过程装备控制技术与应用课件.

1、 1、类型：、类型：气动、电动气动、电动 2、结构型式和材质：、结构型式和材质： 根据工艺介质的性质和工艺要求选择。根据工艺介质的性质和工艺要求选择。 3、气开、气关型式的选择气开、气关型式的选择： 从生产安全的角度考虑，保证设备和操作人员的安全。从生产安全的角度考虑，保证设备和操作人员的安全。 4、流量特性的选择：、流量特性的选择： （1）根据对象特性，确定工作流量特性；）根据对象特性，确定工作流量特性； （2）根据配管情况，确定理想流量特性；）根据配管情况，确定理想流量特性； 5、口径的计算、口径的计算 要求容器内压力不能过高，要求容器内压力不能过高，失气时进口阀失气时进口阀1处于处于“关

2、关”位置安全，故进口阀位置安全，故进口阀1选选气开气开阀；阀； 要求容器内压力不能过高，要求容器内压力不能过高，失气时出口阀失气时出口阀2处于处于“开开”位置安全，故出口阀位置安全，故出口阀2选选气关气关阀。阀。进口阀进口阀1出口阀出口阀2 调节阀气开、气关形式的选择主要是调节阀气开、气关形式的选择主要是考虑考虑工艺过程的安全要求工艺过程的安全要求，即当过程，即当过程控制系统发生故障，如气源中断、控控制系统发生故障，如气源中断、控制器或调节阀损坏时，调节阀应处于制器或调节阀损坏时，调节阀应处于什么状态才是安全的。什么状态才是安全的。 在选择调节阀气开、气关形式时，应考虑以在选择调节阀气开、气关

3、形式时，应考虑以下情况：下情况：考虑事故状态时调节阀所处的状态不致影响人考虑事故状态时调节阀所处的状态不致影响人身、工艺设备的安全。身、工艺设备的安全。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑介质的性质，防止事故状态下物料结晶、考虑介质的性质，防止事故状态下物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。备。 通常，选择调节阀气开、气关形式的原则是通常，选择调节阀气开、气关形式的原则是不使物料进入或流出设备或装置。不使物料进入或流出设备或装置。 下面是几个常用选择规则：下面是几个常用选择规则：进入设备

4、或装置的原料或热源应切断，因此，选进入设备或装置的原料或热源应切断，因此，选择进料阀为气开阀。择进料阀为气开阀。设备或装置的出料应切断，因此，选择出料阀为设备或装置的出料应切断，因此，选择出料阀为气开阀。气开阀。特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因此，选择保位阀。此，选择保位阀。 锅炉供水调节阀一般采锅炉供水调节阀一般采用用气关式气关式，一旦事故发，一旦事故发生，可保证事故状态下生，可保证事故状态下调节阀处于全开位置，调节阀处于全开位置，使锅炉不致因水中断而使锅炉不致因水中断而烧干，甚至引起爆炸危烧干，甚至引起爆炸危险。险。 进加热炉的燃料气或进

5、加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采燃料油的调节阀应采用用气开式气开式，一旦事故，一旦事故发生，调节阀处于全发生，调节阀处于全关状态，切断进炉燃关状态，切断进炉燃料，避免炉温继续升料，避免炉温继续升高，烧坏炉管，造成高，烧坏炉管，造成设备事故。设备事故。 精馏塔的精馏塔的进料调节阀进料调节阀一一般选用般选用气开式气开式，这样，这样，在事故状态下调节阀关在事故状态下调节阀关闭，停止进料，以减少闭，停止进料，以减少原料损耗；原料损耗； 而而回流量调节阀回流量调节阀一般选一般选用用气关式气关式，在事故状态，在事故状态下使调节阀全开，保证下使调节阀全开，保证回流量，以防止不合格回流量，以防止不合格产品的

6、蒸出。产品的蒸出。 易结晶、易凝固物料的易结晶、易凝固物料的加热装置，蒸汽流量调加热装置，蒸汽流量调节阀需选用节阀需选用气关式气关式。一。一旦事故发生，使其处于旦事故发生，使其处于全开状态，保证有一定全开状态，保证有一定的温度，以防止物料结的温度，以防止物料结晶、凝固和堵塞。晶、凝固和堵塞。 控制器有控制器有正作用正作用和和反作用反作用两种方式，其两种方式，其确定确定原则原则是使整个控制系统构成负反馈系统。是使整个控制系统构成负反馈系统。 根据负反馈准则，要求控制系统开环总静态根据负反馈准则，要求控制系统开环总静态放大系数为正。放大系数为正。 简单控制系统由简单控制系统由被控过程、检测变送装置

