典型过程控制系统设计课件

1、典型过程控制系统设计1 第第1010章章 典型生产过程控制典型生产过程控制 与工程设计与工程设计 典型过程控制系统设计2 1 1）了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的 控制方案；控制方案； 2 2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法； 3 3）了解精馏塔的控制任务了解精馏塔的控制任务, , 熟悉各变量之间的熟悉各变量之间的 关系；关系； 4 4）掌握精馏过程控制系统的设计方法；掌握精馏过程控制系统的设计方法； 5 5）了解工程设计的基本要求与基本内容；了解工程设计的基本要求与基本内容； 6 6）了解项目报告、施工图的设

2、计方法以及抗干了解项目报告、施工图的设计方法以及抗干 扰问题的解决方案。扰问题的解决方案。 典型过程控制系统设计3 火力发电厂外观火力发电厂外观 在火力发电厂，最基本的工艺在火力发电厂，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。运转，进而带动发电机发电。 汽轮发电机组汽轮发电机组 锅炉控制是火力发电生产过程自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，是根据负荷设备（汽轮机）的需要， 供应一定规格（压力、温度、流量和供应一定规格（压力、温度、流量和 纯

3、度）的蒸汽。纯度）的蒸汽。 典型过程控制系统设计4 重点以重点以锅炉汽包水位控锅炉汽包水位控 制制、过热蒸汽温度控制过热蒸汽温度控制、锅锅 炉燃烧控制炉燃烧控制为例讨论它们的为例讨论它们的 控制方案。控制方案。 1 1汽轮机高压缸；汽轮机高压缸； 2 2汽轮机中、低压汽轮机中、低压 缸；缸；3 3汽包；汽包；4 4 炉膛；炉膛；5 5烟道；烟道；6 6 发电机；发电机；7 7冷凝冷凝 器；器；8 8补充水；补充水；9 9 凝结水泵；凝结水泵；1010 循环水泵；循环水泵；1111低低 压加热器；压加热器；1212除除 氧器；氧器；1313给水泵；给水泵； 1414高压加热器；高压加热器； 15

4、15给水调节机构；给水调节机构； 1616省媒器；省媒器；1717 过热器；过热器；1818减温减温 器；器； 1919汽机高压调汽门；汽机高压调汽门；2020再热器；再热器；2121再热器减再热器减 温器；温器；2222汽机中压调汽门；汽机中压调汽门；2323媒粉仓；媒粉仓；2424燃燃 料量控制机构；料量控制机构；2525喷燃器；喷燃器；2626送风机；送风机；2727空空 气预热器；气预热器；2828调风门；调风门；2929水冷壁管；水冷壁管；3030引风引风 机；机；3131烟道挡板烟道挡板。 典型过程控制系统设计5 1.1.汽包水位控制的重要性汽包水位控制的重要性 将锅炉的汽包水位控

5、制在一个允许范围内，是锅炉运行的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主要指标， 也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件必要条件。 2.2.汽包水位汽包水位的的控制方案控制方案 一种可行的控制方案是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。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：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）单冲量水位控制方案 以以汽包水位

6、为被控参数、给水流量为控制参数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（水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。虚假水位问题。）。）。 典型过程控制系统设计6 （2）双冲量水位控制方案）双冲量水位控制方案 如果根据蒸汽流量的变化来校正如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位虚假水位的误动作，就能使调节阀动的误动作，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，若作准确及时，减少水位

7、的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流将蒸汽流 量作为前馈信号量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。，就构成了双冲量控制系统。 图图101 双冲量控制系统流程图及方框图双冲量控制系统流程图及方框图 典型过程控制系统设计7 显而易见显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改，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。信号构成三冲量串级控制系统。 （3） 三冲量串级控制方案三冲量串级控制方案 该控制系统由主、副两个调

