典型化工设备自控讲义

典型化工设备自动化控制自动控制概述现代工业消费过程，随着消费规模的不断扩展，消费过程的强化，对产质量量的严厉要求，以及各公司间的猛烈竞争，人工操作和普通的控制远远不能满足现代化消费的要求，工业过程控制系统已成为工业消费过程必不可少的设备，它是保证现代企业平安、优化、低耗和高效消费的主要技术手段。自20世纪90年代以来，计算机技术产生了突飞猛进的开展，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进作用，自动化技术开展很快，并获得了惊人的成就，逐渐构成了以网络集成化系统为根底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系统(DCS)开展到了现场总线控制系统〔FCS)。自动化技术已在工业消费、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，在工业消费和国民经济各行业发扬着重要的作用。自动化程度已成为衡量各行各业现代化程度高低的一个重要标志。过程控制控制涉及工业消费的各个领域，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：平安性、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，化工消费过程中主要存在人工控制和自动控制两种控制形状，由于人工控制的诸多缺陷，自动控制成为未来化工消费的必然。人工控制在人的直接参与下，使被控量等于给定值操作人员多反应不及时可以处理复杂问题自动控制在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值操作人员少反应快，按设定的程序控制必须有模型

当前自动控制系统开展的一些主要特点

消费安装实施先进控制成为开展主流过程优化遭到普遍关注传统的DCS在走向国际一致规范的开放式系统综合自动化系统〔CIPS〕是开展方向自动控制的根本方式开环控制之一：按给定值的支配，其支配变量与设定值坚持一定的函数关系，当设定值变化时，支配变量随之变化。控制安装设定值按设定值控制的开环系统开环控制之二：按扰动量进展控制，即所谓前馈控制，如图：在蒸汽加热器中，假设负荷为主要干扰，假设使蒸汽流量与冷流体流量坚持一定关系，当扰动出现时，支配变量随之变化控制安装按扰动而控制的开环系统闭环控制系统

系统的输出〔被控变量〕经过丈量、变送环节，又前往到系统的输入端，与给定信号比较，以偏向的方式进入控制器，对系统起控制造用，整个系统构成一个封锁的反响回路，这种控制系统统称为闭环控制系统或反响控制系统。闭环控制系统TTTC给定值自控系统的组成过程控制：运用于石油、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向时，调理器就会立刻根据偏向的大小去控制出水阀，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、调理器和蒸汽流量阀组成。控制目的是坚持出口温度恒定。当进料流量或温度等要素的变化引起出口物料的温度变化时，经过温度仪表测得的变化，并将其信号送至调理器与给定值进展比较，调理器根据其偏向信号进展运算后将控制命令送至调理阀，改动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、流量调理器和流量调理阀。控制目的是坚持流量恒定。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，将流量差压值转换成电流信号；该信号送至调理器与给定值进展比较，流量控制器根据偏向信号进展运算后将控制信号送至调理阀，改动阀门开度，就改动了流量，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.控制泵的出口阀门开度

