第10章_过程控制系统实例

1、主要内容主要内容10.1 过程控制系统设计概述10.2 干燥过程的控制系统设计 10.3 电厂燃煤锅炉控制 10.4 选煤过程控制 第十章 过程控制系统实例10.1 过程控制系统设计概述-要求1) 安全性 -在整个生产过程中，确保人员设备的安全。通常采用参数越限报警、事故报警、连锁保护等措施加以保证。2) 稳定性 -系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内，能长期稳定运行的能力。 -准确性:系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小，使系统具有足够的控制精度。 -快速性:系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短。3) 经济性 -提高产品质量、产量的同时，降耗节

2、能，提高经济效益与社会效益。10.1 过程控制系统设计概述-步骤1.熟悉系统的技术要求或性能指标2.建立被控过程的数学模型 3.确定控制方案 4.根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合 5.实验验证 6.工程设计 7.工程安装 8.控制器的参数整定 10.1 过程控制系统设计概述-控制方案确定1.被控变量的选择 尽量选用对产品的产量和质量、安全稳定生产、经济运行等具有决定性作用、并且可以直接检测的工艺参数作为被控变量（直接变量）。被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测仪表的可行性、可靠性。 当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，应选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量对

3、直接变量应具有较高的控制灵敏度。 当直接变量不可测量时，往往可以采用推断控制获得实际取值。寻找与直接变量存在一定函数关系、可靠、容易测量的辅助变量。10.1 过程控制系统设计概述-控制方案确定2.控制变量的选择 两条通道的过程参数不一定相同，其对系统的影响也不一样。 干扰通道控制通道2.控制变量的选择-干扰通道特性对控制质量的影响1) 干扰通道静态增益Kf对控制质量的影响10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定KfKf越小越好越小越好, ,以减弱扰动对被控参数的影响；以减弱扰动对被控参数的影响；2) 干扰通道时间常数Tf对控制质量的影响一阶惯性环节的干扰通道传递函数为一个一阶惯性环节的干扰通

4、道传递函数为一个一阶滤波器一阶滤波器, ,其其时间常数时间常数TfTf越大越大, ,滤波能力越滤波能力越强强, ,扰动越扰动越易于克服易于克服。3) 干扰通道时延时间f对控制质量的影响干扰通道的纯滞后干扰通道的纯滞后, ,不影响不影响系统的控制质量。当干扰系统的控制质量。当干扰通道通道存在容量滞后存在容量滞后时时, ,将对系统克服扰动有益。将对系统克服扰动有益。当扰动位置离被控参数越近,扰动对它的影响越大。当扰动离被控参数越远即离调节阀越近,扰动对其影响越小,系统设计时,应使扰动作用点远离被控参数.2.控制变量的选择-干扰通道特性对控制质量的影响10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定4)

5、干扰进入系统的位置对控制质量的影响10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定2.控制变量的选择-控制通道特性对控制质量的影响1) 控制通道静态增益Ko对控制质量的影响 控制通道的放大系数控制通道的放大系数K K0 0越大越大, ,表示控制作用越灵敏表示控制作用越灵敏, , 克服扰动的效果愈好克服扰动的效果愈好; ; 最佳控制过程是最佳控制过程是K K0 0与与K Kc c 的乘积为常数的乘积为常数, ,调节器调节器K Kc c可调节，可调节，因此因此, ,选择控制通道的选择控制通道的K K0 0 适当大些。适当大些。 1)选择过程控制通道的放大系数K0 要适当大些; 时间常数T0要适当小些;

6、纯滞后时间 越小越好, 在有纯滞后的情况下, 与T0 之比小一些(小于1 ). 2) 选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小些; 时间常数Tf要大; 扰动引入系统的位置要远离控制过程; 容量滞后越大越有利控制 3) 广义过程选择参数时,应尽量设法把几个时间常数错开,使其中一个时 间常数比其它时间常数大得多,同时注意减小第二, 第三个时间常数. 4) 注意工艺操作的合理性经济性.oo10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定2.控制变量的选择-控制通道特性对控制质量的影响10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定3. 被控变量的检测与变送 测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等,易引入纯滞后