7、、被控过程、检测变送装置、控制阀和控制器控制阀和控制器组成，要构成负反馈，则要组成，要构成负反馈，则要求求KoKmKvKc0。 组成控制系统的各环节组成控制系统的各环节静态放大系数静态放大系数的正负的正负由该环节输入输出之间的关系确定。由该环节输入输出之间的关系确定。当环节的输入增大（或减小）时，其输出也增大当环节的输入增大（或减小）时，其输出也增大（或减小），则该环节为正作用，它的静态放大（或减小），则该环节为正作用，它的静态放大系数为系数为正正。当环节的输入增大（或减小）时，输出减小（或当环节的输入增大（或减小）时，输出减小（或增大），则该环节为反作用，它的静态放大系数增大），则该环节为反

8、作用，它的静态放大系数为为负负。 开环总静态放大系数是各组成环节的放大系开环总静态放大系数是各组成环节的放大系数之积。因而，控制器正、反作用的确定与数之积。因而，控制器正、反作用的确定与被控过程、检测变送装置、控制阀的作用方被控过程、检测变送装置、控制阀的作用方式有关。式有关。 被控过程的正、反作用被控过程的正、反作用当被控过程的输入增大（或减小）时，其输出亦当被控过程的输入增大（或减小）时，其输出亦增大（或减小），此时称此被控过程为增大（或减小），此时称此被控过程为正作用正作用。正作用过程的静态放大系数正作用过程的静态放大系数Ko0。当被控过程的输入增大（或减小）时，其输出减当被控过程的输入

9、增大（或减小）时，其输出减小（或增大），此时称此被控过程小（或增大），此时称此被控过程反作用反作用。反作。反作用过程的静态放大系数用过程的静态放大系数Ko0。注意：注意：被控过程的被控过程的输入是指操纵变量输入是指操纵变量，即通过控，即通过控制阀的物料或能源的流量，制阀的物料或能源的流量，输出是被控变量输出是被控变量。 LCLTLCLT“正作用正作用”“反作用反作用”输入信号（操纵变量）：输入信号（操纵变量）：流入量流入量输出信号（被控变量）：输出信号（被控变量）：液位参数液位参数输入信号（操纵变量）：输入信号（操纵变量）：流出量流出量输出信号（被控变量）：输出信号（被控变量）：液位参数液位参

10、数 控制阀的正、反作用控制阀的正、反作用气开式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其气开式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其开度增大（或减小），调节阀的物料或能源的流开度增大（或减小），调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也增大（或减小），因此量（控制参数）也增大（或减小），因此气开式气开式调节阀为正作用，静态放大系数调节阀为正作用，静态放大系数Kv0。气关式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其气关式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其开度减小（或增大），调节阀的物料或能源的流开度减小（或增大），调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也减小（或增大），因此量（控制参数）也减小（或增大），因此气关

11、式气关式调节阀为反作用，静态放大系数调节阀为反作用，静态放大系数Kv0。 检测变送装置的正、反作用检测变送装置的正、反作用检测变送装置的输入是被控变量，检测变送装置的输入是被控变量，输出是测量值。输出是测量值。大多数检测变送装置的输入增大大多数检测变送装置的输入增大（或减小）时，其输出亦增大（或（或减小）时，其输出亦增大（或减小），故为减小），故为正作用正作用，静态放大系，静态放大系数数Km0。但也有例外的，差压变送器检测变但也有例外的，差压变送器检测变送液位如图所示连接时，若不作零送液位如图所示连接时，若不作零点迁移，则为反作用，静态放大系点迁移，则为反作用，静态放大系数数Km0。 控制器的

12、正、反作用控制器的正、反作用调节器的正、反作用是这样规定的：调节器的正、反作用是这样规定的：当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的输出亦增加（或减小），称为输出亦增加（或减小），称为正作用正作用控制器。控制器。当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的输出减小（或增大），称为输出减小（或增大），称为反作用反作用控制器。控制器。 调节器实际上包含了比较环节和控制环节。调节器实际上包含了比较环节和控制环节。控制环节的真正输入是偏差（控制环节的真正输入是偏差（e=r-y），输出是），输出是控制作用。控制作用。控制环节的控

