【文章內(nèi)容簡介】 器溫度穩(wěn)定在 108℃ 提升負(fù)荷，調(diào)節(jié)閥 FV1202 S5 蒸發(fā)器的出口流量穩(wěn)定在 S6 關(guān)閉閥 FV1202 設(shè)置控制器 FIC1202設(shè)定值并投自動(dòng) S7 關(guān)閉閥 FV1105 11 表 系統(tǒng)13 工作 狀態(tài)表 表 14 條件列表 符號(hào) 內(nèi)容 ready 所有閥門全部處于關(guān)閉狀態(tài) start 按下開車按鈕 S8 關(guān)閉閥 FV1203 S9 關(guān)閉閥 FV1201 12 stop 按下停車按鈕 a1 按下緊急停車按鈕或緊急停車聯(lián)鎖自動(dòng)啟動(dòng) t1 蒸發(fā)器溫度 T1201超過 200℃ t2 蒸發(fā)器液位高于 90％ 蒸發(fā)器特性分析 通過上述狀態(tài)圖描述可以知道被控對(duì)象 —— 蒸發(fā)器是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其主要輸入變量主要有過熱蒸汽流量 FI1105和稀液流量 FI1201等，輸出變量主要有二次蒸汽流量 FI120冷凝水、濃縮液流量 FI1202。上述輸入變量和輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果在加入過熱蒸汽后稀液流量的供給量發(fā)生變化，則輸出量（二次蒸汽、冷凝水和濃縮液）都將發(fā)生變化；當(dāng)輸入系統(tǒng)一定量的稀液后，供給系統(tǒng)不同量的過熱蒸汽，則輸出量的值也按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，因此該系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出的 復(fù)雜控制系統(tǒng)，且各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系可以用符號(hào)有向圖 (Signed Directed Graph SDG)進(jìn)行描述，如圖 。 FV1105開 度FI1105TI1201PI1201FV1201閥 后 壓 力FV1201開 度LI1201AI1201FV1201開度稀 液 蒸 發(fā) 量FI1203蒸 發(fā) 器上 部 汽相 組 分FV1202閥 前 壓力FV1202 圖 蒸發(fā)器 SDG模型 SDG 是一種系統(tǒng)的定性描述方式，圖中每一個(gè)圓圈代表一個(gè)參數(shù)，圓圈之間的箭頭表達(dá)了參數(shù)之間的影響關(guān)系，箭頭的始端代表影響變量，箭頭的末端代表被影響變量。箭頭為實(shí)線表明上游變量增大（減?。r(shí)，下游變量也會(huì)增大（減少）；箭頭為虛線則表明上 游變量增大（減小）時(shí)，下游變量減小（增大）。通過加熱爐 SDG 模型，可以直觀地表達(dá)出各輸入、輸出變量以及中間變量 13 之間的相互影響關(guān)系以及參數(shù)之間的耦合關(guān)系。 被控參數(shù)特性分析 蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的主要有溫度、液位和流量等三個(gè)參數(shù)。不同對(duì)象參數(shù)具有不同的特性，需要采用不同的控制方法。 （ 1） 溫度 溫度對(duì)象通常是多容的。溫度動(dòng)態(tài)特性具有慣性大，容易受其它因素干擾，且易于變化的特點(diǎn)。 由于容量滯后大，有些過程的時(shí)間常數(shù)達(dá)到十幾分鐘。 由于溫度變化滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作 用環(huán)節(jié)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制就是對(duì)傳熱過程的控制，包括對(duì)流傳熱、傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱。溫度控制的操縱變量通常是流量，如加熱介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的流量、燃料的流量等。溫度控制的方法與被控對(duì)象的特點(diǎn)、控制精度要求等有關(guān)，其種類很多。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確控制常使用 PID控制器進(jìn)行合理控制。 （ 2） 流量 流量過程時(shí)間常數(shù)很小，當(dāng)手動(dòng)調(diào)整閥門時(shí)，流量在幾秒鐘內(nèi)就能變化完畢，響應(yīng)比較靈敏。這是由于工業(yè)過程中調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，緩沖余地小，閥門一動(dòng)作，流量立即變化， 滯后時(shí)間小、響應(yīng)快。 對(duì)于流量而言，廣義對(duì)象的時(shí)間常數(shù)主要取決于控制器、定位器、變送器和信號(hào)傳輸?shù)炔糠?，流量自身的時(shí)間常數(shù)相對(duì)較小。 流量的測量容易受到噪聲的干擾，流量本身可能是平穩(wěn)的，平均流量沒有什么變化，但是測量信號(hào)常常是頻繁地變動(dòng)。這是由于管道中的流動(dòng)正常時(shí)都呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內(nèi)部卻在騷動(dòng)。特別是流體通過截流裝置時(shí)，此種騷動(dòng)程度比較大，產(chǎn)生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動(dòng)，因此流量控制系統(tǒng)不能加微分控制環(huán)節(jié) 。 由于噪聲頻率很高，盡管噪聲幅度變化不大，但若加 上微分控制器，則其輸出容易出現(xiàn)波動(dòng)，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在工業(yè)中對(duì)流量的控制常采用 PI控制器。 （ 3） 液位 液位特性的特點(diǎn)是負(fù)荷變化不大、滯后比較小、且在一定范圍內(nèi)允許變化?；谝何惶匦缘倪@ 14 些特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中常選擇比例控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。 觀察該控制系統(tǒng)，影響蒸發(fā)器液位高低的主要因素是稀液的流入量、濃縮液的流出量以及冷凝水的排出量。