简单控制系统的投运

1、化工仪表及自动化课程教学课件化工仪表及自动化授课时间：第次课（2学时）教学目的：掌握简单控制系统的投运及操作中的常见问题教学重点：简单控制系统的投运教学难点：控制器正、反作用的判定方法教学过程：讲授教学内容：第十二章简单控制系统上节课知识回顾：12.1、由图可知，简单-控制系统有着共同的特征，它们均由四个 基本环节组成，即被控对象、测量变送器、控制器和执行器。对于不 同对象的简单控制系统，尽管其貝体装逍与变量不相同，但都可以川 相同的方块图來表示。这就便于对它们的共性进行研究。图12-3简单控制系统方块图12、2、被控变量的选择（掌握何谓被控变量；必须了解工 艺过程和工艺特点对控制的耍求，仔细

2、分析个变量之间的相互关系， 一般要遵循6项原则,见书p178）°12.3、操纵变量的选择（掌握操纵变量的定义；掌握选择操 纵变量的3项原则,见书p180）。12.4、控制器控制规律的选择及参数整定（掌握p、pi、pid 三种控制器的特点；掌握控制器的工程整立的3种基本方法：临界 比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）。本节课程内容引入：简单控制系统设计并按设计要求进行正确安装后，即可着手进行 控制系统的投运和控制器参数的整定工作。但如何投运是一项很巫要 的工作，尤其是对一些重要的控制系统更应重视。12.5.1、控制系统的投运经过控制系统设计、仪表调校、安装后，接下去的工作是控制系 统的投

3、运。所谓控制系统的投运，就是将系统山手动工作状态切换到 自动工作状态。这一过程是通过将控制器上的手动一h动切换开关从 手动位置切换到自动位置來完成的。控制器在手动位置时，控制阀接受的是控制器手动输出信号：当 控制器从于动仗置切换到白动位置时，将以口动输出信号代替于动输 出信号控制控制阀，此时控制阀接受的是控制器根据偏差信号的人小 和方向按一定控制规律运算所得的输出信号（称之为口动输出）o如果 控制器在切换之前，自动输岀与手动输出信号不相等，那么，在切换 过程屮必然会给系统引入扰动，这将破坏系统原先的平衡状态，是不 允许的。因此，要求切换过程必须保证无扰动地进行。也就是说，从 手动切换到自动的过

4、程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原 有的平衡状态，亦即切换过程中不能改变控制阀的原有开度。由于在化工牛产中普遍存在高温、高压、易燃、易爆、有毒等工 艺场合，所以在这些地方投运控制系统，操作人员会担一定的风险。12. 5. 1-1.投入运行前的准备工作自动控制系统安装完毕或是经过停车检修z后，都要（重新）投入 运行。在投运每个控制系统前必须要进行全面细致的检査和准备丁作。投运前，首先应熟悉工艺过程，了解主要工艺流程和对控制指标 的耍求，以及各种工艺参数之间的关系，熟悉控制方案，对测量元件、 调节阀的位置、管线走向等都要做到心中有数。投运前的主要检查工 作如下所述。 对组成控制系统的各组成

5、部件，包括检测元件、变送器、控制 器、显示仪表、控制阀等，进行校验检查并记录，保证其精确度要求, 确保仪表能正常的使用。 对各连接管线、接线进行检查，保证连接正确。例如，孔板上 下游导压管与变送器高低压端的正确连接；导压管和气动管线必须畅 通，不得中间堵塞；热电偶止负极与补偿导线极性、变送器、显示仪 表的正确连接；三线制或四线制热电阻的正确接线等。 如果采用隔离措施，应在清洗导圧管后，灌注流量、液位和压 力测量系统中的隔离液。 应设置好控制器的正反作用、内外设定开关等；并根据经验或 估算,预置ti,td参数值,或者先将控制器设置为纯比例作用，比 例度§置于较大的位置。 检查控制阀气开