13、制环节的静态放大系数静态放大系数Kc是这样来确定的：是这样来确定的：输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出亦输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出亦增加（或减小），其静态放大系数增加（或减小），其静态放大系数Kc取正，取正，即即Kc0。输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出减输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出减小（或增加），其静态放大系数小（或增加），其静态放大系数Kc取负，即取负，即Kc0。 由于偏差由于偏差e等于给定值等于给定值x减去测量值减去测量值z，即，即exz，当给定值不变时，测量值增加（或减小）时，当给定值不变时，测量值增加（或减小）时，偏差将减小（或增加）。偏差将减小（或增加

14、）。由此有，由此有，正作用控制器正作用控制器的静态放大系数的静态放大系数Kc为负，为负，即即Kc0；反作用控制器反作用控制器的静态放大系数的静态放大系数Kc为正，为正，即即Kc0。 由于大多数检测变送装置的静态放大系数由于大多数检测变送装置的静态放大系数Km0，一般情况下无须判别。，一般情况下无须判别。 确定调节器正、反作用方式的确定调节器正、反作用方式的步骤步骤一般为：一般为：根据生产工艺安全等原则确定控制阀的气开、气根据生产工艺安全等原则确定控制阀的气开、气关形式。关形式。按被控过程特性，确定其正、反作用。按被控过程特性，确定其正、反作用。根据组成系统各环节的静态放大系数乘积必须为根据组成

15、系统各环节的静态放大系数乘积必须为正的原则来确定控制器的静态放大系数的符号，正的原则来确定控制器的静态放大系数的符号，据此再确定控制器的正、反作用方式。据此再确定控制器的正、反作用方式。校核。校核。 1、图示液位控制系统，操纵变量是图示液位控制系统，操纵变量是进料流量进料流量。 从安全角度考虑，应选择从安全角度考虑，应选择气开阀气开阀，Kv0； 进料阀开度增加，液位升高，过程增益进料阀开度增加，液位升高，过程增益K00； 为保证负反馈，为保证负反馈，K开开KcKvK0Km0，因，因此，应选择调节器增益此，应选择调节器增益Kc0，即选择调，即选择调节器为节器为反作用反作用。 可从信号流向来检验选

16、择的正确与否可从信号流向来检验选择的正确与否 若受干扰使液位升高：液位若受干扰使液位升高：液位 测量值测量值 调节器调节器为反作用，输出为反作用，输出 控制阀为气开阀，开度控制阀为气开阀，开度 进进料流量料流量 液位液位 。能实现负反馈控制，选择正确。能实现负反馈控制，选择正确。 如图所示，如果检测变送器不如图所示，如果检测变送器不作迁移，同时，安装了冷凝容作迁移，同时，安装了冷凝容器，则液位升高时，检测变送器，则液位升高时，检测变送器的输出反而减小，采用这种器的输出反而减小，采用这种安装方式时检测变送器的增益安装方式时检测变送器的增益Km0。 这时如果使用进料阀控制液位，这时如果使用进料阀控

17、制液位，应选择正作用调节器。应选择正作用调节器。 2、图示液位控制系统，操纵、图示液位控制系统，操纵变量是变量是出料流量出料流量。从安全角度考虑，应选择从安全角度考虑，应选择气气关阀关阀，Kv0；出料阀开度增加，液位下降，出料阀开度增加，液位下降，过程增益过程增益K00；为保证负反馈，为保证负反馈，K开开KcKvK0Km0，因此，应，因此，应选择调节器增益选择调节器增益Kc0，即，即选择调节器为选择调节器为反作用反作用。 校核。校核。TC燃料气燃料气加热炉出口温度控制加热炉出口温度控制“正正”气开气开“正正”“反反”（1）确定阀的气开、气关型式：确定阀的气开、气关型式：失气时阀处于失气时阀处于

18、“关关”位置安全，位置安全，选选气开阀气开阀，为，为“正作用正作用”方向，方向，即即 Kv0；（2）确定被控对象的正反作用：）确定被控对象的正反作用：燃料阀开大，燃料流量增大，被燃料阀开大，燃料流量增大，被控变量炉出口温度增大，故对象控变量炉出口温度增大，故对象是是“正作用正作用”方向，即方向，即 K00 ；（3）确定调节器的正反作用：确定调节器的正反作用：为为保证负反馈，保证负反馈，K开开KcKvK0Km0，因此，应选择调节器增益因此，应选择调节器增益Kc0，即选择调节器为即选择调节器为“反作用反作用”。（4）校核：）校核：T反作用反作用TC输出输出气开阀气开阀关小燃料气阀门关小燃料气阀门T

