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文档简介
《化工仪表及自动化》课程教学课件
化工仪表及自动化
授课时间:第次课(2学时)
教学目的:掌握简单控制系统的投运及操作中的常见问题
教学重点:简单控制系统的投运
教学难点:控制器正、反作用的判定方法
教学过程:讲授
教学内容:第十二章简单控制系统
上节课知识回顾:
12.1、由图可知,简单控制系统有着共
同的特征,它们均由四个基本环节组成,即被控对象、测量
变送器、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统,
尽管其具体装置与变量不相同,但都可以用相同的方块图
来表示。这就便于对它们的共性进行研究。
扰动
图12—3简单控制系统方块图
12、2、被控变量的选择(①掌握何谓被控变量;②必
须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求,仔细分析个变
量之间的相互关系,一般要遵循6项原则,见书P178)。
12o3、操纵变量的选择(①掌握操纵变量的定义;②
掌握选择操纵变量的3项原则,见书P180)。
12.4.控制器控制规律的选择及参数整定(①掌握P、
PEPID三种控制器的特点;②掌握控制器的工程整定的3
种基本方法:临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法).
本节课程内容引入:
简单控制系统设计并按设计要求进行正确安装后,即可着手进行
控制系统的投运和控制器参数的整定工作。但如何投运是一项很重要
的工作,尤其是对一些重要的控制系统更应重视。
12.5.1、控制系统的投运
经过控制系统设计、仪表调校、安装后,接下去的工作是控制系
统的投运。所谓控制系统的投运,就是将系统由手动工作状态切换到
自动工作状态。这一过程是通过将控制器上的手动一自动切换开关从
手动位置切换到自动位置来完成的。
控制器在手动位置时,控制阀接受的是控制器手动输出信号:当
控制器从手动位置切换到自动位置时,将以自动输出信号代替手动输
出信号控制控制阀,此时控制阀接受的是控制器根据偏差信号的大小
和方向按一定控制规律运算所得的输出信号(称之为自动输出)。如果
控制器在切换之前,自动输出与手动输出信号不相等,那么,在切换
过程中必然会给系统引入扰动,这将破坏系统原先的平衡状态,是不
允许的。因此,要求切换过程必须保证无扰动地进行。也就是说,从
手动切换到自动的过程中,不应造成系统的扰动,不应该破坏系统原有
的平衡状态,亦即切换过程中不能改变控制阀的原有开度。
由于在化工生产中普遍存在高温、高压、易燃、易爆、有毒等工
艺场合,所以在这些地方投运控制系统,操作人员会担一定的风险.
12o5。l-lo投入运行前的准备工作
自动控制系统安装完毕或是经过停车检修之后,都要(重新)投入
运行。在投运每个控制系统前必须要进行全面细致的检查和准备工作.
投运前,首先应熟悉工艺过程,了解主要工艺流程和对控制指标
的要求,以及各种工艺参数之间的关系,熟悉控制方案,对测量元件、
调节阀的位置、管线走向等都要做到心中有数。投运前的主要检查工
作如下所述.
①对组成控制系统的各组成部件,包括检测元件、变送器、控制器、
显示仪表、控制阀等,进行校验检查并记录,保证其精确度要求,确保
仪表能正常的使用.
②对各连接管线、接线进行检查,保证连接正确。例如,孔板上下
游导压管与变送器高低压端的正确连接;导压管和气动管线必须畅通,
不得中间堵塞;热电偶正负极与补偿导线极性、变送器、显示仪表的
正确连接;三线制或四线制热电阻的正确接线等。
③如果采用隔离措施,应在清洗导压管后,灌注流量、液位和压力测
量系统中的隔离液.
④应设置好控制器的正反作用、内外设定开关等;并根据经验或估
算,预置8,3,TD参数值,或者先将控制器设置为纯比例作用,比例
度S置于较大的位置.
⑤
检查控制阀气开、气关形式的选择是否正确,关闭控制阀的旁路
阀,打开上下游的截止阀,并使控制阀能灵活开闭,安装阀门定位器的
控制阀应检查阀门定位器能否正确动作。
⑥进行联动试验,用模拟信号代替检测变送信号,检查控制阀能
否正确动作,显示仪表是否正确显示等;改变比例度、积分和微分时
间,观察控制器输出的变化是否正确.采用计算机控制时,情况与采用
常规控制器时相似。
12o5.1—2.控制器的正、反作用的确定方法(相关知识)
如简单控制系统方块图12-3所示.从控制原理知道,对于一个
反馈控制系统来说,只有在负反馈的情况下,系统才是稳定的,当系统
受到扰动时,其过渡过程将会是一个衰减过程;反之,如果系统是正反
馈,那么系统是不稳定的,一旦遇到扰动作用,过渡过程将会发散,在
工业过程控制中,这种情况是不希望发生的。因此,一个控制系统要
实现正常运行,必须是一个负反馈系统,而控制器的正、反作用方式
决定着系统的反馈形式,所以必须正确选择.