7、。使测量信号不能及时反映被控参数的实际值,引起测量动态误差,降低过程控制系统的控制质量。10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定4.执行器的选择 1）执行器的选型 综合考虑生产过程的特点、对执行器推力的需求、被控介质特性及安全 性等因素来确定执行器类型。2）气动执行器的气开、气关形式选择 控制器输出信号为零或气源中断时使生产过程处于安全状态； 在系统安全运行的条件下，综合考虑节能、控制便捷等因素。3）调节阀尺寸的选择 调节阀尺寸主要包括调节阀的开度和口径大小。 在正常运行条件下，一般要求调节阀开度处于15%85%之间。4）调节阀流量特性的选择 为保证系统总的开环增益在整个工作范围内都保持线性

8、、恒定,需要通 过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性。 确定调节阀的气开气关形式 气开（+），气关（-） 确定被控过程的正反作用 正（输入增加输出，+），反（-） 确定调节器的正反作用方式 正（输入增加输出，- -），反（+ +）系统的开环传递函数各个环节的静态放大系数极性相乘为正10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定5.控制器调节规律的选择-控制器正/反作用方式 1）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入D调节； 工艺容许有静差时，选用PD调节；工艺要求无静差时，选用PID调节。2）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选用P调节。3）控制通道时间

9、常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差，选用PI调节。4）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，简单控制系统 难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定5.控制器调节规律的选择-原则 sesTKsGo1)(oooo/To0.2，选用P或PI调节规律； 0.2o/To1.0，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其他控制方式。 10.1过程控制系统设计概述工程设计用图样资料和文件资料表达控制系统设计思想和实现过程，并能按图样进行施工。 主要内容：熟悉工艺流程、确定控制方案，完成工艺流程图和控制流程图绘制；在仪表选型的基础上完成有关

10、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；完成信号连锁系统的设计；完成仪表供电、供气关系图及管线平面图的绘制；完成有关的其他设备、材料的选用情况统计及安装材料表的编制；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。 10.1过程控制系统设计概述工程设计1）立项报告设计 控制方案以及电源、气源、仪表、控制室和仪表盘布置等的确定； 确定企业自身及其协作单位的设计任务分工； 说明设计依据及其在国内外同行业中的采用情况； 提供设备清单（价格、供货商等）、经费预算、参加人员等说明； 预测并分析系统的经济效益等。 具体步骤 2）施工图设计 系统实施的具体技术文件和图样资料，包括:图样

11、目录、说明书、设备汇总表、设备装置数据表、材料表、连接关系表、测量管路和绝热伴热方式表、信号原理图、平面布置图、接线图、空视图、安装图、工艺管道和仪表流程图、接地系统图等。10.1过程控制系统设计概述工程设计1）干扰的来源 电磁辐射干扰：雷电、无线电广播、电视、电网和电气设备产生， 空间分布范围大、强弱差异大、性质复杂。 引入线传输干扰：外部电磁波干扰和电力设备，产生电网感应电压和电 流，导致采用电网供电的工业控制机系统发生故障； 空间电磁辐射和共用信号仪表供电电源，在信号引入 线上产生电磁感应和电网干扰，引起I/O接口工作异 常和测量精度降低，甚至损坏元器件。 接地系统干扰：模拟地、逻辑地、

12、屏蔽地、交流地和保护地等。 接地系统混乱使大地电位分布不均，存在电位差，形 成环路电流，影响系统正常工作。 系统内部干扰：来自于系统内部元器件相互之间的电磁辐射。 控制系统的抗干扰和接地设计 10.1过程控制系统设计概述工程设计2）抗干扰措施 隔离：保证绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定； 采用尽量减少干扰对信号影响的布线方式； 采用隔离器件将供电系统与电气线路隔断。 屏蔽：用金属导体将被屏蔽的元件、电路、信号线等包围。 滤波：在信号线和地之间并接电容，减少共模干扰； 在信号两极间加装型滤波器，可减少差模干扰。 避雷保护：信号线穿在接地金属管内，或敷设在接地封闭的金属汇线槽 内，使因雷击

13、而产生的冲击电压与大地短接。 控制系统的抗干扰和接地设计 10.1过程控制系统设计概述工程设计3）接地系统设计 保护性接地方式：将电子设备的接地点与厂区电气系统接地网相连； 工作接地：若厂区电气系统接地网接地电阻较小、设备制造厂无特殊要求，工作接地直接与电气系统接地网相连；若电气系统接地网接地电阻较大或设备制造厂有特殊要求，则独立设置接地系统； 特殊要求接地方式：本质安全仪表应独立设置接地系统，并要求与电气系统接地网相距5m以上；同一信号回路、同一屏蔽层、各仪表回路和系统只能用一个（信号回路）接地点，各接地点之间的直流信号回路需隔离；仪表类型不同，信号回路的接地位置也不同。控制系统的抗干扰和接

