典型过程控制系统设计课件

第10章 典型生产过程控制 与工程设计,本章要点,1）了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的控制方案； 2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法； 3）了解精馏塔的控制任务, 熟悉各变量之间的关系； 4）掌握精馏过程控制系统的设计方法； 5）了解工程设计的基本要求与基本内容； 6）了解项目报告、施工图的设计方法以及抗干扰问题的解决方案。,10.1典型生产过程控制 10.1.1电厂锅炉的过程控制,一、火力发电厂的生产流程,火力发电厂外观,在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。,汽轮发电机组,锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。,二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。）,重点以锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制为例讨论它们的控制方案。,1汽轮机高压缸；2汽轮机中、低压缸；3汽包；4炉膛；5烟道；6发电机；7冷凝器；8补充水；9凝结水泵；10循环水泵；11低压加热器；12除氧器；13给水泵；14高压加热器；15给水调节机构；16省媒器；17过热器；18减温器；,19汽机高压调汽门；20再热器；21再热器减温器；22汽机中压调汽门；23媒粉仓；24燃料量控制机构；25喷燃器；26送风机；27空气预热器；28调风门；29水冷壁管；30引风机；31烟道挡板。,大型单元机组的生产过程及其对控制的要求,大型单元发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。锅炉的产热、汽机的做功及发电机的发电协调配合完成发电生产。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。,锅炉设备的工艺流程,锅炉对象：多输入多输出,锅炉设备的主要控制要求,汽包的液位，蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化。 过热蒸汽温度：保持在一定范围内。 炉膛负压：保持在一定范围内。 燃烧完全：根据经济性和环保的要求。 运行安全：液位，炉膛负压，过热度，蒸汽压力等在安全运行范围内。,锅炉设备的主要控制系统 给水自动控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽） 被控变量：汽包液位 操纵变量：给水量 锅炉燃烧的自动控制系统：满足经济性、安全性和环保要求 被控变量：蒸汽压力 操纵变量：燃料量 被控变量：烟气含氧量 操纵变量：送风量 被控变量：炉膛负压 操纵变量：引风量 过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求 被控变量：过热蒸汽温度 操纵变量：喷水量,锅炉设备的主要控制系统,锅炉设备的控制问题,系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。,10.1.1.1 汽包水位控制,1.汽包水位控制的重要性,将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。,2.汽包水位的控制方案,一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈反馈串级控制系统。,采用这种控制方案的理由分析如下：,（1）单冲量水位控制方案,以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。）。,汽包水位的控制问题,被控变量：汽包水位，用H (s)表示 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示 主要干扰： 蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示 通道对象： 非自衡、非最小相位和非线性等特性,汽包水位的对象特性,干扰通道特性,控制通道特性,非最小相位特性,对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为,汽包水位的单冲量控制,（2）双冲量水位控制方案,如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。,图101 双冲量控制系统流程图及方框图,显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。,（3） 三冲量串级控制方案,该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。,图102 汽包水位三冲量串级控制系统流程图,三冲量前馈反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。,三冲量水位标准控制方案 !,整个系统是串级加前馈控制系统 主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器 液位无余差条件，采用比例积分控制器,动态前馈控制规律设计示例,动态前馈控制规律,关闭,10.1.1.2 过热蒸汽温度控制,1控制要求与过程特性,过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在5的范围内。,过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内。,影响过热蒸汽温度的外界因素很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。各种阶跃干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线如左图所示。,图103 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线,由左图可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有时延和惯性，只是时延和惯性的大小不同而已。,2控制变量的选择与控制方案的确定,由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；,若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；,若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。,针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。,一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。