它們的共同作用使正常工作下的系統(tǒng)液位保持基本不變。且容易實(shí)現(xiàn)對(duì)它的測量。 第二章 蒸發(fā)器控制方案設(shè)計(jì) 在充分考慮了蒸發(fā)器裝置對(duì)象特性的基礎(chǔ)上，下面對(duì)其進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)。 15 總體方案設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)在整個(gè)工程方案設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位，一個(gè)控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的都是為了滿足生產(chǎn)過程中的工藝要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 因此，為實(shí)現(xiàn)此目的，設(shè)計(jì)加熱爐裝置的控制方案時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： （ 1）滿足要求 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，這是設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的首要前提，也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。進(jìn)行設(shè)計(jì)前，需要深入了解被控對(duì)象，收集資料。 （ 2）安全可靠 保證控制系統(tǒng)長期運(yùn)行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)中的重要原則。為了達(dá)到這一目的，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、軟件編程方面應(yīng)進(jìn)行總體規(guī)劃和全面考慮。 （ 3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用 在滿足控制要求的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、維護(hù)方便。 （ 4）適應(yīng)發(fā)展 考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展功能。本參賽隊(duì)以上述原則為基本出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝要求，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)?？刂品桨钢饕▋纱蟛糠郑夯A(chǔ)過程控制系統(tǒng)（ Basic Process Control System， BPCS）的方案設(shè)計(jì)和安全相關(guān)系統(tǒng)（ Safety Related System， SRS）的方案設(shè)計(jì)。 基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng) (BPCS) 基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 一、控制方案設(shè)計(jì)原則 控制方案的設(shè)計(jì)遵循合理性、可行性原則，即所設(shè)計(jì)的控制方案一 定是經(jīng)過驗(yàn)證可以實(shí)施的。按照這一原則，本方案以工業(yè)上常見的控制方案為參照，以單回路控制、串級(jí)控制、前饋控制、 PID 控制前饋 反饋控制等為基本方案，這樣可以保證方案具有較高的可實(shí)施性和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。 16 二、控制閥選型原則 （ 1）閥門開閉形式選擇原則 對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開閥還是氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇： ① 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當(dāng)氣源供氣中斷、控制器故障無輸出或調(diào)節(jié)閥膜片破裂、漏氣等而使調(diào)節(jié)閥無法正常工作，使得閥芯回復(fù)到無能 源的初始狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致于發(fā)生事故。 ② 從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。 ③ 從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來考慮。 ④ 從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。 一般來說，根據(jù)上面介紹的幾條原則，調(diào)節(jié)閥開、閉形式不難選擇。不過，如遇到下面兩種情況時(shí)，在調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇上需要加以注意。第一種情況是由于工藝要求不一，對(duì)于同一調(diào)節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結(jié)果。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認(rèn)真分析、仔細(xì)協(xié)商、分清主次、權(quán)衡利弊、慎重選擇。第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇沒有嚴(yán)格要求，調(diào)節(jié)閥的開、閉形式可以任選。 (2) 閥門流量特性選擇原則 調(diào)節(jié)閥的流量特性指流過調(diào)節(jié)閥的流量與閥桿行程之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)調(diào)節(jié)閥兩端的壓降，調(diào)節(jié)閥流量特性分固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是調(diào)節(jié)閥兩端壓降恒定時(shí)的流量特性，亦稱為理想流量特性。工作流量特性是在工作狀態(tài)（壓降變化）下調(diào)節(jié)閥的流量特性。