8、节器和该控制系统由主、副两个调节器和 三个冲量（三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、汽包水位、蒸汽流量、 给水流量给水流量）构成。其中，主调节器）构成。其中，主调节器 为水位调节器，副调节器为给水流为水位调节器，副调节器为给水流 量调节器，蒸汽流量为前馈信号。量调节器，蒸汽流量为前馈信号。 图图10102 2 汽包水位三冲量串级控制系统流程图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。 典型过程控制系统设计8 1控制要求与过程特性控制要求与过程特性 过热蒸汽温

9、度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在55的范围内。的范围内。 过热蒸汽温度控制系统的过热蒸汽温度控制系统的控制任务控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内。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影响过热蒸汽温度的外界因外界因 素素很多，例如蒸汽流量、减温很多，例如蒸汽流量、减温 水量、流经过热器的烟气温度水量、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过热蒸汽温度的阶跃响应曲线 如左图所示。如左图所示。 图图

10、10103 3 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线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，在各种阶跃干由左图可知，在各种阶跃干 扰作用下，其动态特性都有扰作用下，其动态特性都有时时 延延和和惯性惯性，只是时延和惯性的，只是时延和惯性的 大小不同而已。大小不同而已。 典型过程控制系统设计9 2控制变量的选择与控制方案的确定控制变量的选择与控制方案的确定 由于由于蒸汽流量蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量； 若采用若采用烟气烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制

11、 造带来困难，也不宜作为控制变量；造带来困难，也不宜作为控制变量； 若采用若采用减温水流量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：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；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。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

12、系统，以提高控制质量。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。一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。 典型过程控制系统设计10 图图104 过热蒸汽温度串级控制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，经测量、变送反馈至主调节器， 器随之动作，控制调节阀器随之动作，控制调节阀, ,从而使主汽从而使主汽 2 T 1 T 1 T 2 T作为副被控参数构成副回路，当减作为副被控参数构成

13、副回路，当减 温水自身出现波动时温水自身出现波动时， 比主汽温比主汽温 能提前感受到它的影响，并使副调节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到克服。当主汽温因受其它干扰( (如如 号号 使主调节器发出控制指令改变副调节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，使控制质温控制在允许的范围之内，使控制质 量得到保证。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，构成前馈为进一步提高控制质量，还可以考虑将

14、负荷干扰作为前馈信号，构成前馈 反馈串级控制系统。反馈串级控制系统。 典型过程控制系统设计11 1锅炉燃烧过程的控制任务锅炉燃烧过程的控制任务 锅炉燃烧过程的锅炉燃烧过程的控制任务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，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。其具体任务又可分为：同时还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：使锅炉出口蒸使锅炉出口蒸 汽压力保持稳定；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；保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；使炉膛使炉膛 负压保持恒定；负压保持恒定；确保燃烧过程的安全性等。确保燃烧过程的

15、安全性等。 有三个可供选择的调节量，即有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量燃料量、送风量和引风量。 该控制系统的该控制系统的设计原则设计原则是：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和是：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，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应保持燃料量、送风量和引风量也相对稳定

16、，并能迅速消除外界干扰对它 们各自的影响们各自的影响 。 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 高产生的高产生的 “ “脱火脱火”现象、或因烧嘴背压过低产生的现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火回火”现象，都应设现象，都应设 计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生 。 典型过程控制系统设计12 2蒸汽压力控制方案蒸汽压力控制方案 影响蒸汽压力的外界因素主要是影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的变化蒸汽负荷的变化与与燃料量的波动燃料量的波动。 当蒸汽负荷及燃料量波动较

17、小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用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 调节燃料量调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案；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，则需采用燃料燃料 量量/ /空气量空气量对蒸汽压力的串级对蒸汽压力的串级/ /比值控制方案。比值控制方案。 图图10105 5所示为燃烧过程的两种基本控制方案。所示为燃烧过程的两种基本控制方案。 在串级在串级/ /比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而

