第八章 典型工业过程控制

第八章典型工业过程控制过程控制及仪表

盐城工学院学习目标第八章典型工业过程控制了解DCS控制系统基本概念熟练掌握球磨机控制一般方法熟悉精馏过程控制系统盐城工学院8.1精馏过程控制系统8.2水泥生产过程自动控制系统8.3磨机的控制本章内容盐城工学院B，xBvF，zf蒸汽LD，xD进料馏出液冷剂回流釜液工艺简介精馏过程---将组分复杂的混合物通过传热、传质分离成纯度相对较高的单一化工产品的过程

原理-----利用混合物中各组分相对挥发度不同，在一定的温度、压力下通过蒸发与冷凝，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离。

8.1精馏过程控制系统精馏过程广泛应用于石油加工、化工、精细化工和轻工生产过程中。随着工业生产的不断发展，对产品质量的要求越来越高，对精馏过程而言就是对产品的纯度要求不断提高，这就对控制精度提出了更高的要求，由于精馏过程为多输入、多输出对象，被控参数之间有着比较复杂的关联关系，需要从系统工程的角度相互协调，统一考虑，因此控制系统较为复杂。由于精馏过程的自动控制极为重要且有一定难度，国内外许多专家都在从事这方面的研究。

板式塔精馏装置的工艺过程为：原料液加入精馏塔中部的某一层塔板，该层塔板称为加料板。加料板将分成两部分：上部进行着蒸汽中易挥发组分的增浓，称为精馏段；下部（包括加料板）进行着液体中难挥发组分的提浓，称为提馏段。提馏段底部液体一部分被不断排出，作为塔底产品收集，一部分经再沸器加热汽化后重新送入塔中。塔顶蒸汽经冷凝器冷凝后，一部分作为塔顶产品排出，一部分回流入塔。显然，精馏塔的作用是使塔中上升汽流与下降液流充分逆流接触，并多次进行热量和质量交换，最终在塔顶和塔底得到组分浓度符合质量要求的合格产品。B，xBvF，zf蒸汽LD，xD进料馏出液冷剂回流釜液盐城工学院精馏过程的控制要求产品质量要求平稳运行要求约束条件要求节能要求精馏过程控制的目标是：在保证安全的前提下，满足工艺提出的质量指标，并尽可能降低原材料和能源消耗，提高效率，保证生产安全、平稳运行。8.1精馏过程控制系统产品质量要求

塔顶或塔底产品之一应保证达到质量指标规定的纯度要求，另一产品纯度应稳定在规定的范围内；或者塔顶、塔底产品均保证一定的纯度。对于二元组分精馏过程的质量通常用塔顶的轻组分产品和塔底重组分产品纯度进行控制。

平稳运行要求为保证精馏过程的平稳运行，应当保持精馏过程的总产品输出量（塔顶馏出液和塔底釜液的总采出量）与进料量平衡，即保证物料平衡；同时应当保证精馏过程输入输出总能量的平衡，即保证能量平衡，使塔内的操作压力保持稳定。约束条件要求

常用的精馏塔约束条件有：液泛限、漏液限、压力限和临界温差限。液泛限和漏液限最大和最小气相速度限，当塔内气相速度过高时，将可能导致下层塔板的液相倒流到上层塔，产生液泛现象，影响正常操作；当塔内气相速度过低时，将产生塔板漏液，使得传热传质效率下降。压力限是塔的操作压力限制，一般是最大压力限，因为塔内压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，严重越限甚至会影响安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧的温差，当这一温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，不能保证塔的正常传热需要。节能要求节能的主要要求是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗应符合一定的要求。盐城工学院基本控制方案按精馏段指标的控制方案

塔顶馏出液为主要产品，或塔的进料全部为气相此时进料量、成分和温度的波动对精馏段影响较大

LCLCFCFCTCFDBL根据精馏段质量指标控制回流量，保持再沸器加热量恒定8.1精馏过程控制系统根据精馏段质量指标控制回流量，保持再沸器加热量恒定

这种控制方案优点是：控制回路滞后小，反应迅速，利于克服进入精馏段的扰动，保证塔顶产品质量，是精馏过程控制中最为常见的控制方案；缺点是：以回流量作为操纵变量，对精馏塔的平稳操作有影响。所以在调节参数整定时，采用PI控制，不必加入微分控制。此方案适用于回流比小于0.8和某些需要减小滞后的场合。盐城工学院根据精馏段质量指标控制馏出液流量，保持再沸器加热量恒定LCFCFCTCFDBL8.1精馏过程控制系统根据精馏段质量指标控制馏出液流量，保持再沸器加热量恒定

为这种控制方案，此方案的优点是：塔内回流基本不变，有利于精馏塔的平稳操作，若采用有积分作用的控制，当塔顶产品质量不合格时，塔顶馏出液会自动停止馏出，进行全回流，保证产品合格；缺点是：控制回路滞后大，反应慢。此方案适用于回流比较大的场合。盐城工学院按提馏段指标的控制方案

