典型化工设备自控讲义

1、典型化工设备自动化控制典型化工设备自动化控制自动控制概述 现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司间的激烈竞争，人工操作和一般的控制远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，它是保证现代企业安全、优化、低耗和高效生产的主要技术手段。 自 20 世纪 90 年代以来，计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由集散控制

2、系统 (DCS)发展到了现场总线控制系统 （FCS)。 自动化技术已在工业生产、科学技术和人们生活的各个领域中起到了关键的作用。已成为我国高科技的重要组成部分，在工业生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志。 过程控制控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有 三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性 。20 世纪 50 年代以前经典控制理论PID控制规律实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器20 世纪 80 年代以后自动化的实现工具也由 DCS 发展到了现场总线控制系统 现阶段，化工生产过程中主要存

3、在人工控制和自动控制两种控制状态，由于人工控制的诸多缺点，自动控制成为未来化工生产的必然。当前自动控制系统发展的一些主要特点 生产装置实施先进控制成为发展主流 过程优化受到普遍关注 传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 综合自动化系统（CIPS）是发展方向自动控制的基本方式 开环控制之一：按给定值的操纵，其操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化。控制装置设定值按设定值控制的开环系统开环控制之二：按扰动量进行控制，即所谓前馈控制，如图：在蒸汽加热器中，若负荷为主要干扰，如果使蒸汽流量与冷流体流量保持一定关系，当扰动出现时，操纵变量随之变化控制装置按扰动而控制的

4、开环系统闭环控制系统 系统的输出（被控变量）通过测量、变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制系统TTTC给定值自控系统的组成 过程控制：应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门的自动化 过程控制系统：自动控制系统的按被控制量分为温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值等的控制系统被控制量的自控过程1.液位控制系统 图中，检测变送器检测到水位高低，当水位高度与正常给定水位之间出现偏差时，调节器就会立刻根据偏差的大小去控制出

5、水阀，使水位回到给定值上。从而实现水位的自动控制。LTLC给定值2.温度控制系统它由蒸汽加热器、温度变送器、调节器和蒸汽流量阀组成。控制目标是保持出口温度恒定。当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时，通过温度仪表测得的变化，并将其信号送至调节器与给定值进行比较，调节器根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至调节阀，改变蒸汽量维持出口温度。进料蒸汽TTTC给定值蒸汽加热器温度控制系统它由管路、孔板和差压变送器、流量调节器和流量调节阀。控制目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时，流量将偏离设定值。利用孔板作为检测元件，把孔板上、下游的差压引至差压变送器，将流量差压

6、值转换成电流信号；该信号送至调节器与给定值进行比较，流量控制器根据偏差信号进行运算后将控制信号送至调节阀，改变阀门开度，就改变了流量，使流量维持在设定值上。3.流量控制系统FC流量控制系统自控系统的分类按系统的结构特点分类反馈控制系统前馈控制系统前馈反馈控制系统按给定值信号的特点分类定值控制系统：将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统随动控制系统：被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系数典型化工设备的自控 泵的自控 离心泵的自控 离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。 离心泵的控制大体有三种方法 1.

7、控制泵的出口阀门开度 改变泵出口阻力改变流量 2.控制泵的转速 图中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。 改变泵的转速控制流量 该方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但调速机构一般较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场合，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。 3.控制泵的出口旁路将泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量。 控制阀装在旁路上，压差大，流量小，因此控制阀的尺寸较小。 该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。 改变旁路阀控制流量往复泵的自控 往复泵多用于

8、流量较小、压头要求较高的场合，它是利用活塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。往复泵的自控主要有三种方案。1.改变原动机的转速 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速，进而控制往复泵的出口流量。 改变转速2.控制泵的出口旁路3.改变冲程s 改变旁路流量 该方案由于高压流体的部分能量要白白消耗在旁路上，故经济性较差。 往复泵的特性曲线 计量泵常用改变冲程s来进行流量控制。冲程s的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行的。 传热设备的自控化工生产的传热设备包括：换热器、再沸器、冷凝器、加热炉等 传热目的不同，被控变量不同。多数情况下，被控变量是温度