18、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。气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。 典型过程控制系统设计13 图图10105 5 燃烧过程基本控制方案燃烧过程基本控制方案 图图10105 a5 a）所示的基本控制方案所示的基本控制方案 是将蒸汽压力调节器是将蒸汽压力调节器PCPC作为串级作为串级 控制的主调节器，其输出同时作控制的主调节器，其输出同时作 为燃料流量调节器和空气流量调为燃料流量调节器和空气流量调 节器节器FCFC的设定值，燃料流量调节的设定值

19、，燃料流量调节 器和空气流量调节器则构成各自器和空气流量调节器则构成各自 的副回路用以迅速克服它们自身的副回路用以迅速克服它们自身 的干扰。的干扰。 图图10105 b5 b）所示的基本控制方案是将所示的基本控制方案是将 蒸汽压力与燃料流量构成串级控制，蒸汽压力与燃料流量构成串级控制， 而送风量则随燃料量变化而变化，从而送风量则随燃料量变化而变化，从 而构成比值控制，这样可以确保燃料而构成比值控制，这样可以确保燃料 量与送风量的比例，但该控制方案的量与送风量的比例，但该控制方案的 缺点是，当负荷发生变化时，送风量缺点是，当负荷发生变化时，送风量 的变化必然落后于燃料量的变化，导的变化必然落后于

20、燃料量的变化，导 致燃烧不充分。致燃烧不充分。 典型过程控制系统设计14 图图10106 6所示的燃烧过程的改进型控制方案。所示的燃烧过程的改进型控制方案。 该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器 LSLS先减少燃料先减少燃料 量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选择器量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选择器 HSHS先先 加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。 图图10106 6 燃烧过程的改

21、进型控制方案燃烧过程的改进型控制方案 典型过程控制系统设计15 3燃烧过程的最优化控制方案燃烧过程的最优化控制方案 假如理论上所需的空气量用假如理论上所需的空气量用 T q T q 表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气 P q 往往要大于往往要大于 ,存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有 一个最优值，对于液体燃料，最优过剩空气量约为一个最优值，对于液体燃料，最优过剩空气量约为1010左右。液体燃料的过剩左右。液体燃料的过剩 空气量与能量损失的关系图如图空气量与能量损失的关系图如图1010

22、7 7所示。所示。 量量 图图10107 7 液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图 典型过程控制系统设计16 过剩空气量常用过剩空气率过剩空气量常用过剩空气率 TP qq 1 来表示来表示， 为实际空气量和理论空气量之比，为实际空气量和理论空气量之比， 一般情况下，一般情况下， 。由此可知，由此可知， 是衡量经济燃烧的一种是衡量经济燃烧的一种直接指标直接指标。但由于。但由于 很难直接测量，因而可用很难直接测量，因而可用 与烟气中含氧量 a存在的近似关系，计算出 a的最优值，即 a a a 22. 0 1 22. 0 22. 0 例如，当例如，当 的最优值

23、为的最优值为1.081.081.151.15时，可得时，可得 a 的最优值为的最优值为1.6%1.6%2.9%2.9%。 因此，烟气中的含氧量因此，烟气中的含氧量 a可作为一种衡量经济燃烧的可作为一种衡量经济燃烧的间接指标间接指标。 典型过程控制系统设计17 在该控制系统中，只在该控制系统中，只 要把含氧量成分控制要把含氧量成分控制 器的给定值按正常负器的给定值按正常负 荷下烟气含氧量的最荷下烟气含氧量的最 优值设定，即可使过优值设定，即可使过 剩空气量稳定在最优剩空气量稳定在最优 值，从而保证锅炉燃值，从而保证锅炉燃 烧最经济，热效率最烧最经济，热效率最 高。高。 根据以上分析可知，只要在图

24、根据以上分析可知，只要在图10106 6的控制方案上对进风量用烟气含氧量加的控制方案上对进风量用烟气含氧量加 以校正，就可构成如图以校正，就可构成如图10108 8所示的烟气含氧量的闭环控制系统。所示的烟气含氧量的闭环控制系统。 图图10108 8 烟气含氧量的闭环控制系统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，这就需要对图还需随之变化，这就需要对图10108 8的闭环控制系统进一步加以改进。的闭环控制系统进一步加以改进。 典型过程控制系统设计18 蒸汽流量与烟