LCFCTCFCTCFDBL当塔底产品为主要产品或进料为液相时，常采用此类控制方案。此时进料量、成分和温度的波动对精馏段影响较大。

根据提馏段质量指标控制加热量，保持回流量恒定

8.1精馏过程控制系统根据提馏段质量指标控制加热量，保持回流量恒定

这种控制方案的优点是：滞后小，反应迅速，有利于克服进入提留段的扰动，保证塔底产品质量，应用广泛。缺点是：物料平衡与能量平衡之间有一定关联。该方案由于回流量恒定，故应保证回流量足够大，以便当塔的负荷最大时保证产品质量。盐城工学院水泥生产过程自动化为企业带来的诸多好处以被企业的管理者广泛认同。但为了降低投资，企业一般都不选用从国外引进的传统性DCS系统，尤其在中小型水泥厂大多采用由原装的可编程序控制器（PLC）作为现场控制站（下位机），用通用工控机作操做站（上位机），配以标准的控制网络组态而成的分布式控制系统（DCS），实现分散控制和集中管理的功能。

8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院集散控制系统的基本概念

集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和CRT显示技术(4C)。

集散控制系统又称分散型控制系统

DCS------DistributedControlSystem“分散”指：

1、工艺上各种设备地理位置的分散。2、功能分散。“集”：集中监视、集中管理。8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院集散控制系统特点

与常规控制仪表相比较，

优点

控制功能齐全，可实现复杂控制、最优控制,便于信息的综合和分析。

存在问题

1、危险集中2、性能问题：单机负荷过载3、开发周期

解决方法

选用高可靠性能的计算机

引入双重化，增加后备装置8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院集散控制系统的基本结构

DCS系统的结构是一个分布式系统。其逻辑结构为树结构。按系统结构进行垂直分解各级既相互独立由相互联系。每一级又水平分解成若干子集。8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院集散控制系统结构中央操作台网间连接器生产管理级LAN局域网过程管理级管理计算机工程师操作站

操作员站监控计算机网间连接器高速数据公路过程控制级DDC直接数字控制站数据采集站多功能控制站可编程逻辑控制站单回路调节控制站8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院某水泥生产过程自动化系统构成

8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院原料破碎原料预均化堆场

生料配料

生料粉磨

生料均化

熟料烧成煤粉制备

水泥配料水泥粉磨

水泥包装等水泥生产过程自动化系统控制范围8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院检测参数

温度、

压力、物位、重量、转速、电流、CO、O2含量等参数的检测。

阀门开度、位置、状态的检测。

8.2水泥生产过程自动控制系统盐城工学院一水泥磨的信息检测和设备状态监测

1磨头轴承温度检测、报警回路2隔仓板温度控制回路3选粉机循环风温控制回路4磨尾轴承温度检测报警回路5出磨水泥温度控制回路6磨尾气体温度记录回路9选粉机循环风机进口气体压力指示回路10选粉机袋收尘器出口气体压力指示回路11粗粉分离器出口压力控制回路7磨尾气体压力指示回路8磨机袋收尘器出口气体压力指示回路12磨音，提升机功率控制磨机负荷回路13.石灰石、石膏、熟料仓料位检测，报警回路14.石灰石、石膏、熟料喂料量累计回路15.磨头仓和选粉机袋收尘器出口阀门控制回路8.3磨机的控制盐城工学院磨头轴承温度检测、报警回路：由铂热电阻(WZPM—201)检测到的轴承温度信号(电阻阻值的变化)送入变送器(5351—3101／A2)，转变为A2)，通过报警给定器可以设定多高的温度给出报警信号。上限报警信号产生声光报警，通知巡检人员去现场巡视，若温度继续升高，将有一个上限报警信号送入可编程序控制器(PLC)，使可编程序控制器发出停止磨机运行指令，以保证磨机轴承不会因温度过高而烧毁。8.3磨机的控制盐城工学院隔仓板温度控制回路

为防止水泥温度过高，使石膏脱水，在磨头磨尾分别设置了水泥磨内喷水系统。磨头喷水由隔仓板处的物料温度控制，当达到一定温度时便启动喷水系统。水量是连续控制的，当然，也可以手动控制。由铂热电阻(Ptl00，0～150~C)检测到的温度信号，经过温度变送器变成4～20mA标准信号后，送入控制器，由控制器的输出去控制供水管路上的电动控制阀，达到控制水量大小的目的。喷入的水必须雾化，为此设置了压缩空气系统，同时也起到了防止喷水嘴堵塞的作用。8.3磨机的控制盐城工学院选粉机循环风温控制回路

为了进一步降低水泥温度，减少粗粉带回磨中的热量，选粉机设置了放风系统，放风量可根据循环风温自动控制。根据循环风温控制冷风阀门的开度，达到控制循环风温度的目的。由热电阻检测风温，由控制器输出去控制电动执行机构，控制冷风阀门的开度，达到控制循环风温度的目的。