,图104 过热蒸汽温度串级控制,该控制系统是将减温器后的汽温信号,烟道气）而偏离给定值时，主汽温信,经测量、变送反馈至主调节器，,器随之动作，控制调节阀,从而使主汽,作为副被控参数构成副回路，当减,温水自身出现波动时，,比主汽温,能提前感受到它的影响，并使副调节,器及时动作，使减温水的干扰能够及,时动作，使减温水的干扰能够及时得,到克服。当主汽温因受其它干扰(如,号,使主调节器发出控制指令改变副调节,温控制在允许的范围之内，使控制质,量得到保证。,为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈反馈串级控制系统。,过热蒸汽温度控制,过热蒸汽温度控制方案1,过热蒸汽温度控制方案2,10.1.1.3 锅炉燃烧过程的控制,1锅炉燃烧过程的控制任务,锅炉燃烧过程的控制任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。 具体为：使锅炉出口蒸汽压力保持稳定；保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；使炉膛负压保持恒定；确保燃烧过程的安全性等。,有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量。,系统的设计原则：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料量和送风量成一定比例、还要使炉膛负压保持一定的效果；当生产负荷相对稳定时，应保持燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅速消除外界干扰对它们各自的影响 。,此外，为确保设备与人身安全，对因燃料的流速过快而导致烧嘴背压过高产生的 “脱火”现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火”现象，都应设计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生 。,2蒸汽压力控制方案,影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。,当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案；,而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用燃料量/空气量对蒸汽压力的串级/比值控制方案。,在串级/比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主动量，它与空气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使燃料量与空气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。,锅炉燃烧过程的两种基本控制方案,蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统,双交叉燃烧控制系统 （逻辑提量和逻辑减量控制系统）,控制方案,在该控制系统中，只要把含氧量成分控制器的给定值按正常负荷下烟气含氧量的最优值设定，即可使过剩空气量稳定在最优值，从而保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。,根据以上分析可知，只要在图106的控制方案上对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成如图108所示的烟气含氧量的闭环控制系统。,图108 烟气含氧量的闭环控制系统,要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值还需随之变化，这就需要对图108的闭环控制系统进一步加以改进。,在图108所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量进行修正，构成如图1010所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。,图1010 最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统,在该系统中，当蒸汽流量变化时，其变化的信号经函数发生器改变含氧量成分调节器的设定值，然后再由含氧量成分调节器校正过剩空气量，使锅炉燃烧过程在不同负荷下，始终处于最佳过剩空气量的状态。,4炉膛负压控制与安全保护控制方案,图1011所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护控制系统。由图可知，该控制系统又由三个子系统构成。,（1）炉膛负压控制：一般可通过控制引风量来实现。,（2）防“脱火”控制：通常可以采用自动选择性控制方案。,（3）防“回火”控制：是一个连锁保护控制系统。,图1011 炉膛负压控制与安全保护控制系统,燃烧控制基本方案,锅炉蒸汽压力的比值控制,稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2 分析提降量过程？,例： 锅炉燃烧过程压力自动选择控制 ：,2炉膛负压控制系统 锅炉炉膛负压力过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值，增加燃料损失、热量损失和降低热效率。 保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不大，调节引风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会较大，此时，经常采用的控制方案如图11.2所示。,燃烧过程控制系统综合仿真,10.1.2 精馏塔的过程控制,精馏过程的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规定的纯度。,10.1.2.1 精馏塔的控制目标及变量分析,1控制目标,精馏塔的控制目标通常表现在产品质量、产品产量及能量消耗三个方面。,（1）产品质量 精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，产品质量必须符合规定的要求。,（2）产品产量与经济效益 任何产品都要求在确保质量的前提下，尽可能提高产品的产量和降低成本、最大限度地提高经济效益 。,10.1.2.2 精馏塔的控制方案,1一端产品质量控制,所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或塔底产品要达到规定的纯度，而对另一端的产品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔顶产品成分控制和塔底产品成分控制两种,（1）塔顶产品成分控制,例如，在对甲醇进行分离的精馏塔中，其进料为甲醇、甲醛和水的混合液，工艺要求把甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表101所示。,参,数,工,况,成,分,2变量分析,图1012 精馏塔的进、出料流程图,（1）不可控干扰：进料流量及进料成分的变化是精馏过程中的主要干扰量。