25、气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时 可用图可用图10109 9所示的折线来近似。所示的折线来近似。 由图由图1010 9 9可知，可知， 当负荷下当负荷下 降时，烟降时，烟 气中最优气中最优 含氧量增含氧量增 大，也即大，也即 意味着过意味着过 剩空气量剩空气量 增大，反增大，反 之亦然之亦然。 图图10109 9 蒸汽流量与最优含氧量近似关系蒸汽流量与最优含氧量近似关系 典型过程控制系统设计19 在图在图10108 8所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对

26、空气过剩量 进行修正，构成如图进行修正，构成如图10101010所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。 图图10101010 最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统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。 典型过程控制系统设计20 4炉膛负压控制与安全保护控制方案炉膛负压控制与安全保护控制方案 图图10101111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

27、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。知，该控制系统又由三个子系统构成。 （1 1）炉膛负压）炉膛负压 控制：一般可通控制：一般可通 过控制引风量来过控制引风量来 实现。实现。 （2 2）防）防“脱火脱火” 控制：通常可以控制：通常可以 采用自动选择性采用自动选择性 控制方案。控制方案。 （3）防）防“回火回火” 控制：是一个连控制：是一个连 锁保护控制系统。锁保护控制系统。 图图10101111 炉膛负压控制与安全保护控制系统炉膛负压控制与安全保护控制系统 典型过程控制系统设计21 精馏过程的精馏过程的目的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同

28、，将各组分进行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。分离以达到规定的纯度。 1控制目标控制目标 精馏塔的控制目标通常表现在精馏塔的控制目标通常表现在产品质量产品质量、产品产量产品产量及及能量消耗能量消耗三个方面。三个方面。 （1 1）产品质量产品质量 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。品质量必须符合规定的要求。 （2 2）产品产量与经济效益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，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

29、效益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 。 典型过程控制系统设计22 2变量分析变量分析 图图101012 12 精馏塔的进、出料流程图精馏塔的进、出料流程图 （1 1）不可控干扰：进料流）不可控干扰：进料流 量及进料成分的变化是精馏量及进料成分的变化是精馏 过程中的主要干扰量。其它过程中的主要干扰量。其它 干扰如进料温度、进料热焓干扰如进料温度、进料热焓 等，可以通过各自的控制系等，可以通过各自的控制系 统使它们保持相对稳定。统使它们保持相对稳定。 （2 2）被控量与控制量：在）被控量与控制量：在 精馏塔控制中，控制变量与精馏塔控制中，控制变量与 被控变量之间的配对关系共

30、被控变量之间的配对关系共 有有2424种选择。种选择。 （3 3）变量配对原则：在变）变量配对原则：在变 量配对时首先要解决产品成量配对时首先要解决产品成 分的变量配对问题。分的变量配对问题。 典型过程控制系统设计23 1一端产品质量控制一端产品质量控制 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，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控制和塔底产品成分控制两种 （1）塔顶产品成分控制）塔顶产品成

31、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个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表10101 1所示。所示。 y 1 y 2 y 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 塔底馏出物塔顶馏出物进 料 y 1 785.0 196.0 2 1 792.0 205.0 y 1

32、 1 008.0 006.0 y 参数工况 成分 典型过程控制系统设计24 根据变量配对的要求，通常采用的根据变量配对的要求，通常采用的控制方案控制方案是：用塔顶产品流量控制塔顶是：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，如图的热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图10101313所示所示 选用塔顶产选用塔顶产 品流量作为品流量作为 控制量。在控制量。在 图图10101313中，中， 调节器的输调节器的输 出均通过电出均通过电 气转换后气转换

