控制流程设计

1、化工流程的自动控制(PFD设计) 仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。化工流程自动化控制的优点：、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率；、保证化工流程安全、稳定的运行；、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；、降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响；“CAC”Computer Aided Control“CAO”Computer Aided Operation化工流程中经常需要控制的部分工艺变量（参数）：化工流程中经常

2、需要控制的部分工艺变量（参数）：温度 压力 流量液位搅拌转速PH值浊度、粘度、各种组份浓度对一个化工流程进行控制对一个化工流程进行控制人工控制人工控制仪表和计算机控制（自动控制）仪表和计算机控制（自动控制） 自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断决策、手动操作。决策、手动操作。计算机自动控制系统示意图计算机自动控制系统示意图化工过程（或化工设备）一次仪表二次仪表（物理量）（变送器）计算机控制装置

3、420mA05V执行机构（自控阀门）计算机自动控制系统仪表（一次和二次仪表）计算机控制装置动作机构（自控阀门）计算机主机（硬件、软件）A/D、D/A（模入、模出）控制软件（平台软件及二次开发的控制应用软件）序号名称符号序号名称符号1变送器4控制室仪表2就地安装仪表5孔板流量计3机组盘装仪表6转子流量计化工流程自控仪表的一些图形符号：化工流程自控仪表的一些图形符号：自控参量代号：T温度 F流量 P压力或真空度 L物位 C浓度 pH氢离子浓度A分析 V黏度 M搅拌转速自控功能代号：I指示 C控制 Q累积J记录 X信号 T调节L联锁 A报警 R人工遥控 表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统

4、，显示并控制该值。 表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。FIC101TI101例如：例如：5.1 化工流程自控控制的一些基本概念化工流程自控控制的一些基本概念一、自动控制术语一、自动控制术语TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水要求：热流股温度控制在8011、被控对象（被控过程、被控设备）TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。上述例子中，被控对象就是换热器。2、被控变量（被控参数）定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。定义：被控对象中需要保持规定数值的物

5、理量。上述例子中，热流股的温度。TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水3、控制变量（操纵变量）定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值的某个物理量。的某个物理量。上述例子中，加热蒸汽的流量。4、干扰变量（扰动变量）定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生变化的一些物理量。变化的一些物理量。上述例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水5、设定值与控制精度设定值被控变量的工艺规定

6、值。设定值被控变量的工艺规定值。（注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。）（注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。）控制精度设定值允许的波动范围。控制精度设定值允许的波动范围。上述例子中，热流股的温度要求控制在801。 80就是被控变量的设定值， 1就是对热流股温度的控制精度要求。对连续过程，设定值是一个定值对连续过程，设定值是一个定值温度（）时间80温度（）时间对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线）对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线）TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水6、控制偏差控制偏差被控变量的设定值与其实际测量值之差。控

7、制偏差被控变量的设定值与其实际测量值之差。上述例子中，热流股的温度要求控制在801。 如果实际检测为80.6，那么0.6 就是控制偏差。偏差在控制精度以内控制有效（成功控制），如偏差在控制精度以内控制有效（成功控制），如80.9 偏差在控制精度以外控制失控，如偏差在控制精度以外控制失控，如81.2 控制失效的原因有多种。控制失效的原因有多种。二、控制系统类型二、控制系统类型计算机自动控制系统计算机自动控制系统开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 TI换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水1、开环控制系统、开环控制系统人工预先给定蒸汽流量值计算机控制装置 TI换热器换热器冷流股热流股

8、加热蒸汽冷凝水 FI2、闭环控制系统、闭环控制系统TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水闭环控制系统作用原理：闭环控制系统作用原理： 通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向），通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向），反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。开环控制系统与闭环控制系统的几点显著区别：、闭环控制系统是按被控变量的检测值与其设定值的偏差去操纵（影响）控制变量； 而开环控制系统是按照控制变量本身的设定值或干扰变量的大小去操纵（影响）控制变量。、闭环控制系统在被控变量 控制装置 控制变量之间形

9、成了相互影响的回路。 即：控制变量可以改变到被控变量，反过来，被控变量的信息有可以指导控制变量的调节。 而开环控制系统不存在此相互影响的回路。、闭环控制系统必须有被控变量的检测，而开环控制系统可以没有被控变量的检测。化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法）关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法）普通固定PID算法；自校正PID算法；自适应控制算法；自校正控制算法；模糊（FUZZY）控制算法；专家控制系统算法； 在化工流程的实际控制中，经常遇到一些在化工流程的实际控制中，经常遇到一些干扰变量多