9、。 1. 控制载热体的流量换热器串级控制系统 如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统。 改变载热体流量控制温度利用控制载热体流量来稳定被加热介质出口温度的控制方案。采用传热基本方程式的工作原理。 2.控制载热体旁路流量用载热体旁路控制温度 采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，可以改变进入换热器的载热体流量，还可以保证载热体总流量不受影响。 旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，因为在换热器内部流体阻力小的时候，控制阀前后压降很小，这样就使控制阀的口径要选得很大，而且阀的流量特性易发生畸变。 3.控制被加热流体自身流

10、量用介质自身流量控制温度只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。 4. 控制被加热流体自身流量的旁路用介质旁路控制温度 当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热器的传热面积有余量时，可将一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温度。 精馏塔的自控精馏塔的干扰因素精馏塔的物料流程图1.进料流量F的波动（）2.进料成分ZF的变化（）3.进料温度TF及进料热焓QF的变化4.再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量 的变化5.冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6.环境温度的变化 常见精馏塔的控制方案1.精馏塔的提馏段温控提馏段温控的控制方案示意图 如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而

11、以改变回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。（1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。（2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。 2.精馏塔的精馏段温控 如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。 精馏段温控的控制方案示意图精馏段温控的主要特点与使用场合： 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。 如果干扰首先进入精馏段

12、，采用精馏段温控就比较及时。 如采用精馏段温控或提馏段温控，当分离的产品较纯时，由于塔顶或塔底的温度变化很小，对测温仪表的灵敏度和控制精度都提出了很高的要求，但实际上却很难满足。解决这一问题的方法，是将测温元件安装在塔顶以下或塔底以上几块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温度作为被控变量。 3.精馏塔的双温差控制 用温差作为质量指标的间接变量,消除塔压波动对产品的影响.分别在加料板附近的精馏段和提馏段上选取温差信号T1和T2。将两温差信号相减后的信号作为控制器的测量信号。双温差控制方案TCLCFCLCFCFC进料量FWDVsT1T2T2T1化学反应器的自控釜式反应器的温度自动控制1.控制进料温度改变进

13、料温度控制釜温2.改变传热量 由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。 改变加热剂或冷却剂流量控制釜温固定床反应器的自动控制 固定床反应器是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。 改变进料浓度 改变进料温度 改变段间进入的换热量 改变进料浓度控制反应器温度用载热体流量控制温度用旁路控制温度用改变段间冷气量控制温度用改变段间蒸汽量控制温度系统的静态和动态以及过度过程 系统的静态和动态静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态 动态：被调量随时间变化，系统

14、处于不平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，使被调量偏离设定值过渡过程的基本形式发散振荡等幅振荡衰减振荡1衰减振荡2（单调过程）无振荡过程对控制系统的性能要求 动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长， 将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号； 系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后期的性能； 动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工 作状态的能力。快稳准单回路控制系统整定 调节器参数的整定 就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分时间和微分时间，使调节器与过程的

15、特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果。临界比例度法具体整定方法 在闭环的控制系统中，将调节器的Ti置最大，Td置零， 系统处于纯比例作用之下，在干扰的作用下，从大到小改变调节器的比例度，直到系统产生等幅振荡， 根据临界过程参数(即临界比例度k和临界振荡周期Tk)，按经验公式计算出调节器的各个参数值、Ti、Td。 将比例度调在比计算值略大一点， 积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线 逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止临界比例度法参数计算公式表衰减曲线法具体整定方法 在闭环控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零，

16、 使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定 用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度 直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度s，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts ，根据s、Ts，按经验公式计算出调节器的各个参数值s、Ts、Ti、Td。 将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、 Td分别置于计算值上， 观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，直至过渡过程曲线满意为止衰减曲线法调节器参数计算表经验法具体整定方法认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序 闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、取经验

17、数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间T i由大到小进行凑试，若曲线回复 时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到4:1 衰减振荡的过渡过程为止； 若系统需加入微分作用，应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td=(1/31/4)Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止 。调节器参数的