33、后 变成气压信变成气压信 号，经气动号，经气动 阀门定位器阀门定位器 进行功率放进行功率放 大，进而推大，进而推 动气动薄膜动气动薄膜 调节阀调节阀。 图图10101313 塔顶产品成分控制方案塔顶产品成分控制方案 典型过程控制系统设计25 （2）塔底产品成分控制）塔底产品成分控制 由图可知，由图可知， 用塔底产品用塔底产品 流量控制塔流量控制塔 底产品成分，底产品成分， 以保证控制以保证控制 质量；对塔质量；对塔 顶产品只进顶产品只进 行流量控制；行流量控制； 用回流量控用回流量控 制回流罐液制回流罐液 位，用蒸汽位，用蒸汽 量控制塔底量控制塔底 液位，使精液位，使精 馏操作能正馏操作能正

34、常进行。常进行。 图图10101414 塔底产品成分控制方案塔底产品成分控制方案 典型过程控制系统设计26 2两端产品质量均需控制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。品质量同时进行控制。 在该控制方案在该控制方案 中，用回流量中，用回流量 控制塔顶产品控制塔顶产品 成分，用塔底成分，用塔底 流量控制塔底流量控制塔底 产品成分，其产品成分，其 目的是保证两目的是保证两 端产品的控制端产品的控制 质量；用塔顶质量；用塔顶 流量控制回流流量控制回流 罐液位，用蒸罐液位，

35、用蒸 汽流量控制再汽流量控制再 沸器液位，使沸器液位，使 精馏操作能正精馏操作能正 常进行。常进行。 图图10101515 两端产品质量控制方案两端产品质量控制方案 典型过程控制系统设计27 当改变回流量时，当改变回流量时， 不仅影响塔顶产品不仅影响塔顶产品 组分的变化，同时组分的变化，同时 也引起塔底产品组也引起塔底产品组 分的变化；同理，分的变化；同理， 当控制塔底的加热当控制塔底的加热 用蒸汽流量时，也用蒸汽流量时，也 将引起塔内温度的将引起塔内温度的 变化，从而不但使变化，从而不但使 塔底产品组分产生塔底产品组分产生 变化，同时也将影变化，同时也将影 响到塔顶产品组分响到塔顶产品组分

36、的变化。可见，这的变化。可见，这 是一个是一个2 22 2的多变的多变 量耦合系统量耦合系统 图图10101616 精馏塔两端产品成分控制框图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10101717所示。所示。 典型过程控制系统设计28 该控制方案的该控制方案的设计思想设计思想是：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，使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同样， 为使蒸汽量的变

37、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，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 耦控制耦控制。 21( ) Ds 12( ) Ds 图图10101717 两端产品质量的解耦控制方案两端产品质量的解耦控制方案 典型过程控制系统设计29 关于解耦装置数学模型关于解耦装置数学模型 、 的取得，可根据不的取得，可根据不 变性原理的前馈补偿法进行设计变性原理的前馈补偿法进行设计 21( ) Ds 12( ) Ds 图图10101818 前馈补偿法

38、解耦控制系统框图前馈补偿法解耦控制系统框图 典型过程控制系统设计30 1目的目的 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、运用过程过程 控制工程控制工程的知识进行全面综合训练的重要实践过程。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。要懂得设计工作的程序。 过程控制

39、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。设计程序和方法则是相似的。 典型过程控制系统设计31 2主要内容主要内容 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；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；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；完成信号连锁系统的设计； 完成仪表供电、供

40、气系统图及管线平面图的绘制以及控制室与完成仪表供电、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；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；料表的编制； 完成抗干扰和安全设施的设计；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。完成设计文件的目录编写等。 典型过程控制系统设计32 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，即程化

41、设计，即立项报告设计立项报告设计和和施工图的设计施工图的设计。 1设计前的准备工作设计前的准备工作 （1）调查研究调查研究 （2）规划目标规划目标 （3）收集资料收集资料 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。通过，必须认真做好设计前的准备工作。 典型过程控制系统设计33 2立项报告的设计立项报告的设计 1 1）系统控制方案的论证与确定；系统控制方案的论证与确定； 2 2） 说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据；说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据； 3

