典型化工設(shè)備自控講義

典型化工設(shè)備自動(dòng)化控制自動(dòng)控制概述現(xiàn)代工業(yè)消費(fèi)過(guò)程，隨著消費(fèi)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，消費(fèi)過(guò)程的強(qiáng)化，對(duì)產(chǎn)質(zhì)量量的嚴(yán)厲要求，以及各公司間的猛烈競(jìng)爭(zhēng)，人工操作和普通的控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化消費(fèi)的要求，工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)已成為工業(yè)消費(fèi)過(guò)程必不可少的設(shè)備，它是保證現(xiàn)代企業(yè)平安、優(yōu)化、低耗和高效消費(fèi)的主要技術(shù)手段。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了突飛猛進(jìn)的開(kāi)展，并以計(jì)算機(jī)為工具產(chǎn)生了信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中產(chǎn)生極大的影響和推進(jìn)作用，自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)展很快，并獲得了驚人的成就，逐漸構(gòu)成了以網(wǎng)絡(luò)集成化系統(tǒng)為根底的企業(yè)信息控制管理系統(tǒng)。而自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)工具也由集散控制系統(tǒng)(DCS)開(kāi)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)〔FCS)。自動(dòng)化技術(shù)已在工業(yè)消費(fèi)、科學(xué)技術(shù)和人們生活的各個(gè)領(lǐng)域中起到了關(guān)鍵的作用。已成為我國(guó)高科技的重要組成部分，在工業(yè)消費(fèi)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)發(fā)揚(yáng)著重要的作用。自動(dòng)化程度已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化程度高低的一個(gè)重要標(biāo)志。過(guò)程控制控制涉及工業(yè)消費(fèi)的各個(gè)領(lǐng)域，不同的工藝過(guò)程控制有不同的要求。但總的歸納起來(lái)有三個(gè)方面的要求：平安性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。20世紀(jì)50年代以前經(jīng)典控制理論P(yáng)ID控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)控制的手段主要是單個(gè)傳感器、控制器和執(zhí)行器20世紀(jì)80年代以后自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)工具也由DCS發(fā)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段，化工消費(fèi)過(guò)程中主要存在人工控制和自動(dòng)控制兩種控制形狀，由于人工控制的諸多缺陷，自動(dòng)控制成為未來(lái)化工消費(fèi)的必然。人工控制在人的直接參與下，使被控量等于給定值操作人員多反應(yīng)不及時(shí)可以處理復(fù)雜問(wèn)題自動(dòng)控制在沒(méi)有人的直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使被控量等于給定值操作人員少反應(yīng)快，按設(shè)定的程序控制必須有模型

當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)展的一些主要特點(diǎn)

消費(fèi)安裝實(shí)施先進(jìn)控制成為開(kāi)展主流過(guò)程優(yōu)化遭到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國(guó)際一致規(guī)范的開(kāi)放式系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)〔CIPS〕是開(kāi)展方向自動(dòng)控制的根本方式開(kāi)環(huán)控制之一：按給定值的支配，其支配變量與設(shè)定值堅(jiān)持一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)設(shè)定值變化時(shí)，支配變量隨之變化?？刂瓢惭b設(shè)定值按設(shè)定值控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制之二：按擾動(dòng)量進(jìn)展控制，即所謂前饋控制，如圖：在蒸汽加熱器中，假設(shè)負(fù)荷為主要干擾，假設(shè)使蒸汽流量與冷流體流量堅(jiān)持一定關(guān)系，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，支配變量隨之變化控制安裝按擾動(dòng)而控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸出〔被控變量〕經(jīng)過(guò)丈量、變送環(huán)節(jié)，又前往到系統(tǒng)的輸入端，與給定信號(hào)比較，以偏向的方式進(jìn)入控制器，對(duì)系統(tǒng)起控制造用，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)封鎖的反響回路，這種控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反響控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)TTTC給定值自控系統(tǒng)的組成過(guò)程控制：運(yùn)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門(mén)的自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的按被控制量分為溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值等的控制系統(tǒng)被控制量的自控過(guò)程1.液位控制系統(tǒng)圖中，檢測(cè)變送器檢測(cè)到水位高低，當(dāng)水位高度與正常給定水位之間出現(xiàn)偏向時(shí)，調(diào)理器就會(huì)立刻根據(jù)偏向的大小去控制出水閥，使水位回到給定值上。從而實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。LTLC給定值2.溫度控制系統(tǒng)它由蒸汽加熱器、溫度變送器、調(diào)理器和蒸汽流量閥組成?？刂颇康氖菆?jiān)持出口溫度恒定。當(dāng)進(jìn)料流量或溫度等要素的變化引起出口物料的溫度變化時(shí)，經(jīng)過(guò)溫度儀表測(cè)得的變化，并將其信號(hào)送至調(diào)理器與給定值進(jìn)展比較，調(diào)理器根據(jù)其偏向信號(hào)進(jìn)展運(yùn)算后將控制命令送至調(diào)理閥，改動(dòng)蒸汽量維持出口溫度。進(jìn)料蒸汽TTTC給定值蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)它由管路、孔板和差壓變送器、流量調(diào)理器和流量調(diào)理閥?？刂颇康氖菆?jiān)持流量恒定。當(dāng)管道其他部分阻力發(fā)生變化或有其他擾動(dòng)時(shí)，流量將偏離設(shè)定值。利用孔板作為檢測(cè)元件，把孔板上、下游的差壓引至差壓變送器，將流量差壓值轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；該信號(hào)送至調(diào)理器與給定值進(jìn)展比較，流量控制器根據(jù)偏向信號(hào)進(jìn)展運(yùn)算后將控制信號(hào)送至調(diào)理閥，改動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度，就改動(dòng)了流量，使流量維持在設(shè)定值上。3.流量控制系統(tǒng)FC流量控制系統(tǒng)自控系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋－反饋控制系統(tǒng)按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類定值控制系統(tǒng)：將被控制量保持在某一定值或很小的范圍中的控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的控制系數(shù)典型化工設(shè)備的自控泵的自控離心泵的自控離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。離心泵的控制大體有三種方法1.控制泵的出口閥門(mén)開(kāi)度