6、、气关形式的选择是否正确，关闭控制阀的旁 路阀，打开上下游的截止阀，并使控制阀能灵活开闭，安装阀门定位 器的控制阀应检查阀门定位器能否正确动作。 进行联动试验，川模拟倍号代替检测变送倍号，检查控制阀能 否正确动作，显示仪表是否正确显示等；改变比例度、积分和微分时 间，观察控制器输出的变化是否正确。采用计算机控制时，惜况与采 用常规控制器时相似。12. 5. 1-2.控制器的正、反作用的确定方法（相关知识）如简单控制系统方块图12-3所示。从控制原理知道，对于一个 反馈控制系统來说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳立的，当系 统受到扰动时，英过渡过程将会是一个衰减过程；反z,如果系统是 止反馈，

7、那么系统是不稳定的，一旦遇到扰动作用，过渡过程将会发 散，在工业过程控制中，这种情况是不希望发生的。因此，一个控制 系统要实现正常运行，必须是一个负反馈系统，而控制器的正、反作 用方式决定着系统的反馈形式，所以必须正确选择。为了保证能构成负反馈，系统的开环放大倍数必须为负值，而系 统的开环放大倍数是系统中各个环节放大倍数的乘积。这样，只要事 先知道了过程对彖、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，再根据 系统开环放人倍数必须为负的耍求，就可以很容易地确处出控制器的 正、反作用。1. 系统中各环节正、反作用方向的规定在控制系统方块图中，每一个环节（方框）的作用方向都可用该环 节放大系数的正、负來表

8、示。如作用方向为正，可在方框上标“ + ”； 如作用方向为负，可在方框上标“一”。控制系统中各环节的作用方向（增益符号）是这样规定的：当该环 节的输入信号増加时，若输出信号也随之増加，则该环节为正作用方 向；反z,当输入增加时，若输出减小，即输出与输入变化方向和反, 则为负作用方向。（1）被控对象环节。被控对彖的作用方向，则随具体对象的不同 而各不相同。当过程的输入（操纵变量）增加时，若其输出（被控变量） 也増加则属丁止作川，取“+”；反之则为负作用，取“一”号。（2）执行器环节。对于控制阀，其作用方向取决于是气开阀还 是气关阀。当控制器输出信号（即控制阀的输入信号）增加时，气开阀 的开度増加

9、，因而流过控制阀的流体流量也增加，故气开阀是止方向 的，取“ + ”号；反之，当气关阀接收的信号增加时，流过控制阀的流 量反而减少，所以是反方向的，取“一”号。控制阀的气开、气关作 用形式应按其选择原则事先确定。（3）测量变送环节。对于测量元件及变送器，其作用方向一般 都是“正”的。因为当其输入量（被控变量）增加时，输出量（测量值） 一般也是増加的，所以在考虑整个控制系统的作川方向时，可以不考 虑测量元件及变送器的作用方向，只需要考虑控制器、执行器和被控 对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。因此 该环节在判别式中并没有出现。（4）控制器环节。由丁控制器的输出取决于被控变量的

10、测量值 与设处值之差，所以被控变量的测量值与设能值变化时，対输出的作 用方向是和反的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当设立值不 变、被控变量的测量值增加时，控制器的输岀也增加，称为“正作用”, 或者当测量值不变、设定值减小时，控制器的输出增加的称为“止作 用”,取“ + ”号；反之,如果测量值增加（或设定值减小）时,控制器 的输出减小的称为“反作用”，収“一”号。这一规定与控制器生产厂 的正、反作用规定完全一致。2. 控制器正、反作用方式的确定方法山前述可知，为保证使鉴个控制系统构成负反馈的闭环系统，系 统的开环放大倍数必须为负，即（控制器土）x （执行器土）x （被控对象土）二 a _