19、T T反作用反作用TCTC输出输出气开阀气开阀开大燃料气阀门开大燃料气阀门T T冷物料的流量冷物料的流量 TC燃料气燃料气原料原料“正正”“正正”“反反”“正正”气开气开“正正”LC液位控制液位控制（2）确定被控对象的正反作用：）确定被控对象的正反作用：阀门开大，出口流量增大，被控变阀门开大，出口流量增大，被控变量液位降低，故对象是量液位降低，故对象是“反作用反作用”方向，即方向，即 K00 ；（3）确定调节器的正反作用：）确定调节器的正反作用：为保为保证负反馈，证负反馈，K开开KcKvK0Km0，因，因此，应选择调节器增益此，应选择调节器增益Kc0 ；L正作用正作用LC输出输出气开阀气开阀开

20、大阀门开大阀门L“反反”1、选择依据选择依据： 保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。2、各环节的符号规定（作用方向）各环节的符号规定（作用方向）： 所谓所谓作用方向作用方向，就是指输入变化后，输出的变化，就是指输入变化后，输出的变化方向。方向。 当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为该环节为“正作用正作用”方向（取方向（取“”）； 反之，当环节的输入增加时，输出减少的称反之，当环节的输入增加时，输出减少的称“反反作用作用”方向（取方向（取“”） 。（1）被控对象被控对象：当操纵变量增加时，

21、被控变：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于量也增加的对象属于“正作用正作用” （取（取“”）的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于低的对象属于“反作用反作用” （取（取“”）的。的。LCLTLCLT“正作用正作用” （“”）；“反作用反作用” （“”）；（2）控制阀控制阀：当控制器输出信号：当控制器输出信号（即执行器的输入信号）增加时，（即执行器的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故流体流量也增加，故气开阀是气开阀是“正正”方向（取方向（取“”）；反之，由于当；反之，由于当气关

22、阀气关阀接收的信号增加时，流过阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是的流体流量反而减少，所以是“反反”方向（取方向（取“”）。（3）控制器控制器：当给定值不变，被控变：当给定值不变，被控变量测量值增加时控制器的输出也增加，量测量值增加时控制器的输出也增加，称为称为“正作用正作用”方向（取方向（取“”），或，或当测量值不变，给定值减小时，控制器当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为的输出增加的称为“正作用正作用”方向（取方向（取“”）；反之，如果测量值增加（或；反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的给定值减小）时，控制器的输出减小的称为称为“反作用反

23、作用”方向（取方向（取“”）。正负号规定：正负号规定：控制阀：气开，气关控制阀：气开，气关控制器：正作用，反作用控制器：正作用，反作用对象：控制阀流量增大时被控量增大，反之为对象：控制阀流量增大时被控量增大，反之为变送器：通常为变送器：通常为控制器正反作用方式选择：控制器正反作用方式选择：控制器控制器控制阀控制阀对象对象变送器变送器（1）先确定控制阀的气开、气关型式）先确定控制阀的气开、气关型式（阀的符号）；（阀的符号）；（2）根据被控对象的特性，确定其正反）根据被控对象的特性，确定其正反作用方向（对象的符号）；作用方向（对象的符号）；（3）根据整个控制系统为一个具有）根据整个控制系统为一个具

24、有负反负反馈馈的闭环系统的原则（各环节符号的乘积的闭环系统的原则（各环节符号的乘积必须为必须为“”，控制器控制器控制阀控制阀对象对象变送器变送器 ），确定控制器的正反作），确定控制器的正反作用（控制器的符号）；用（控制器的符号）；（4）校核。）校核。TC燃料气燃料气加热炉出口温度控制加热炉出口温度控制“正正” “”气开气开“正正” “”“反反” “”（1）确定阀的气开、气关型式：确定阀的气开、气关型式：失气时阀处于失气时阀处于“关关”位置安全，位置安全，选气开阀，为选气开阀，为“正作用正作用”（“”）方向方向；（2）确定被控对象的正反作用：）确定被控对象的正反作用：燃料阀开大，燃料流量增大，被

