā)電機組鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。它的主要任務是根據(jù)負荷設(shè)備（汽輪機）的需要，供應一定規(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，共七十三頁，2022年，8月28日

重點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－汽輪機高壓缸；2－汽輪機中、低壓缸；3－汽包；4－爐膛；5－煙道；6－發(fā)電機；7－冷凝器；8－補充水；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)機構(gòu)；16－省媒器；17－過熱器；18－減溫器；19－汽機高壓調(diào)汽門；20－再熱器；21－再熱器減溫器；22－汽機中壓調(diào)汽門；23－媒粉倉；24－燃料量控制機構(gòu)；25－噴燃器；26－送風機；27－空氣預熱器；28－調(diào)風門；29－水冷壁管；30－引風機；31－煙道擋板。2.1.2單元機組生產(chǎn)流程示意圖第二十頁，共七十三頁，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允許范圍內(nèi)，是鍋爐運行的主要指標，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求的蒸汽負荷的必要條件。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的三沖量前饋－反饋串級控制系統(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)簡單、設(shè)計方便，缺點是克服給水自發(fā)性干擾和負荷干擾的能力差（虛假水位問題。。。）。第二十一頁，共七十三頁，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作，就能使調(diào)節(jié)閥動作準確及時，減少水位的波動，改善控制質(zhì)量。也就是說，若將蒸汽流量作為前饋信號，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，共七十三頁，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構(gòu)成三沖量串級控制系統(tǒng)。（3）三沖量串級控制方案

該控制系統(tǒng)由主、副兩個調(diào)節(jié)器和三個沖量（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。汽包水位三沖量串級控制系統(tǒng)流程圖三沖量前饋－反饋串級控制系統(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，共七十三頁，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影響過熱蒸汽的溫度。各種階躍干擾對過熱蒸汽溫度的階躍響應曲線如左圖所示。不同干擾對過熱蒸汽溫度對象的階躍響應曲線由左圖可知，在各種階躍干擾作用下，其動態(tài)特性都有時延和慣性，只是時延和慣性的大小不同而已。第二十四頁，共七十三頁，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，則會使鍋爐的結(jié)構(gòu)復雜，給設(shè)計制造帶來困難，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，這樣會導致減溫水自身波動頻繁。針對上述存在的問題，如果設(shè)計簡單控制系統(tǒng)則無法滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此，需要設(shè)計較為復雜的控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。

一種可行的控制方案是設(shè)計串級控制系統(tǒng)，如下圖所示。第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日過熱蒸汽溫度串級控制為進一步提高控制質(zhì)量，還可以考慮將負荷干擾作為前饋信號，構(gòu)成前饋－反饋串級控制系統(tǒng)。第二十六頁，共七十三頁，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鍋爐燃燒過程的控制任務是使燃料所產(chǎn)生的熱量能夠適應鍋爐產(chǎn)汽的需要，同時還要保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。其具體任務又可分為：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)濟性和對環(huán)境保護的要求；③使爐膛負壓保持恒定；④確保燃燒過程的安全性等。有三個可供選擇的調(diào)節(jié)量，即燃料量、送風量和引風量。該控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是：當生產(chǎn)負荷產(chǎn)生變化時，燃料量、送風量和引風量應同時協(xié)調(diào)動作，達到既要適應負荷變化、又要使燃料量和送風量成一定比例、還要使爐膛負壓保持一定的效果；當生產(chǎn)負荷相對穩(wěn)定時，應保持燃料量、送風量和引風量也相對穩(wěn)定，并能迅速消除外界干擾對它們各自的影響。此外，為確保設(shè)備與人身安全，對因燃料的流速過快而導致燒嘴背壓過高產(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，都應設(shè)計相應的安全保護系統(tǒng)，防止上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。第二十七頁，共七十三頁，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荷的變化與燃料量的波動。當蒸汽負荷及燃料量波動較小、對燃燒的經(jīng)濟性要求不高時，可以采用調(diào)節(jié)燃料量以控制蒸汽壓力的簡單控制方案；而當燃料量波動較大、對燃燒的經(jīng)濟性又有較高要求時，則需采用燃料量/空氣量對蒸汽壓力的串級/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/比值控制方案中，由于燃料量是隨蒸汽負荷而變化的，所以為主動量，它與空氣量（從動量）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，共七十三頁，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作為串級控制的主調(diào)節(jié)器，其輸出同時作為燃料流量調(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)成串級控制，而送風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量的比例，但該控制方案的缺點是，當負荷發(fā)生變化時，送風量的變化必然落后于燃料量的變化，導致燃燒不充分。第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日下圖為燃燒過程的改進型控制方案