11、”确定控制器正、反作用方式的步骤如下； 根据工艺安全性要求，确定控制阀的气开和气关形式，气开 阀的作用方向为正，气关阀的作用方向为负； 根据被控对象的输入和输出关系，确定其止、负作川方向； 根据测量变送环节的输入，输出关系，确定测量变送环节的 作川方向； 根据负反馈准则，确定控制器的止、反作用方式。例如，在锅炉汽包水位控制系统屮，为了防止系统故障或气源 中断时锅炉供水中断而烧干爆炸，控制阀应选气关式，符号为“一”; 当锅炉进水量（操纵变量）增加时，液位（被控变量）上升，被控对象符 号为“ + ”；根据选择判别式，控制器应选择止作川方式。如图12-23 所示。乂如，换热器出口温度控制系统，为避免

12、换热器因温度过高或温 差过大而损坏，当操纵变量为载热体流量时，控制阀选择气开式，符 号为" + ”；在被加热物料流量稳定的情况下,当载热体流量增加时， 物料的出口温度升高，被控对象符号为“ + ”。则控制器应选择反作用 方式。如图12-2所示。我热体图12-23锅炉水位控制系统图12-2换热器出口温度控制系统再如，对于精懈塔塔顶温度控制系统，为保证在控制系统出现 故障时塔顶係出物的产品质量，当以塔顶绸出物冷凝液的回流量作操 纵变量时，其回流量控制阀应选择气关式，符号为“一”；当回流量增 大时，塔顶温度将会降低，被控过程符号为“一”。因此，控制器应选 择反作用方式。如图12-4所示。图

13、12-4精饰塔塔顶温度控制系统图12-1储槽液位控制系统而对于以进料量为操纵变量的储槽液位控制系统，从安全角度考 虑，选择气开阔，符号为“十”：进料阀开度增加，液位升高，因此被 控对彖为止作用，符号为“ + ”。所以为保证负反馈，控制器应选择为 反作用方式（如操纵变量是出料量，同样选择气开阀，即符号为“ + ”； 但因出料阀开度增加，液位下降，因此，被控对象为负作用，符号为 “一”，则应选正作用控制器。如图12-1所示。练习：如图所示为加热炉，工艺对炉出口温度冇较窩要求， 试组成加热炉温度简单控制系统。 、画出加热炉温度控制系统控制方案； 、选择控制阀气开、气关形式； 、选择控制器作川方向和控

14、制规律； 、画出控制系统方块图； 、简述当进料突然增加时系统的控制过程。加(3)控制器反作用,温度控制系统方块图(5) 当工艺介质流量突然增犬时，加热炉出口温度降低，测量变送信号 输出减小，反作用的控制器输出增大，气开控制阀开大，燃料流量增 加，炉出口温度上升。经系统反复调节，加热炉出口温度回到给定值 ±o反之亦然。12. 5. 1-3.控制系统的投运合理、正确地常握控制系统的投运，使系统无扰动地、迅速地进 入闭环，是工艺过程平稳运行的必要条件。对控制系统投运的唯一要 求，是系统平稳地从手动操作转入口动控制，即按无扰动切换(指手、 白动切换时阀上的信号基本不变)的要求将控制器切入b动

15、控制。控制系统的投运应与工艺过程的开车密切配合，在进行静态试年 和动态试午的调试过程中，对控制系统和检测系统进行检查和调试。 控制系统各组成部分的投运次序一般如下所述。(1)检测系统投运。温度、压力等检测系统的投运比较简单，可 逐个开启仪表和检测变送器,检查仪农显示值的正确性。流量、液位 检测系统应根据检测变送器的开车要求，从检测元件的根部开始，逐 个缓慢地打开有关根部阀、截止阀等（要防止变送器受到压力冲击）， 立到显示正常。（2）控制系统投运。应从手动遥控开始，逐个将控制回路过渡到 自动操作，应保证无扰动切换。手动遥控（调节阀的投运）o手动遥控阀门实际上是在控制室中 的人工操作，即操作人员在