25、燃料阀开大，燃料流量增大，被控变量炉出口温度增大，故对象控变量炉出口温度增大，故对象是是“正作用正作用” （“”）方向；方向；（3）确定调节器的正反作用：确定调节器的正反作用：为为保证负反馈保证负反馈（各环节符号的乘积必（各环节符号的乘积必须为须为“”），应选择调节器为，应选择调节器为“反作用反作用”（“”）。）。（4）校核：）校核：T反作用反作用TC输出输出气开阀气开阀关小阀门关小阀门T 1、被控变量的选择；、被控变量的选择； 直接指标：直接指标： 间接指标：间接指标： 2、操纵变量的选择，控制方案的确定；、操纵变量的选择，控制方案的确定； 影响被控变量的因素。影响被控变量的因素。 3、过程

26、检测控制仪表的选用；、过程检测控制仪表的选用； （1）测量元件及变送器：）测量元件及变送器： （2）调节阀：）调节阀： 根据生产安全原则及被控介质特点，选气开、气关阀。根据生产安全原则及被控介质特点，选气开、气关阀。 根据过程特性与控制要求选用对应流量特性的调节阀。根据过程特性与控制要求选用对应流量特性的调节阀。 根据被控介质流量选择阀的口径。根据被控介质流量选择阀的口径。 （3）调节器：）调节器： 根据过程特性与工艺要求，可选用控制规律。根据过程特性与工艺要求，可选用控制规律。 根据构成系统负反馈原则，确定调节器的正、反作用。根据构成系统负反馈原则，确定调节器的正、反作用。 在过程控制系统方

27、案设计、设备选型、在过程控制系统方案设计、设备选型、安装调校就绪后，下一步要进行的工作安装调校就绪后，下一步要进行的工作就是就是系统的投运与调整、整定系统的投运与调整、整定。 工艺过程及要求工艺过程及要求 被控被控变量变量选择选择 操纵变量操纵变量选择选择 过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用 如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。高高位位槽槽过滤器过滤器干干燥燥器器产品产品鼓鼓风风机机换热器换热器旁路旁路风管风管风管风管蒸汽蒸汽fFfqfPn已浓缩的奶液从已浓缩的奶液从储槽流下

28、，经过储槽流下，经过滤后从干燥器顶滤后从干燥器顶部喷出。干燥空部喷出。干燥空气被加热后经风气被加热后经风管吹入干燥器。管吹入干燥器。滴状奶液在热风滴状奶液在热风中干燥成奶粉，中干燥成奶粉，并被气流带出干并被气流带出干燥器。燥器。 直接指标：直接指标：产品质量产品质量（水分含量）（水分含量） 水分含量反映产品质量，是主要的工艺技术指标。水分含量反映产品质量，是主要的工艺技术指标。 由于产品水分含量测量十分困难，且测量精度不高。由于产品水分含量测量十分困难，且测量精度不高。 试验发现，奶粉含水量与干燥器温度之间存在单试验发现，奶粉含水量与干燥器温度之间存在单值关系。出口温度稳定在值关系。出口温度稳

29、定在1502，则奶粉含，则奶粉含水量符合水量符合2%2.5% 。 间接指标：间接指标：干燥器的温度干燥器的温度 根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度有根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度有密切相关，因而选密切相关，因而选干燥器的温度为被控参数干燥器的温度为被控参数（间接参（间接参数）。数）。n乳化液流量乳化液流量f1n旁路冷风量旁路冷风量f2n加热蒸汽量加热蒸汽量f3n选其中任一变量作选其中任一变量作为操纵变量，均可构为操纵变量，均可构成温度控制系统，即成温度控制系统，即可以得到三个不同的可以得到三个不同的控制方案。控制方案。高高位位槽槽过滤器过滤器干干燥燥器器产品产品鼓鼓风风

30、机机换热器换热器旁路旁路风管风管风管风管蒸汽蒸汽f1f2f3三、控制参数选择，控制方案的确定三、控制参数选择，控制方案的确定n影响干燥器温度的主要影响干燥器温度的主要可控可控因素因素有：因素因素有：影响量作用的位置不同：影响量作用的位置不同：f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道送风管道 =3干燥器干燥器 Go乳液流量变化乳液流量变化f1的作的作用通道最短；旁路冷风流用通道最短；旁路冷风流量变化量变化f2的作用通道增加了的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量秒的滞后；加热蒸汽流量变化变化f3的作用通道又增加了的作用通道又增加了两个两个100秒的双容滞后。秒的双容滞后。干干燥燥器器f1f2f3q控制方案：控制方案：方案方案1：取乳化液流取乳化液流量为操纵变量（调节阀量为操纵变量（调节阀1） v控制通道最短控制通道最短f3f2