14、地设计 10.1过程控制系统设计概述工程设计3）接地系统设计 接地体：埋入地中并和大地接触的金属导体。 接地线：用电仪表和电子设备的接地部分与接地体连接的金属导体。 接地电阻：接地体对地电阻和接地线电阻的总和。 保护性接地电阻一般为4，最大不超过10； 工作接地电阻根据设备制造厂要求和环境条件确定，一般 为14。而且工作接地的接地线应接到接地端子或接地 汇流排（25mm6mm铜条）。 控制系统的抗干扰和接地设计 对干燥后产品质量要求较高，水分含量不能波动太大,因而对干燥的温度要严格控制。温度波动小于 2 最好。由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固化, 不能用泵输送,采用高位槽的方法。.除去凝结

15、块等杂质.10.2 干燥过程的控制系统设计工艺要求工艺要求 干燥器的温度被控参数选择控制参数选择乳液流量q1(t) 旁路空气量q2 (t) 加热蒸汽量q3(t)影响干燥器温度的因素选其中任一变量作为被控参选其中任一变量作为被控参数数,均可构成温度控制系统均可构成温度控制系统10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 控制方案1-选择乳液流量作为控制变量 乳液流量是生产负荷,一般要求能保证产量稳定,若作为控制参数,则在生产工艺上不合理,所以不宜选为控制参数10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 调节换热器的蒸汽流量,以改变空气温度。由于换热器通常为一双容过程,时间常数大,此方案控制通道的滞后最大

16、,对于干燥温度的校正作用灵敏度最差。控制方案2-选择蒸汽量作为控制变量 10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 由于混合管道过长,存在管道传输滞后, 故控制通道事件滞后较大,对于干燥温度的校正的作用的灵敏度要差些。控制方案3-选择风量作为控制变量 10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 测量元件及变送器 被控温度在600度以下，选用铂热电阻温度计 为提高检测精度，应用三线制接法 配用温度变送器10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 调节阀 选气关形式的调节阀 选用对数流量特性的调节阀。 选择调节阀的公称直径和阀心直径尺寸。 根据过程特性与工艺要求,可选用PI或PID控制规律。 根据构成系

17、统负反馈的原则,确定调节器正反作用反向。 测量变送器：Km 为正调节阀为气关式：Kv 为负输入空气量增加,输出亦增加：Ko 为正选用正作用调节器：调节器Kc取负10.2 干燥过程的控制系统设计系统设计 控制规律选择10.3 电厂燃煤锅炉控制电厂生产过程10.3 电厂燃煤锅炉控制电厂生产过程控制要求 （1）锅炉控制 锅炉燃烧系统的控制：通过控制燃料量、送风量和引风量，使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷需要；使燃料量与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相匹配，以保持炉膛负压在一定的范围内。过热蒸汽系统的控制：维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不

18、超过允许的工作温度。锅炉汽包水位的控制：基于汽包内部的物料平衡关系，使给水量满足锅炉的蒸汽量需求（即负荷要求），并将汽包中水位维持在工艺允许范围内。10.3 电厂燃煤锅炉控制电厂生产过程控制要求 （2）单元机组的出力控制 要求单元机组的出力能快速适应负荷的需求。机组的出力大小由锅炉和汽轮机共同决定的。两者在适应负荷变化的能力上有差别： 锅炉从给水到形成过热蒸汽是一个惯性较大的热交换过程， 汽轮机从蒸汽进入到发出电能是一个反应相对较快的环节。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉汽包水位控制 影响变量给水量给水量：给水温度低于汽包内的饱和水温度，给水量变化会使汽包中气泡含量减少，导致水位下降。蒸汽用量

19、蒸汽用量：在燃料量维持不变条件下，蒸汽用量增加使汽包水位降低。但由于汽包的汽水混合特性，在蒸汽用量突然增加时，汽包压力会瞬时下降，使汽包内水的沸腾骤然加剧，水中气泡迅速增加，导致整个水位瞬间升高，形成虚假水位上升。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉汽包水位控制 控制方案被控量：汽包水位控制量：给水流量 干扰量：蒸汽用量调节阀：气关式10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉汽包水位控制 控制方案一：单冲量控制系统 蒸汽用量突然增加，应加大给水量以满足负荷需求；但由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发