16、控制室中，根据显示仪表所示被控变量的 情况，直接开关控制阀。手动遥控时，h于操作人员可脱离现场，在 控制室中用仪表进行操作，因此很受人们的欢迎。在一些比较稳定的 装置上，手动遥控阀门应用较为广泛。图12-17控制阀安装示意图在开车时，先进行现场手动操作，即先将图12-17屮控制阀前后 的切断阀1和2关闭，打开旁路阀3,观察测量仪表能否止常工作。 待工况稳定后，被控变量稳定在设定值附近时，然后进行旁路阀-控 制器手动遥控切换，转入控制室内手动遥控控制阀。英操作顺序如下:用手动定值器、手操器或控制器的手动操作方式调整作用于控 制阀上的信号p至一个适当数值；打开上游阀门1,再逐步打开下游阀门2,在逐

17、渐关闭旁路阀3 的同时，相应地逐渐启动调节阀以保持流量尽量不变化；观察仪农的指示值，改变手操输出，使被控变量接近设处值， 此时，表示阀的开度合适，可以向口动切换了。手动遥控阀门和控制器的手动、自动切换操作都是在控制器面板 上进行的。如图12-29所示，手、白动切换开关置于软手动m位置（或 者硬手动ii位置），用手动增加键（或减少键）改变手动输出电流，并由 输出指示表显示输出信号（阀位示值）百分值的大小。为了防止谋操作, 软手操设有慢速和快速两挡。慢速挡全行程时间为100s；若继续往里 按，为快速挡，全行程时间为6 s,输出变化很快。用控制器的手动 输出电流控制控制阀的开关，改变操纵变最，并尽量

18、使被控变量接近 工艺设定值，当生产过程比较稳定h扰动较小时，即可投入自动。投入自动（控制器的手动和自动切换）o控制器的手动操作平稳 后，被控变量接近或等于设定值。将内、外设定选择廿关扳向内给处 位置，然后拨动内给定旋钮使偏茅为零：设置pid参数后即可将控制 器rti手动状态切换到自动状态。至此，初步投运过程结束。但此时控 制系统的过渡过程不一定满足要求，这时需要进一步调整和几 三个参数。育关控制系统的参数整定方法前面已详细介绍过。1 一内设定指示.（黑针）；.2-测賦僖号指示（红针；3外设定指示灯；4一测量指示、设定指示标尺；5内设定拨盘；6硬手动h、软手动m、自动a切换开关；7-软手动増加、

19、减少键；8输出指示标尺；9一硬手动拨针；10输出指示图12-29dtz-2100s全刻度指示控制器面板示意图与控制系统的投运相反，当工艺生产过程受到较大扰动、被控变 量控制不稳定时，需要将控制系统退出自动运行，改为手动遥控，即 口动切向手动，这一过程也需要达到无扰动切换。12. 5. 2控制系统操作中的常见问题控制系统在投运以后及运行一段时间后，可能会岀现齐种齐样的 问题，这通常要从自动化装逬和工艺两方血去寻找原因。下血仅就控 制系统可能出现的儿个主要问题及解决的措施作简单的介绍。12. 5. 2-1.控制系统间的相互干扰及克服办法由于化工过程常常是用管道将一系列单元设备连接而成的，流经设 备和管道的物料又常是连续的。所以冇时尽管单个的控制系统设计的 非常完善，但投入运行后山于多个控制系统z间存在相互干扰而无法 正常运行。例书p187图12-18中精憾塔两个温度控制系统z间的相互干扰 及图12-19中压力和流量两个控制系统之间的相互干扰，还有一些 并联运行的设备之间的关联也很大，例如一个负荷分配系统（见图 12-20）,要消除这些控制系统z间的相互干扰，可以从工艺上考虑, 也可以从控制系统方而考虑。12. 5. 2-2.测量系统的故障及判别方法1. 记录曲线的分析比较2. 控制室仪