8.3磨机的控制盐城工学院出磨水泥温度控制回路

这是磨尾喷水系统，由磨尾气体温度控制。由铂热电阻(Ptl00)检测到的温度信号通过变送器送入控制器由控制器控制电动控制阀控制喷水量，达到出磨水泥温度控制的目的。8.3磨机的控制盐城工学院石灰石、石膏、熟料仓料位检测，指示、报警回路由重锤料位计检测料位的高低，信号(4～20mA)用以指示料位的高低，并给出高位的报警信号。同时，料位信号送入可编程控制器，可编程控制器根据料位的高低，来启动或停止送料系统。8.3磨机的控制盐城工学院球磨机负荷的检测与控制球磨机负荷检测与控制的目的：是在保证粉磨产品细度合格的前提下，使磨机物料填充率保证较佳数值，避免人工控制时磨机负荷的幅度波动，防止“闷磨”和“空磨”，提高粉磨效率，减轻工人劳动强度。据资料介绍，磨机负荷采用自动控制后，比人工控制可节电3％～12％，粉磨原料和水泥的电耗约占水泥生产总耗电的60％，因此，经济效益可观。

8.3磨机的控制盐城工学院闭路循环磨的动态特性

一般认为闭路循环磨是长滞后对象，也就是说，从喂料量变化到出磨物料流量变化需要经过较长的时间才能反应出来。

图闭路磨的动态特性8.3磨机的控制盐城工学院控制目标:

保证粉磨产品细度合格的前提下，使磨机物料填充率保证较佳数值，防止“闷磨”和“空磨”。提高粉磨效率。

8.3磨机的控制盐城工学院1确定被控变量

从工艺概况可知需要控制磨机运转状况

。磨音、粗粉回粉量、提升机功率。思考：选取被控参数的一般原则？选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。

当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。

被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。8.3磨机的控制盐城工学院

磨音：

可以判断喂料量是否正确。如果磨内只有很少的物料，这时可以听到金属的碰撞声，这是磨机的研磨体落到磨机内衬板上发出的声音，这时磨机简体振动幅值也高；反之，若喂料量过大，金属的碰撞声便会部分地或全部地消失，这时磨机简体振幅也低，喂料适当时，磨音介于这两者之间。声压传感器代替人耳，通过PI控制器控制喂料量的大小。实质上，这种方法就是控制磨机中物料的填充率。对于开环系统和湿法磨来说，若采用现代的磁阻式电耳，这种方法也是一个控制粉磨过程的有效手段。可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院提升机拖动电机的有功功率：提升机拖动电机的功率消耗正比于提升机载有的循环荷重和空斗的重量。因此，提升机有功功率反映了出磨物料总量。物料易磨性变化时，尽管入磨喂料量保持不变，出磨喂料总量将发生变化。

可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院粗粉回粉流量：

在工艺条件一定时，选粉机参数(如转速，风量)不变时，粗粉回粉量的多少反映了物料的易磨性。当磨机喂料量一定时，物料易磨性好，则细粉多粗粉少，回粉量就减少，磨内物料填充量就减少。

可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院选用电耳为被控变量

电耳为被控变量控制磨机喂料使之正比于磨音，随着磨音的增大或减小，增加或减小磨机的喂料量，即磨音减弱时，意味着磨机的物料填充率过高，要减少喂料量，反之则增加喂料量。采用磨音信号实现闭环控制，由于磨音对磨机负荷反快，滞后时间短，用一般连续PI控制就可满足要求。

可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院采用提升机功率作为被控变量出磨料多↑→提升机功率↑→检测信号变送放大↑→与控制器给定信号比较后的偏差e↓，控制喂料电子皮带秤直流电机转速降低，由于纯滞后时间长，不适于采用连缕PI控制，可采用断续或采样控制规律。

可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院选粗粉回粉流量为被控变量：滞后时间长，PID控制。可选的被控变量:8.3磨机的控制盐城工学院确定被控变量考虑到电耳是一种间接控制影响因素较多，粗粉回粉流量滞后较大，故优选提升机功率作为被控变量。8.3磨机的控制盐城工学院确定操纵变量：影响磨机工作状况原因：随着物料的喂料量、易磨性、温度及钢球的磨损等多种因素而变化。选喂料量做为操纵变量。复习：操纵变量选取应遵循原则：

①控制参数必须是工艺上允许调节的变量；

②控制参数应该是系统中所有被控对象的输入变量中的对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小；

③不宜选择代表生产负荷的变量作为控制参数，以免产量受到波动。8.3磨机的控制盐城工学院被控变量：出磨料提升机功率操纵变量：喂料量测量变送装置：功率变送器控制器:断续PI控制

控制目标：磨机工况良好8.3磨机的控制盐城工学院1提升机功率为主、磨音为辅的控制方式

提升机拖动电机的功率减少时，就增加磨机的喂料量，使磨机增加卸料量，使提升机功率消耗增加到整定值。若提升机功率增加了，则谓整过程与上述情况相反。电耳控制回路起监控作用。这是由于这种粉磨回路具有较长的时滞，所以要安装一台电耳监视粗磨仓的物料填充率，防止粗磨室喂料过大。电耳一旦发现磨内填充率超出某一数值，如磨音信号设定值的15％～20％，则自动切断提升机功率控制回路，接通电耳控制回路，待磨音正常后，系统又自动切换到提升机功率控制回路。由于系统滞后时间较长，选用的控制器要充分考虑这一工艺特点，用连续PI控制是不合适的