該控制方案在蒸汽負荷減小、壓力增大時，可通過低值選擇器LS先減少燃料量，后減少空氣量；而當蒸汽負荷增加、壓力減小時，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。燃燒過程的改進型控制方案

第三十頁，共七十三頁，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，共七十三頁，2022年，8月28日過?？諝饬砍Ｓ眠^?？諝饴蕘肀硎?，為實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)濟燃燒的一種直接指標。但由于很難直接測量，因而可用

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

的最優(yōu)值為1.08～1.15時，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)濟燃燒的間接指標。第三十二頁，共七十三頁，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，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進風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)

要使不同負荷運行時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，這就需要對上圖的閉環(huán)控制系統(tǒng)進一步加以改進。第三十三頁，共七十三頁，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，在實際使用時可用下圖所示的折線來近似。由圖可知，當負荷下降時，煙氣中最優(yōu)含氧量增大，也即意味著過?？諝饬吭龃螅粗嗳?。蒸汽流量與最優(yōu)含氧量近似關(guān)系

第三十四頁，共七十三頁，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，對空氣過剩量進行修正，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，當蒸汽流量變化時，其變化的信號經(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?？諝饬浚瑰仩t燃燒過程在不同負荷下，始終處于最佳過?？諝饬康臓顟B(tài)。第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日4．爐膛負壓控制與安全保護控制方案

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

引風檔板空氣預熱器第三十六頁，共七十三頁，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，將各組分進行分離以達到規(guī)定的純度。2.2.1精餾塔的控制目標及變量分析

1．控制目標

精餾塔的控制目標通常表現(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)濟效益。第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日

2．變量分析

精餾塔的進、出料流程圖

（1）不可控干擾：進料流量及進料成分的變化是精餾過程中的主要干擾量。其它干擾如進料溫度、進料熱焓等，可以通過各自的控制系統(tǒng)使它們保持相對穩(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關(guān)系共有24種選擇。（3）變量配對原則：在變量配對時首先要解決產(chǎn)品成分的變量配對問題。第三十八頁，共七十三頁，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)品要達到規(guī)定的純度，而對另一端的產(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，在對甲醇進行分離的精餾塔中，其進料為甲醇、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料參數(shù)工況成分第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日蒸氣閥門根據(jù)變量配對的要求，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，經(jīng)氣動閥門定位器進行功率放大，進而推動氣動薄膜調(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，共七十三頁，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；對塔頂產(chǎn)品只進行流量控制；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行。塔底產(chǎn)品成分控制方案

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

當塔頂及塔底產(chǎn)品分別需要滿足一定質(zhì)量指標時，則需要對塔的兩端產(chǎn)品質(zhì)量同時進行控制。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行。兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案

第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日當改變回流量時，不僅影響塔頂產(chǎn)品組分的變化，同時也引起塔底產(chǎn)品組分的變化；同理，當控制塔底的加熱用蒸汽流量時，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，同時也將影響到塔頂產(chǎn)品組分的變化?？梢?，這是一個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，此時應進行解耦設(shè)計，兩端產(chǎn)品成分解耦控制方案如圖所示。第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日

該控制方案的設(shè)計思想是：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)計了解耦裝置，使蒸汽閥門預先動作，予以補償；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)計了另一個解耦裝置，使回流閥預先動作，予以補償，從而實現(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，共七十三頁，2022年，8月28日