10、、大滞后干扰变量多、大滞后等问题，等问题，对控制回路的控制算法提出了挑战。对控制回路的控制算法提出了挑战。 5.2 化工单元操作常见的控制方案化工单元操作常见的控制方案一、离心泵出口流量控制一、离心泵出口流量控制1、离心泵出口单路流量控制、离心泵出口单路流量控制FICFIC情形1情形22、离心泵出口多支路流量控制、离心泵出口多支路流量控制FICFIC注意：注意：所有调节阀均应该水平安装，并保证其前后直管段长度；所有调节阀均应该水平安装，并保证其前后直管段长度；二、容器（釜）内液相温度控制二、容器（釜）内液相温度控制TIC蒸汽冷凝水疏水器情形一情形一二、容器（釜）内液相温度控制二、容器（釜）内液

11、相温度控制TIC蒸汽情形二情形二冷媒三、容器（釜）内压力控制三、容器（釜）内压力控制PIC蒸汽冷凝水K情形1，釜内真空度控制去真空泵PIC蒸汽冷凝水情形2，釜内正压控制放空压力气体蒸汽冷凝水PHIC碱酸四、容器（釜）内液相四、容器（釜）内液相PH值控制值控制LIC蒸汽冷凝水进料五、容器（釜）内液体的液位控制五、容器（釜）内液体的液位控制通过进料流股流率来控制容器内液体的液位六、复杂的串级控制六、复杂的串级控制TIC换热器换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水换热器复杂串级控制示意图换热器复杂串级控制示意图TITIFI七、化工流程中的间接测量与控制七、化工流程中的间接测量与控制问题描述： 一个真空蒸发

12、结晶的间歇过程，蒸发结晶釜内（釜总体积为6m3）为正丁醇水帕罗西盯物系，釜外加套采用1.3kgf/cm2的饱和蒸汽加热，系统真空度要求控制在72010mmHg，开始真空蒸发结晶前，首先一次性向釜内压入3m3的正丁醇水帕罗西盯均相物料（溶剂基水份含量质量百分数为23，起始温度为室温。），开启真空泵，待真空度稳定后，开始控制加热蒸汽流量进行升温蒸发，随着正丁醇水的馏出，釜内液位将下降，要求采用补加正丁醇的方式维持结晶釜内液位基本不变。当釜内水份含量降低到一定数值时，帕罗西盯开始结晶出来。整个过程为了保证晶体的成核与生长，还要求控制蒸发过程的蒸发速度，而且在出晶点时蒸发出的冷凝液要部分回流到结晶釜。

13、为了防止帕罗西盯的热降解，整个蒸发过程温度不能超过50。蒸发结晶终点控制在结晶釜内物料溶剂基水份含量质量百分数为0.6，然后泄掉系统真空，进行过滤、干燥、洗涤，得到帕罗西盯产品（晶体）。蒸汽冷凝水补加正丁醇冷凝器冷凝器结晶釜冷凝液收集器缓冲罐去真空泵分流器蒸发结晶流程示意图蒸发结晶流程示意图蒸汽冷凝水补加正丁醇冷凝器冷凝器结晶釜冷凝液收集器缓冲罐去真空泵分流器蒸发结晶带控制点的流程示意图蒸发结晶带控制点的流程示意图TILICPIC PI青霉素G钾盐来自酶再生罐去酶再生罐空气 真空泵排空缓冲罐溶解罐酶裂解反应器 过滤器 冷凝器蒸汽进无盐水冷水进冷水出热水进冷盐水回温水罐 真空泵排空 6APA 储罐升膜蒸发器 6APA 储罐 反应结晶器缓冲罐冷凝水收集罐分离器冷凝水进水NaOH水溶液无盐水热水罐冷盐水进冷水罐滤液罐盐水进HCl进盐水回6APA产品过滤器TIC101温水罐温水罐80热水进10冷水进（少量）TIC102碱进酶进青霉素水溶液裂解液热水回补水溢流排污FT102FPH101FT101PHIC101裂解反应器裂解反应器TI104LIC101FL101PIC101FP101KP101LI