改動(dòng)泵出口阻力改動(dòng)流量

2.控制泵的轉(zhuǎn)速圖中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時(shí)的流量特性，且有n1＞n2＞n3。改動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速控制流量該方案從能量耗費(fèi)的角度來(lái)衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)普通較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心泵的場(chǎng)所，此時(shí)僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。3.控制泵的出口旁路將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改動(dòng)旁路閥開(kāi)啟度的方法來(lái)控制泵的實(shí)踐排出量。控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。該方案不經(jīng)濟(jì)，由于旁路閥耗費(fèi)一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。改動(dòng)旁路閥控制流量往復(fù)泵的自控往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場(chǎng)所，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來(lái)保送流體的。往復(fù)泵的自控主要有三種方案。1.改動(dòng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)的場(chǎng)所，此時(shí)，可借助于改動(dòng)蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。改動(dòng)轉(zhuǎn)速2.控制泵的出口旁路3.改動(dòng)沖程s改動(dòng)旁路流量該方案由于高壓流體的部分能量要白白耗費(fèi)在旁路上，故經(jīng)濟(jì)性較差。往復(fù)泵的特性曲線計(jì)量泵常用改動(dòng)沖程s來(lái)進(jìn)展流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時(shí)進(jìn)展，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)形狀下進(jìn)展的。傳熱設(shè)備的自控化工消費(fèi)的傳熱設(shè)備包括：換熱器、再沸器、冷凝器、加熱爐等傳熱目的不同，被控變量不同。多數(shù)情況下，被控變量是溫度。1.控制載熱體的流量換熱器串級(jí)控制系統(tǒng)假設(shè)載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。改動(dòng)載熱體流量控制溫度利用控制載熱體流量來(lái)穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱根本方程式的任務(wù)原理。2.控制載熱體旁路流量用載熱體旁路控制溫度采用三通控制閥來(lái)改動(dòng)進(jìn)入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改動(dòng)進(jìn)入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。旁路的流量普通不用直通閥來(lái)直接進(jìn)展控制，由于在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時(shí)候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。3.控制被加熱流體本身流量用介質(zhì)本身流量控制溫度只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場(chǎng)所。4.控制被加熱流體本身流量的旁路用介質(zhì)旁路控制溫度當(dāng)被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時(shí)，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來(lái)控制溫度。精餾塔的自控工藝要求保證質(zhì)量指標(biāo)保證平穩(wěn)操作參數(shù)有極限條件節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性精餾塔的干擾要素精餾塔的物料流程圖1.進(jìn)料流量F的動(dòng)搖〔＊〕2.進(jìn)料成分ZF的變化〔＊〕3.進(jìn)料溫度TF及進(jìn)料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑〔如蒸汽〕參與熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化常見(jiàn)精餾塔的控制方案1.精餾塔的提餾段溫控提餾段溫控的控制方案表示圖假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動(dòng)回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。提餾段溫控的主要特點(diǎn)與運(yùn)用場(chǎng)所：〔1〕采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量到達(dá)規(guī)定值?！?〕當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，用提餾段溫控就比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程也比較快。2.精餾塔的精餾段溫控假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動(dòng)回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。精餾段溫控的控制方案表示圖精餾段溫控的主要特點(diǎn)與運(yùn)用場(chǎng)所：①采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當(dāng)塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴(yán)厲時(shí)，普通宜采用精餾段溫控方案。②假設(shè)干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時(shí)。如采用精餾段溫控或提餾段溫控，當(dāng)分別的產(chǎn)品較純時(shí)，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對(duì)測(cè)溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實(shí)踐上卻很難滿足。處理這一問(wèn)題的方法，是將測(cè)溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。3.精餾塔的雙溫差控制用溫差作為質(zhì)量目的的間接變量,消除塔壓動(dòng)搖對(duì)產(chǎn)品的影響.