關(guān)于解耦裝置數(shù)學模型、的取得，可根據(jù)不變性原理的前饋補償法進行設(shè)計前饋補償法解耦控制系統(tǒng)框圖

第四十五頁，共七十三頁，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。對象特性建模方法：定性分析+實驗測試，通?？捎靡浑A加純滯后環(huán)節(jié)來近似。第四十六頁，共七十三頁，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，共七十三頁，2022年，8月28日管式加熱爐的串級控制系統(tǒng)第四十八頁，共七十三頁，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，共七十三頁，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，如何改進控制方案，以進一步提高控制質(zhì)量？第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日反應器種類2.5反應器的過程控制第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日反應器種類2.5反應器的過程控制第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2.5.2反應器的入口溫度控制反應溫度的單回路控制第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日反應溫度的串級與分程控制反應溫度的分段控制與優(yōu)化第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2.5.5反應溫度分段控制與關(guān)聯(lián)分析第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日聚合釜反應溫度控制方案一第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日聚合釜反應溫度控制方案二第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日聚合釜反應溫度-壓力串級控制第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日具有壓力補償?shù)木酆细獌?nèi)溫控制第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日催化裂化反應再生系統(tǒng)的控制第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日三、過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計

3.1工程化設(shè)計的目的和主要內(nèi)容

1．目的

過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計既是生產(chǎn)過程自動化項目建設(shè)中的一項極其重要的環(huán)節(jié)，也是自動化類專業(yè)的學生強化工程實際觀念、運用《過程控制工程》的知識進行全面綜合訓練的重要實踐過程。過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計要求設(shè)計者既要掌握大量的專業(yè)知識，還要懂得設(shè)計工作的程序。過程控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計，不管具體過程和控制方案如何，其基本的設(shè)計程序和方法則是相似的。第六十一頁，共七十三頁，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)計及其相關(guān)條件的設(shè)計；

④完成信號連鎖系統(tǒng)的設(shè)計；

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；

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

2工程化設(shè)計的具體步驟

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

1．設(shè)計前的準備工作

（1）調(diào)查研究

（2）規(guī)劃目標

（3）收集資料

為了使設(shè)計的立項報告科學合理、切實可行，能夠比較順利地被審批通過，必須認真做好設(shè)計前的準備工作。第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2．立項報告的設(shè)計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)標準與技術(shù)規(guī)范作為設(shè)計的依據(jù)；3）說明設(shè)計的分工范圍；4）說明所設(shè)計的控制系統(tǒng)在同行業(yè)中的自動化水平以及新工藝、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、供貨時間與相應的價格，并和概算專業(yè)人員共同做出經(jīng)費預算及使用情況的說明;6）提出參加該項工作的有關(guān)人員和完成該項工作所需時間以及存在的問題及解決的辦法等；7）預測所設(shè)計的控制系統(tǒng)投入正常運行后所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益.第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日3.2.2施工圖的設(shè)計

當立項報告設(shè)計的審批文件下達后，即可進行施工圖的設(shè)計。施工圖是進行施工用的技術(shù)文件與圖紙資料，必須從施工的角度解決設(shè)計中的細節(jié)部分?，F(xiàn)以常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)（DCS）為例，簡要介紹施工圖的設(shè)計內(nèi)容。1．常規(guī)儀表控制系統(tǒng)施工圖的設(shè)計

（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）測量管路和絕熱、伴熱方式表;

（8）銘牌注字表;

（9）信號原理圖;

（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;（略）。第六十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2．集散控制系統(tǒng)（DCS）施工圖的設(shè)計集散控制系統(tǒng)（DCS）施工圖的設(shè)計內(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)控數(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）機房設(shè)計;

（14）集散控制系統(tǒng)組態(tài)文件的設(shè)計;

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

儀表及控制系統(tǒng)的干擾是普遍存在的，若不對儀表或系統(tǒng)存在的干擾采取措施加以消除，輕者會影響儀表或系統(tǒng)的精度，重者使其無法工作，甚至會造成安全事故。所以，分析干擾的來源，采取相應的消除措施，也是工程化設(shè)計的一項重要內(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方面：1．電磁輻射干擾;（1）電源引入線傳輸干擾;（2）信號引入線傳輸干擾;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，共七十三頁，2022年，8月28日3.2.4.2抗干擾措施針對上述種種干擾，通常采用如下抗干擾措施：

1．隔離;4．避雷保護;

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