改动泵出口阻力改动流量

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n1＞n2＞n3。改动泵的转速控制流量该方案从能量耗费的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但调速机构普通较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场所，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，用改动旁路阀开启度的方法来控制泵的实践排出量。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，由于旁路阀耗费一部分高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。改动旁路阀控制流量往复泵的自控往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场所，它是利用活塞在汽缸中往复滑行来保送流体的。往复泵的自控主要有三种方案。1.改动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所，此时，可借助于改动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。改动转速2.控制泵的出口旁路3.改动冲程s改动旁路流量该方案由于高压流体的部分能量要白白耗费在旁路上，故经济性较差。往复泵的特性曲线计量泵常用改动冲程s来进展流量控制。冲程s的调整可在停泵时进展，也有可在运转形状下进展的。传热设备的自控化工消费的传热设备包括：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。1.控制载热体的流量换热器串级控制系统假设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。改动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。采用传热根本方程式的任务原理。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动进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，可以改动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。旁路的流量普通不用直通阀来直接进展控制，由于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.控制被加热流体本身流量用介质本身流量控制温度只能用在工艺介质的流量允许变化的场所。4.控制被加热流体本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。精馏塔的自控工艺要求保证质量指标保证平稳操作参数有极限条件节能要求和经济性精馏塔的干扰要素精馏塔的物料流程图1.进料流量F的动摇〔＊〕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〕参与热量的变化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表示图假设采用以精馏段温度作为衡量质量目的的间接目的，而以改动回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。提馏段温控的主要特点与运用场所：〔1〕采用了提馏段温度作为间接质量目的，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到达规定值。〔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假设采用以精馏段温度作为衡量质量目的的间接目的，而以改动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表示图精馏段温控的主要特点与运用场所：①采用了精馏段温度作为间接质量目的，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厉时，普通宜采用精馏段温控方案。②假设干扰首先进入精馏段，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，当分别的产品较纯时，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，但实践上却很难满足。处理这一问题的方法，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目的的间接变量,消除塔压动摇对产品的影响.

分别在加料板附近的精馏段和提馏段上选取温差信号ΔT1和ΔT2。

将两温差信号相减后的信号作为控制器的丈量信号。双温差控制方案TCLCFCLCFCFC进料量FWDVsT1T2T2T1化学反响器的自控化学反应器的控制要求质量指标物料平衡参数有极限条件釜式反响器的温度自动控制1.控制进料温度改动进料温度控制釜温2.改动传热量由于大多数反响釜均有传热面，引入或移去反响热，所以用改动引入传热量多少的方法就能实现温度控制。改动加热剂或冷却剂流量控制釜温固定床反响器的自动控制固定床反响器是指催化剂床层固定于设备中不动的反响器，流体原料在催化剂作用下进展化学反响以生成所需反响物。常见的温度控制方案有：改动进料浓度改动进料温度改动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，调理系统在调理器的自动调理作用下，被调量不再随时间变化的平衡形状动态：被调量随时间变化，系统处于不平衡形状一个运转的系统，时时辰刻都有扰动作用于对象，使被调量偏离设定值过渡过程的根本方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展的时间长短，过程时间继续很长，将使系统长时间出现大偏向，同时也阐明系统呼应很愚钝，难以复现快速变化的信号；系统过渡到新的平衡任务形状后或系统遭到扰动后重新恢复平衡后，最终坚持的精度，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形状的才干。快稳准单回路控制系统整定调理器参数的整定就是在一个曾经调校好的控制系统中，去选择和设置适宜的调理器的比例度、积分时间和微分时间，使调理器与过程的特性相顺应，来改善系统的静态和动态特性，获取最正确控制效果。系统整定方法临界比例度法衰减曲线法经验法临界比例度法详细整定方法在闭环的控制系统中，将调理器的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，从大到小改动调理器的比例度，直到系统产生等幅振荡，根据临界过程参数(即临界比例度δk和临界振荡周期Tk)，按阅历公式计算出调理器的各个参数值δ、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，察看过渡过程曲线逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修正Ti和Td，直至获得称心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详细整定方法在闭环控制系统中，将调理器的Ti置最大、Td置零，使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定用改动设定值的方法参与阶跃扰动，察看记录曲线的衰减比，然后从大到小改动比例度直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度δs，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts，根据δs、Ts，按阅历公式计算出调理器的各个参数值δs、Ts、Ti、Td。将调理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，察看过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，直至过渡过程曲线称心为止衰减曲线法调理器参数计算表阅历法详细整定方法

以为比例作用是根本作用，采用先比例、后积分微分的顺序闭合运转的控制系统中，将调理器的Ti置最大、Td置零、δ取阅历数据，改动设定值参与扰动，察看记录曲线，假设超调量大且趋于非周期，应减