分別在加料板附近的精餾段和提餾段上選取溫差信號(hào)ΔT1和ΔT2。

將兩溫差信號(hào)相減后的信號(hào)作為控制器的丈量信號(hào)。雙溫差控制方案TCLCFCLCFCFC進(jìn)料量FWDVsT1T2T2T1化學(xué)反響器的自控化學(xué)反應(yīng)器的控制要求質(zhì)量指標(biāo)物料平衡參數(shù)有極限條件釜式反響器的溫度自動(dòng)控制1.控制進(jìn)料溫度改動(dòng)進(jìn)料溫度控制釜溫2.改動(dòng)傳熱量由于大多數(shù)反響釜均有傳熱面，引入或移去反響熱，所以用改動(dòng)引入傳熱量多少的方法就能實(shí)現(xiàn)溫度控制。改動(dòng)加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫固定床反響器的自動(dòng)控制固定床反響器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動(dòng)的反響器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)展化學(xué)反響以生成所需反響物。常見(jiàn)的溫度控制方案有：改動(dòng)進(jìn)料濃度改動(dòng)進(jìn)料溫度改動(dòng)段間進(jìn)入的換熱量改變進(jìn)料濃度控制反應(yīng)器溫度用載熱體流量控制溫度用旁路控制溫度用改變段間冷氣量控制溫度用改變段間蒸汽量控制溫度系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及過(guò)度過(guò)程系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

靜態(tài)：輸入不變，調(diào)理系統(tǒng)在調(diào)理器的自動(dòng)調(diào)理作用下，被調(diào)量不再隨時(shí)間變化的平衡形狀動(dòng)態(tài)：被調(diào)量隨時(shí)間變化，系統(tǒng)處于不平衡形狀一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，時(shí)時(shí)辰刻都有擾動(dòng)作用于對(duì)象，使被調(diào)量偏離設(shè)定值過(guò)渡過(guò)程的根本方式發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩1衰減振蕩2（單調(diào)過(guò)程）無(wú)振蕩過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)展的時(shí)間長(zhǎng)短，過(guò)程時(shí)間繼續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)大偏向，同時(shí)也闡明系統(tǒng)呼應(yīng)很愚鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)；系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡任務(wù)形狀后或系統(tǒng)遭到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，最終堅(jiān)持的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的性能；動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作形狀的才干?？旆€(wěn)準(zhǔn)單回路控制系統(tǒng)整定調(diào)理器參數(shù)的整定就是在一個(gè)曾經(jīng)調(diào)校好的控制系統(tǒng)中，去選擇和設(shè)置適宜的調(diào)理器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間，使調(diào)理器與過(guò)程的特性相順應(yīng)，來(lái)改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，獲取最正確控制效果。系統(tǒng)整定方法臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)法臨界比例度法詳細(xì)整定方法在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，將調(diào)理器的Ti置最大，Td置零，系統(tǒng)處于純比例作用之下，在干擾的作用下，從大到小改動(dòng)調(diào)理器的比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，根據(jù)臨界過(guò)程參數(shù)(即臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk)，按閱歷公式計(jì)算出調(diào)理器的各個(gè)參數(shù)值δ、Ti、Td。將比例度調(diào)在比計(jì)算值略大一點(diǎn)，積分時(shí)間和微分時(shí)間分別置于計(jì)算值上，察看過(guò)渡過(guò)程曲線逐漸將比例度降至計(jì)算值，適當(dāng)調(diào)整和修正Ti和Td，直至獲得稱心的過(guò)渡過(guò)程曲線為止臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表衰減曲線法詳細(xì)整定方法在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將調(diào)理器的Ti置最大、Td置零，使系統(tǒng)處于純比例作用下，比例度放大較大的數(shù)值上，待系統(tǒng)穩(wěn)定用改動(dòng)設(shè)定值的方法參與階躍擾動(dòng)，察看記錄曲線的衰減比，然后從大到小改動(dòng)比例度直到出現(xiàn)4:1衰減比為止，記下此時(shí)的比例度δs，并從過(guò)渡過(guò)程曲線上求出衰減振蕩周期Ts，根據(jù)δs、Ts，按閱歷公式計(jì)算出調(diào)理器的各個(gè)參數(shù)值δs、Ts、Ti、Td。將調(diào)理器的比例度放在比計(jì)算值稍大的數(shù)值上，Ti、Td分別置于計(jì)算值上，察看過(guò)渡過(guò)程曲線，逐漸將比例度降至計(jì)算值上，直至過(guò)渡過(guò)程曲線稱心為止衰減曲線法調(diào)理器參數(shù)計(jì)算表閱歷法詳細(xì)整定方法

以為比例作用是根本作用，采用先比例、后積分微分的順序閉合運(yùn)轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)中，將調(diào)理器的Ti置最大、Td置零、δ取閱歷數(shù)據(jù)，改動(dòng)設(shè)定值參與擾動(dòng)，察看記錄曲線，假設(shè)超調(diào)量大且趨于非周期，應(yīng)減