調(diào)節(jié)閥出廠所提供的流量特性是理想流量特性。 國內(nèi)常用的理想流量特性有線性、等百分比（對(duì)數(shù)）和快開等幾種。圖 所示為調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，可以看出流過調(diào)節(jié)閥的流量隨調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線，其中 1 為線性流量特性， 2 為等百分比流量特性， 3 為快開流量特性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥兩端的壓降下降不是恒定的，因此，調(diào)節(jié)閥理想流量特性會(huì)發(fā)生畸變。所以在調(diào)節(jié)閥流量特性選擇時(shí)，先選好工作流量特性，然后根據(jù)壓降比 S 來確定理想流量特性。 17 0 1 0 05 01 0 08 06 02 04 0123行 程 %流 量 系 數(shù) % 圖 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線 根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的原則，擾動(dòng)或設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)各 開環(huán)增益之積基本恒定；控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的?；竞愣?。 選擇調(diào)節(jié)閥工作流量特性的目的是通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的增益來補(bǔ)償因?qū)ο笤鲆孀兓斐傻拈_環(huán)總增益變化的影響?？傞_環(huán)增益 K 開 =KcKv1Kv2KpKm， 一般已整定好的調(diào)節(jié)器增益 Kc、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)增益 Kv1和檢測變送環(huán)節(jié)增益 Km 不 隨負(fù)荷或設(shè)定值而變化。為使 K 開恒定，需用調(diào)節(jié)閥增益 Kv2 的變化補(bǔ)償過程對(duì)象增益 K p。當(dāng) K p 隨負(fù)荷或設(shè)定值變化時(shí)，通過選擇合適的調(diào)節(jié)閥流量特性，使 Kv2Kp 保持基本不變。 對(duì)于流量控制回路，被 控變量與操縱變量相同，都為流量，所以流量對(duì)象 K p=1。若使用流量變送器時(shí)，變送器輸出與流量成正比， KM=常數(shù)，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，選 Kv2 恒定的調(diào)節(jié)閥，即線性調(diào)節(jié)閥。若使用差壓變送器而又沒有加開方器時(shí)，變送器輸出與壓差成正比，即 YM=KQ2； KM=d Y/d Q=2KQ，使KM K p 與流量 Q 成正比，為補(bǔ)償該非線性關(guān)系，應(yīng)選擇 Kv2 與流量 Q 的倒數(shù)成正比的調(diào)節(jié)閥流量特性，即選用快開調(diào)節(jié)閥。 由于調(diào)節(jié)閥出廠所提供的流量特性為理想流量特性，因此工作流量特性選定后，根據(jù)壓降比 S 來確定理想流量特性。 當(dāng) S 時(shí)，應(yīng)選理想流量特性與所需工作流量特性相同；當(dāng) S 時(shí)，應(yīng)該采用特殊的低 S 調(diào)節(jié)閥；當(dāng) S 時(shí)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 21 所示。 18 表 21 S 三、控制器正反作用選擇原則 從控制原理可知，對(duì)于一 個(gè)反饋控制系統(tǒng)，只有在負(fù)反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，其過渡將會(huì)是衰減的。反之，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾，過渡過程將會(huì)發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的，因此，對(duì)于反饋控制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，必須要構(gòu)成負(fù)反饋，即控制回路各個(gè)環(huán)節(jié)的符號(hào)之積為負(fù)值。在控制回路中，對(duì)象、調(diào)節(jié)閥、測量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號(hào)是很容易確定的，這樣就可以確定控制器的正反作用。需要注意的是，對(duì)于 DCS 而言，偏差為設(shè)定值減去測量值，因?yàn)樵摥h(huán)節(jié)的輸入為測量值，當(dāng)測量值減少的時(shí)候，偏 差增加；當(dāng)測量值增加的時(shí)候，偏差減少，因此，該環(huán)節(jié)的符號(hào)一直為負(fù)。 四、控制器規(guī)律選擇原則 工業(yè)過程中常見的控制規(guī)律有開關(guān)控制、比例控制、比例 積分控制、比例 微分控制、比例 積分 微分控制等。過程工業(yè)中常見的參數(shù)有流量、液位、壓力和溫度，這些參數(shù)有些是重要的生產(chǎn)參數(shù)，有些是不太重要的參數(shù)，所以控制要求也是各有不同，控制規(guī)律的選擇要根據(jù)具體情況而定。有一些基本原則可以在選擇時(shí)加以考慮： 對(duì)于不太重要的參數(shù)，可以考慮采用比例控制，甚至采用開關(guān)控制； 對(duì)于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，可考 慮采用比例 微分控制。但是對(duì)于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例 微分控制； 對(duì)于比較重要的、控制精度要求比較高的參數(shù)，可采用比例 積分控制； 對(duì)于比較重要的、控制精度要求比較高、希望動(dòng)態(tài)偏差小、被控對(duì)象的時(shí)間滯后較大的參數(shù)，應(yīng)該采用比例 積分 微分控制或者是先進(jìn)控制算法。 濃縮液流量單回路控制系統(tǒng) 所需工作流量特性 應(yīng)選理想流量特性 線性 等百分比 等百分比 等百分比 快開 線性 19 濃縮液流量是生產(chǎn)過程