为了保证能构成负反馈,系统的开环放大倍数必须为负值,而系
统的开环放大倍数是系统中各个环节放大倍数的乘积。这样,只要事
先知道了过程对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负,再根据
系统开环放大倍数必须为负的要求,就可以很容易地确定出控制器的
正、反作用.
lo系统中各环节正、反作用方向的规定
在控制系统方块图中,每一个环节(方框)的作用方向都可用该
环节放大系数的正、负来表示.如作用方向为正,可在方框上标“+”;
如作用方向为负,可在方框上标“一”.
控制系统中各环节的作用方向(增益符号)是这样规定的:当该环
节的输入信号增加时,若输出信号也随之增加,则该环节为正作用方
向;反之,当输入增加时,若输出减小,即输出与输入变化方向相反,
则为负作用方向。
(1)被控对象环节。被控对象的作用方向,则随具体对象的不同而
各不相同。当过程的输入(操纵变量)增加时,若其输出(被控变量)也
增加则属于正作用,取“+”;反之则为负作用,取“一”号。
(2)执行器环节。对于控制阀,其作用方向取决于是气开阀还是
气关阀。当控制器输出信号(即控制阀的输入信号)增加时,气开阀的
开度增加,因而流过控制阀的流体流量也增加,故气开阀是正方向的,
取号;反之,当气关阀接收的信号增加时,流过控制阀的流量反而
减少,所以是反方向的,取“一”号.控制阀的气开、气关作用形式应
按其选择原则事先确定。
(3)测量变送环节。对于测量元件及变送器,其作用方向一般都
是“正”的。因为当其输入量(被控变量)增加时,输出量(测量值)
一般也是增加的,所以在考虑整个控制系统的作用方向时,可以不考
虑测量元件及变送器的作用方向,只需要考虑控制器、执行器和被控
对象三个环节的作用方向,使它们组合后能起到负反馈的作用。因此该
环节在判别式中并没有出现.
(4)控制器环节。由于控制器的输出取决于被控变量的测量值
与设定值之差,所以被控变量的测量值与设定值变化时,对输出的作
用方向是相反的.对于控制器的作用方向是这样规定的:当设定值不
变、被控变量的测量值增加时,控制器的输出也增加,称为“正作用〃,
或者当测量值不变、设定值减小时,控制器的输出增加的称为“正作
用”,取“+”号;反之,如果测量值增加(或设定值减小)时,控制器的
输出减小的称为“反作用〃,取“一”号。这一规定与控制器生产厂的
正、反作用规定完全一致。
2.控制器正、反作用方式的确定方法
由前述可知,为保证使整个控制系统构成负反馈的闭环系统,系
统的开环放大倍数必须为负,即
(控制器士)X(执行器士)X(被控对象土)二“一”
确定控制器正、反作用方式的步骤如下;
根据工艺安全性要求,确定控制阀的气开和气关形式,气开阀的
作用方向为正,气关阀的作用方向为负;
根据被控对象的输入和输出关系,确定其正、负作用方向;
根据测量变送环节的输入,输出关系,确定测量变送环节的作用
方向;
根据负反馈准则,确定控制器的正、反作用方式。
例如,在锅炉汽包水位控制系统中,为了防止系统故障或气源中
断时锅炉供水中断而烧干爆炸,控制阀应选气关式,符号为“一”;当
锅炉进水量(操纵变量)增加时,液位(被控变量)上升,被控对象符
号为“+”;根据选择判别式,控制器应选择正作用方式。如图12-23
所示.
又如,换热器出口温度控制系统,为避免换热器因温度过高或温
差过大而损坏,当操纵变量为载热体流量时,控制阀选择气开式,符号
为“+”;在被加热物料流量稳定的情况下,当载热体流量增加时,物
料的出口温度升高,被控对象符号为“+”。则控制器应选择反作用方式。
如图12—2所示。
图12-23锅炉水位控制系统图12—2换热器出口温度控制系统
再如,对于精微塔塔顶温度控制系统,为保证在控制系统出现故障时
塔顶储出物的产品质量,当以塔顶储出物冷凝液的回流量作操纵变量
时,其回流量控制阀应选择气关式,符号为“一”;当回流量增大时,
塔顶温度将会降低,被控过程符号为“一”。因此,控制器应选择反作
用方式.如图12-4所示。
图12-4精储塔塔顶温度控制系统图12-1储槽液位控制系统
而对于以进料量为操纵变量的储槽液位控制系统,从安全角度考
虑,选择气开阔,符号为“十”:进料阀开度增加,液位升高,因此被
控对象为正作用,符号为“+”。所以为保证负反馈,控制器应选择为
反作用方式(如操纵变量是出料量,同样选择气开阀,即符号为“+”;
但因出料阀开度增加,液位下降,因此,被控对象为负作用,符号为
“一”,则应选正作用控制器。如图12—1所示.
练习:如图所示为加热炉,工艺对炉出口温度有较高要求,
试组成加热炉温度简单控制系统。
①、画出加热炉温度控制系统控制方案;
②、选择控制阀气开、气关形式;
③、选择控制器作用方向和控制规律;
④、画出控制系统方块图;
⑤、简述当进料突然增加时系统的控制过程.