42、3）说明设计的分工范围说明设计的分工范围 ； 4 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 的采用情况等的采用情况等 ; ; 5 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 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

43、的办法等；问题及解决的办法等； 7 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. . 典型过程控制系统设计34 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。部分。 现以常规仪表控制系统和集散控制系统（现以常规仪表控制系统和集散控制系统（DCSDCS）为例，简要介绍施工图）为例，简要介绍施工图 的设计内容。的设计内容。

44、1常规仪表控制系统施工图的设计常规仪表控制系统施工图的设计 （1） 图纸目录图纸目录; （2） 说明书说明书; （3） 设备汇总表设备汇总表; （4） 设备装置数据表设备装置数据表; （5） 材料表材料表 ; （6） 连接关系表连接关系表; （7） 测量管路和绝热、伴热方式表测量管路和绝热、伴热方式表; （8） 铭牌注字表铭牌注字表; （9） 信号原理图信号原理图; （10）平面布置图平面布置图; （11） 接线（管）图接线（管）图; （12）空视图空视图 ; （13） 安装图安装图; （14）工艺管道和仪表流程图工艺管道和仪表流程图; （15） 接地系统图接地系统图; （16）任选图的设计任

45、选图的设计;（略）。（略）。 典型过程控制系统设计35 2集散控制系统（集散控制系统（DCS）施工图的设计）施工图的设计 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）施工图的设计内容主要有：）施工图的设计内容主要有： （1） 文件目录文件目录; （2）集散控制系统技术规格说明书集散控制系统技术规格说明书; （3） 集散控制系统集散控制系统I/O表表; （4）连锁系统逻辑图连锁系统逻辑图; （5） 仪表回路图仪表回路图; （6）控制室布置图控制室布置图; （7） 端子配线图端子配线图; （8）电缆布置图电缆布置图; （9） 仪表接地系统图仪表接地系统图; （10）集散控制系统监控数据表集散控制系统

46、监控数据表; （11）集散控制系统配置图集散控制系统配置图; （12）端子（安全栅）柜布置图端子（安全栅）柜布置图; （13）机房设计机房设计; （14）集散控制系统组态文件的设计集散控制系统组态文件的设计; 典型过程控制系统设计36 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，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，也甚至会造成安全事故。所以，分析干扰的来源，采取相

47、应的消除措施，也 是工程化设计的一项重要内容是工程化设计的一项重要内容。 仪表及控制系统的干扰主要来自以下几个方面：仪表及控制系统的干扰主要来自以下几个方面： 1电磁辐射干扰电磁辐射干扰; （1）电源引入线传输干扰电源引入线传输干扰; （2）信号引入线传输干扰信号引入线传输干扰; 3接地系统的干扰接地系统的干扰; 4系统内部干扰系统内部干扰. 2引入线传输干扰引入线传输干扰; 典型过程控制系统设计37 针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施：针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施： 1隔离隔离; 4避雷保护避雷保护; 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。在上述种种抗干扰措

48、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。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屏蔽屏蔽 ; 3滤波滤波 ; 典型过程控制系统设计38 接地系统的类型主要分为两类，即接地系统的类型主要分为两类，即保护性接地保护性接地和和工作接地工作接地。工作接地中。工作接地中 又可分为又可分为屏蔽接地屏蔽接地、本质安全接地本质安全接地和和信号回路接地信号回路接地。

49、（1）保护性接地保护性接地 （2）工作接地工作接地 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。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。全接地。 1 1） 信号回路接地是指由仪表本身结构所形成的接地和为抑制干扰而设信号回路接地是指由仪表本身结构所形成的接地和为抑制干扰而设 置的接地。置的接地。 2 2） 屏蔽性接地是指对电缆的屏蔽层、排扰线、仪表外壳、未作保护屏蔽性接地是指对电缆的屏蔽层、排扰线、仪表外壳、未作保护 接地的金属导线（管）、汇线槽以及强雷击区室外架空敷设的多芯电接地的金属导线（管）