20、生危险。不适用于负荷变动较大的情况。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉汽包水位控制 控制方案二：双冲量控制系统 将可测不可控干扰(蒸汽流量) 作为前馈引入单冲量控制系统，有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。本质为前馈反馈复合控制，给水量取决于汽包水位，还受蒸汽用量影响。 能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中水压等干扰因素造成波动不能及时抑制。10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉汽包水位控制 控制方案三：三冲量控制系统 引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。本质上是前馈串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。 10.3 电厂燃煤锅炉

21、控制锅炉燃烧过程控制 使燃料所产生的热量能够满足蒸汽负荷的需求；要保证燃烧的经济性和锅炉的安全性。 蒸汽压力控制系统。 负荷变化时，通过调节燃料量使蒸汽压力稳定。 经济燃烧控制系统。 燃料量改变时，按照一定的比例调节送风量，保证充分燃烧。 炉膛负压控制系统。 配合引风量与送风量，以保证炉膛压力稳定。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉燃烧过程控制 （1）蒸汽压力控制系统燃料量：燃料量增加，炉膛热负荷增加，汽包压力升高，汽轮机进汽阀开度不变时，主蒸汽压力升高。 空气量 过热蒸汽压力 通过控制燃料量来控制蒸汽压力波动，用于蒸汽负荷及燃料量波动较小情况。燃料量波动大时，为抑制燃料量自身扰动，用蒸汽压力燃

22、料量串级控制。电网负荷变化，改变汽轮机进汽阀开度，使汽轮机耗汽量发生突然改变，主蒸汽压力发生变化。10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉燃烧过程控制 （2）经济燃烧控制保持蒸汽压力的稳定，但空燃比通过两个控制器的正确动作而间接得到保证。 燃料量跟随蒸汽负荷变化而变化，为主流量；送风量为副流量。 在负荷发生变化时，送风量的变化落后于燃料量，会导致燃烧的不完全性。 负荷减少，通过LS，先减少燃料量，后减少空气量；负荷增加，通过HS，先增加空气量，再加大燃料量。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉燃烧过程控制 （2）经济燃烧控制上述方案不能保证始终保持最经济燃烧。因为：1）不同负荷下，两流量的最优化比值是不同的

23、；2）燃料成分和热值会变化；3）流量测量不够准确。根据烟气含氧量与蒸汽流量之间的近似关系，获得当前负荷条件下的烟气含氧量设定值。 氧含量成分控制器：根据最佳值对过剩空气量校正，使锅炉在不同负荷下始终处于最优过剩空气量下运行，保证锅炉燃烧的经济性最高，热效率最高。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉燃烧过程控制 （3）炉膛压力控制若炉膛负压太小，炉膛内热烟气甚至火焰会向外冒出，影响人员设备安全；若炉膛负压太大，冷空气会进入炉内，使热量损失增加，热效率降低。 炉膛压力略低于大气压力，保持在微负压（-2-8mmH2O）。 通过调节烟道引风机开度来改变引风量，维持炉膛负压一定。由于炉膛压力受到引风量和送风

24、量影响。特别是锅炉负荷变化比较大时，送风量变化会引起炉膛负压的较大波动。引入送风量作为前馈信号，与引风量单回路控制系统共同构成前馈反馈控制系统，从而有效维持引风量与送风量之间的平衡关系。 10.3 电厂燃煤锅炉控制锅炉燃烧过程控制 （4）安全保护系统燃烧嘴背压正常时，控制燃料给入量，维持主蒸汽压力稳定。燃烧嘴背压过高时，背压控制器通过低值选择器LS，减小燃料阀开度，降低背压，避免发生脱火。燃烧嘴背压过低时，由PSA系统带动联锁装置，切断燃料上游阀门，避免回火引发事故。 10.3 电厂燃煤锅炉控制过热蒸汽温度控制系统 采用减温器后蒸汽温度T2与过热蒸汽温度T1构成串级控制 1)炉跟机运行方式 1

25、0.3 电厂燃煤锅炉控制机炉协调控制系统 出力指令变化较小时，锅炉的蓄热能力可以满足快速反应需求。出力指令变化较大时，由于锅炉蓄热能力有限和锅炉大惯性特性，使主蒸汽压力波动较大，不能及时满足汽轮机负荷要求，不利于锅炉的安全运行。适用于参加电网调频的机组。 2)机跟炉运行方式 10.3 电厂燃煤锅炉控制机炉协调控制系统 主蒸汽压力比较稳定，但是由于没有充分利用锅炉的蓄热量和燃烧延迟，使机组对出力指令的响应缓慢，负荷适应性不好。适用于带基本负荷的机组上。 3)机炉协调控制 10.3 电厂燃煤锅炉控制机炉协调控制系统 有效抑制锅炉自身扰动引起的出力波动。当锅炉燃料量自发增加时，主蒸汽压力升高，通过锅