(1)加热炉温度控制系统控制方案如图所示;
(2)控制阀气开阀,
(3)控制器反作用,
号输出减小,反作用的控制器输出增大,气开控制阀开大,燃料流量增
胃氏温度上升图温度控制系统方块图到给定值上。
1205o1-3.控制系统的投运
合理、正确地掌握控制系统的投运,使系统无扰动地、迅速地进
入闭环,是工艺过程平稳运行的必要条件。对控制系统投运的唯一要
求,是系统平稳地从手动操作转入自动控制,即按无扰动切换(指手、
自动切换时阀上的信号基本不变)的要求将控制器切入自动控制。
控制系统的投运应与工艺过程的开车密切配合,在进行静态试车
和动态试车的调试过程中,对控制系统和检测系统进行检查和调试。
控制系统各组成部分的投运次序一般如下所述。
(1)检测系统投运,温度、压力等检测系统的投运比较简单,可逐
个开启仪表和检测变送器,检查仪表显示值的正确性。流量、液位检测
系统应根据检测变送器的开车要求,从检测元件的根部开始,逐个缓慢
地打开有关根部阀、截止阀等(要防止变送器受到压力冲击),直到显
示正常。
(2)控制系统投运。应从手动遥控开始,逐个将控制回路过渡到
自动操作,应保证无扰动切换。
手动遥控(调节阀的投运).手动遥控阀门实际上是在控制室中的
人工操作,即操作人员在控制室中,根据显示仪表所示被控变量的情
况,直接开关控制阀。手动遥控时,由于操作人员可脱离现场,在控制
室中用仪表进行操作,因此很受人们的欢迎。在一些比较稳定的装置
上,手动遥控阀门应用较为广泛.
3图12-
17控制阀安装示意图
在开车时,先进行现场手动操作,即先将图12-17中控制阀前后的切
断阀1和2关闭,打开旁路阀3,观察测量仪表能否正常工作。待工
况稳定后,被控变量稳定在设定值附近时,然后进行旁路阀一控制器
手动遥控切换,转入控制室内手动遥控控制阀。其操作顺序如下:
・用手动定值器、手操器或控制器的手动操作方式调整作用于控制阀
上的信号P至一个适当数值;
•打开上游阀门1,再逐步打开下游阀门2,在逐渐关闭旁路阀3的同
时,相应地逐渐启动调节阀以保持流量尽量不变化;
•观察仪表的指示值,改变手操输出,使被控变量接近设定值,此
时,表示阀的开度合适,可以向自动切换了。
手动遥控阀门和控制潜的手动、自动切换操作都是在控制器面板
上进行的.如图12—29所示,手、自动切换开关置于软手动M位置(或
者硬手动H位置),用手动增加键(或减少键)改变手动输出电流,并
由输出指示表显示输出信号(阀位示值)百分值的大小。为了防止误操
作,软手操设有慢速和快速两挡.慢速挡全行程时间为100s;若继续
往里按,为快速挡,全行程时间为6
S,输出变化很快。用控制器的手动输出电流控制控制阀的开关,
改变操纵变量,并尽量使被控变量接近工艺设定值,当生产过程比较
稳定且扰动较小时,即可投入自动。
投入自动(控制器的手动和自动切换)。控制器的手动操作平稳后,被
控变量接近或等于设定值。将内、外设定选择开关扳向内给定位置,
然后拨动内给定旋钮使偏差为零:设置PID参数后即可将控制器由手
动状态切换到自动状态.至此,初步投运过程结束。但此时控制系统的
过渡过程不一定满足要求,这时需要进一步调整5,7和T。三个参数.
有关控制系统的参数整定方法前面已详细介绍过。
1一内设定指示(黑针);2—测量信号指示(红针);
3—外设定指示灯;4一测量指示、设定指示标尺;
5—内设定拨盘;6-硬手动H、软手动M、自动A
切换开关;7—软手动增加、减少键;8一输出指示
标尺;9一硬手动拨针;10一输出指示
图12-29DTZ—2100s全刻度指示控制器面板示意图
与控制系统的投运相反,当工艺生产过程受到较大扰动、被控变量控制
不稳定时,需要将控制系统退出自动运行,改为手动遥控,即自动切
向手动,这一过程也需要达到无扰动切换.
12o5o2控制系统操作中的常见问题
控制系统在投运以后及运行一段时间后,可能会出现各种各样的
问题,这通常要从自动化装置和工艺两方面去寻找原因.下面仅就控制
系统可能出现的几个主要问题及解决的措施作简单的介绍.
12.5O2-1.控制系统间的相互干扰及克服办法
由于化工过程常常是用管道将一系列单元设备连接而成的,流经设
备和管道的物料又常是连续的。所以有时尽管单个的控制系统设计的
非常完善,但投入运行后由于多个控制系统之间存在相互干扰而无法
正常运行.
例书P187图12—18中精镭塔两个温度控制系统之间的相互干
扰及图12-19中压力和流量两个控制系统之间的相互干扰,还有一
些并联运行的设备之间的关联也很大,例如一个负荷分配系统(见
图12-20),要消除这些控制系统之间的相互干扰,可以从工艺上
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