其它干扰如进料温度、进料热焓等，可以通过各自的控制系统使它们保持相对稳定。,（2）被控量与控制量：在精馏塔控制中，控制变量与被控变量之间的配对关系共有24种选择。,（3）变量配对原则：在变量配对时首先要解决产品成分的变量配对问题。,根据变量配对的要求，通常采用的控制方案是：用塔顶产品流量控制塔顶产品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图1013所示,选用塔顶产品流量作为控制量。在图1013中，调节器的输出均通过电气转换后变成气压信号，经气动阀门定位器进行功率放大，进而推动气动薄膜调节阀。,图1013 塔顶产品成分控制方案,（2）塔底产品成分控制,由图可知，用塔底产品流量控制塔底产品成分，以保证控制质量；对塔顶产品只进行流量控制；用回流量控制回流罐液位，用蒸汽量控制塔底液位，使精馏操作能正常进行。,图1014 塔底产品成分控制方案,2两端产品质量均需控制,当塔顶及塔底产品分别需要满足一定质量指标时，则需要对塔的两端产品质量同时进行控制。,在该控制方案中，用回流量控制塔顶产品成分，用塔底流量控制塔底产品成分，其目的是保证两端产品的控制质量；用塔顶流量控制回流罐液位，用蒸汽流量控制再沸器液位，使精馏操作能正常进行。,图1015 两端产品质量控制方案,当改变回流量时，不仅影响塔顶产品组分的变化，同时也引起塔底产品组分的变化；同理，当控制塔底的加热用蒸汽流量时，也将引起塔内温度的变化，从而不但使塔底产品组分产生变化，同时也将影响到塔顶产品组分的变化。可见，这是一个22的多变量耦合系统,图1016 精馏塔两端产品成分控制框图,显然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制方案如图1017所示。,该控制方案的设计思想是：为使回流量的变化只影响塔顶组分而不影响塔底组分，设计了解耦装置 ，使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同样，为使蒸汽量的变化只影响塔底组分而不影响塔顶组分，设计了另一个解耦装置 ，使回流阀预先动作，予以补偿，从而实现了两端产品质量的解耦控制。,图1017 两端产品质量的解耦控制方案,关于解耦装置数学模型 、 的取得，可根据不变性原理的前馈补偿法进行设计,图1018 前馈补偿法解耦控制系统框图,10.2 过程控制系统的工程化设计,10.2.1 工程化设计的目的和主要内容,1目的,过程控制系统的工程化设计既是生产过程自动化项目建设中的一项极其重要的环节，也是自动化类专业的学生强化工程实际观念、运用过程控制工程的知识进行全面综合训练的重要实践过程。,过程控制系统的工程化设计要求设计者既要掌握大量的专业知识，还要懂得设计工作的程序。,过程控制系统的工程化设计，不管具体过程和控制方案如何，其基本的设计程序和方法则是相似的。,2主要内容,在熟悉工艺流程、确定控制方案的基础上，完成工艺流程图和控制流程图的绘制；,在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制；,完成控制室的设计及其相关条件的设计；,完成信号连锁系统的设计；,完成仪表供电、供气系统图及管线平面图的绘制以及控制室与现场之间水、电、气（汽）的管线布置图的绘制；,完成与过程控制有关的其它设备、材料的选用情况统计及安装材料表的编制；,完成抗干扰和安全设施的设计；,完成设计文件的目录编写等。,10.2.2 工程化设计的具体步骤,在确定了过程控制系统工程化设计的主要内容以后，可分两步进行工程化设计，即立项报告设计和施工图的设计。,10.2.2.1 立项报告的设计,1设计前的准备工作,（1）调查研究,（2）规划目标,（3）收集资料,为了使设计的立项报告科学合理、切实可行，能够比较顺利地被审批通过，必须认真做好设计前的准备工作。,2立项报告的设计,1）系统控制方案的论证与确定；,2） 说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据；,3）说明设计的分工范围 ；,4）说明所设计的控制系统在同行业中的自动化水平以及新工艺、新技术的采用情况等 ;,5）提供仪表设备汇总表、材料清单以及主要的供货厂家、供货时间与相应的价格，并和概算专业人员共同做出经费预算及使用情况的说明;,6）提出参加该项工作的有关人员和完成该项工作所需时间以及存在的问题及解决的办法等；,7）预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济效益.,10.2.2.2 施工图的设计,当立项报告设计的审批文件下达后，即可进行施工图的设计。施工图是进行施工用的技术文件与图纸资料，必须从施工的角度解决设计中的细节部分。,现以常规仪表控制系统和集散控制系统（DCS）为例，简要介绍施工图的设计内容。,1常规仪表控制系统施工图的设计,（1） 图纸目录;,（2） 说明书;,（3） 设备汇总表;,（4） 设备装置数据表;,（5） 材料表 ;,（6） 连接关系表;,（7） 测量管路和绝热、伴热方式表;,（8） 铭牌注字表;,（9） 信号原理图;,（10）平面布置图;,（11） 接线（管）图;,（12）空视图 ;,（13） 安装图;,（14）工艺管道和仪表流程图;,（15） 接地系统图;,（16）任选图的设计;（略）。,2集散控制系统（DCS）施工图的设计,集散控制系统（DCS）施工图的设计内容主要有：,（1） 文件目录;,（2）集散控制系统技术规格说明书;,（3） 集散控制系统I/O表;,（4）连锁系统逻辑图;,（5） 仪表回路图;,（6）控制室布置图;,（7） 端子配线图;,（8）电缆布置图;,（9） 仪表接地系统图;,（10）集散控制系统监控数据表;,（11）集散控制系统配置图;,（12）端子（安全栅）柜布置图;,（13）机房设计;,（14）集散控制系统组态文件的设计;,10.2.3 控制系统的抗干扰和接地设计,仪表及控制系统的干扰是普遍存在的，若不对仪表或系统存在的干扰采取措施加以消除，轻者会影响仪表或系统的精度，重者使其无法工作，甚至会造成安全事故。所以，分析干扰的来源，采取相应的消除措施，也是工程化设计的一项重要内容。,10.2.3.1 干扰的来源,仪表及控制系统的干扰主要来自以下几个方面：,1电磁辐射干扰;,（1）电源引入线传输干扰;,（2）信号引入线传输干扰;,3接地系统的干扰;,4系统内部干扰.,2引入线传输干扰;,10.2.3.2 抗干扰措施,针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施：,1隔离;,4避雷保护;,10.2.3.3 接地系统及其设计,在上述种种抗干扰措施中，有相当部分是和接地系统有关的。,1接地系统的作用及类型,接地系统的主要作用是保护人身与设备的安全和抑制干扰。不良的接地系统，轻者使仪表或系统不能正常工作，重者则会造成严重后果。,2屏蔽 ;,3滤波 ;,接地系统的类型主要分为两类，即保护性接地和工作接地。工作接地中又可分为屏蔽接地、本质安全接地和信号回路接地。,（1）保护性接地,（2）工作接地,保护性接地是指将电气设备、用电仪表中不应带电的金属部分与接地体之间进行良好的金属连接，以保证这些金属部分在任何时候都处于零电位。,正确的工作接地可抑制干扰，提高仪表的测量精度，保证仪表系统能正常可靠地工作。工作接地中又可分为信号回路接地、屏蔽性接地和本质安全接地。,1）