26、炉控制器减少燃料量，同时通过汽机压力控制器加大蒸汽控制阀开度，增加汽轮机进气量，从而迅速抑制主蒸汽压力的波动。10.4 选煤过程控制选煤-利用煤炭所具有的与其他矿物质不同的物理、物理化学性质，应用物理或化学方法将原煤中的灰分、硫分和矸石等杂质的含量降低，并加工成质量均匀、用途不同的成品煤的加工技术。 10.4 选煤过程控制选煤生产过程工艺流程 10.4 选煤过程控制选煤生产过程工艺流程 1）除去原煤中的杂质，降低灰分和硫分，提高煤炭质量，适应用户的需求。2）把煤炭分成不同质量、规格的产品，适应用户需要，以便合理有效地利用煤炭。3）去除煤炭中的矸石，减少无效运输。4）去除煤炭中大部分的灰分和50

27、-70的黄铁矿硫，减少燃煤对大气的污染。10.4 选煤过程控制跳汰机自动控制系统 1）分层过程。垂直升降的变速脉动水流是物料在跳汰机中按密度分层的主要动力。可以通过控制各空气室的进排气过程，达到控制脉动水流的目的。分层过程复杂，且密度层间的界限相对模糊，采用简单的PID控制器很难得到好的控制效果。2）产品分离（即排料）过程。根据床层状态控制排料时机，以降低错配物比例，减少精煤流失。排料过程对行进中物料的分层必然产生干扰，必须严密地监测密度分层状态的动态，实现排料和密度分层过程两者间的协调优化控制。 10.4 选煤过程控制跳汰机自动控制系统 1）床层松散度整个床层中孔隙体积占床层体积的百分比。松

28、散度小，床层跳动不起来，不能使物料按密度分层，导致分层状态变差；松散度大，床层跳动幅度太大，导致同性颗粒散乱，不利于分层或己分好层的床层受到破坏。2）床层密度理想分层状态是同一密度级物料无一例外地进入床层中某一特定的区域，床层由上到下，物料密度由低到高排列，相互间不发生污染。通常采用射线密度检测仪动态检测不同层面上的物料密度值。3）床层厚度影响床层分层。床层厚，则不易松散，对分层不利；床层薄时，脉动水流特性不能及时调整，会造成松散过度，使床层紊乱。通常采用浮标传感器测得。4）脉动水流参数床层脉动水流速度和加速度与床层松散度基本呈一定比例关系。5）水压、风压水压、风压大，使床层跳动有力，脉动幅度

29、高；但过大，不利于分层或使己分好层的床层受到破坏导致。采用压阻式压力变送器测量。10.4 选煤过程控制跳汰机自动控制系统 （1）给料量控制在排料控制基础上，利用排料量大小和煤质好坏来控制给煤量大小。其控制目的在于保证跳汰机内给煤量的稳定。 检测到的原煤粒度和排料量作为输入，确定给煤量给定值；然后通过改变变频调速器的频率，来控制电机，实现给煤机振动频率的调节，以跟踪给煤量给定值的变化。 10.4 选煤过程控制跳汰机自动控制系统 （2）风水控制根据给煤粒度、密度和给煤量来确定给水量的给定值，通过控制总水门电磁阀开度，来实现给水量的自动控制。根据床层密度、床层厚度和给煤量来确定给风量的给定值，通过调节总风门开度大小，使风箱内风压稳定，实现给风量的自动调节。 10.4 选煤过程控制跳汰机自动控制系统 （3）排料控制将跳汰床层按密度分层的物料，沿某一层位分离成轻、重两个产品。通常包含矸石段和中煤段两段排料控制。 根据跳汰床层底流层的厚度，通过控制器调节排料叶轮的转速，实现跳汰机排料量的控制，达到稳定跳汰机床层的目的。通常，床层厚度通过浮标传感器来检测；控制器的输出控制作用通过改变晶闸管的导通角，调节直流电机的励磁电流，驱动排料叶轮改变转速。 10.4 选煤过程控制重介质选煤监测与控制