典型过程控制系统应用课件.ppt

1、典型过程控制系统应用6.1 自控工程设计的任务、方法步骤自控工程设计的任务、方法步骤一、自控工程设计的基本任务一、自控工程设计的基本任务 负责工艺生产装置与公用工程、辅助工程系统负责工艺生产装置与公用工程、辅助工程系统的控制设计，检阅仪表、在线分析仪表、控制和管的控制设计，检阅仪表、在线分析仪表、控制和管理计算机等系统的设计，以及有关的程序控制、信理计算机等系统的设计，以及有关的程序控制、信号报警和联锁系统的设计。此外还需考虑自控所用号报警和联锁系统的设计。此外还需考虑自控所用的辅助设备及附件、电气设备材料、安装材料的选的辅助设备及附件、电气设备材料、安装材料的选型设计；自控的安全技术措施和防

2、干扰、安全设施型设计；自控的安全技术措施和防干扰、安全设施的设计；以及控制室、仪表车间与分析器室的设计。的设计；以及控制室、仪表车间与分析器室的设计。二、自控工程设计阶段的工作分为六个方面二、自控工程设计阶段的工作分为六个方面(1)根据工艺专业提出的监控条件绘制工艺控制图根据工艺专业提出的监控条件绘制工艺控制图(PCD)；(2)配合系统专业绘制各版管道仪表流程图配合系统专业绘制各版管道仪表流程图(P&ID)；(3)征集研究用户对征集研究用户对P&ID及仪表设计规定的意见；及仪表设计规定的意见；(4)编制仪表采购单，配合采购部门开展仪表和材料编制仪表采购单，配合采购部门开展仪表和材料的采购工作；

3、的采购工作；(5)确定仪表制造商的有关图纸按仪表制造商返回确定仪表制造商的有关图纸按仪表制造商返回的技术文件，提交仪表接口条件，并开展有关设计的技术文件，提交仪表接口条件，并开展有关设计工作：工作：(6)编编(绘绘)制最终自控工程设计文件。制最终自控工程设计文件。三、自控工程设计的八项任务三、自控工程设计的八项任务(1)负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、报警、联锁报警、联锁/停车和监控停车和监控/管理计算机系统的设计；管理计算机系统的设计；(2)负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型负责检测仪表、控制系统及其辅助设备

4、和安装材料的选型设计；设计；(3)负责检测仪表和控制系统的安装设计；负责检测仪表和控制系统的安装设计；(4)负责负责DCS、PLC、ESD和上位计算机和上位计算机(监控、管理监控、管理)的系统的系统配置、功能要求和设备选型；并负责或参加软件的编制工作；配置、功能要求和设备选型；并负责或参加软件的编制工作；(5)负责现场仪表的环境防护措施的设计；负责现场仪表的环境防护措施的设计；(6)接受工艺、系统和其他主导专业的设计条件，提出设备、接受工艺、系统和其他主导专业的设计条件，提出设备、管道、电气、土建、暖通和给排水等专业的设计条件；管道、电气、土建、暖通和给排水等专业的设计条件；(7)负责控制室、

5、分析器室以及仪表车间的设计；负责控制室、分析器室以及仪表车间的设计；(8)负责工厂生产过程计量系统的设计。负责工厂生产过程计量系统的设计。四、国际通用设计体制四、国际通用设计体制化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定 (HG/T2063620639)化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定是把自控是把自控专业工程设计阶段应完成的工作，所需涉及专业工程设计阶段应完成的工作，所需涉及列的设计程序、设计方法、设计内容、设计列的设计程序、设计方法、设计内容、设计管理等方面规定，以及工程设计所需用的图管理等方面规定，以及工程设计所需用的图表、标准规范而综合编制成的行业标准。表、标准规范

6、而综合编制成的行业标准。本设计标准适用于化工、石油化工、石本设计标准适用于化工、石油化工、石油、轻纺、国防等行业的自控专业工程设计。油、轻纺、国防等行业的自控专业工程设计。包括包括4项化工行业标推，共含项化工行业标推，共含22个分规定个分规定1自控专业设计管理规定自控专业设计管理规定(HGT20636)(含含10个分规定个分规定)(1)“自控专业的职责范围自控专业的职责范围”(HGT20636.1)：(2)“自控专业与工艺、系统专业的设计条件关系自控专业与工艺、系统专业的设计条件关系”(.2)(3)“自控专业与管道专业的设计分工自控专业与管道专业的设计分工”(.3)；(4)“自控专业与电气专业

7、的设计分工自控专业与电气专业的设计分工”(.4)：(5)“自控专业与电信、机泵及安全自控专业与电信、机泵及安全(消防消防)专业的设计分工专业的设计分工（.5）(6)“自控专业工程设计的任务自控专业工程设计的任务”(.6)；(7)“自控专业工程设计的程序自控专业工程设计的程序”(.7)：(8)“自控专业工程设计质量保证程序自控专业工程设计质量保证程序”(.8)：(9)“自控专业工程设计文件的校审提要自控专业工程设计文件的校审提要”(.9)；(10)“自控专业工程设计文件的控制程序自控专业工程设计文件的控制程序”(.10)。2、自控专业工程设计文件的编制规定自控专业工程设计文件的编制规定(HGT2

8、0637)(含含8个分规定个分规定)(1)“自控专业工程设计文件的组成和编制自控专业工程设计文件的组成和编制”(.1)；(2)“自控专业工程设计用图形符号和文字代号自控专业工程设计用图形符号和文字代号”(.2)；(3)“仪表设计规定的编制仪表设计规定的编制”(.3)；(4)“仪表施工安装要求的编制仪表施工安装要求的编制”(.4)；(5)“仪表采购单的编制仪表采购单的编制”(.5)：(6)“仪表技术说明书的编制仪表技术说明书的编制”(.6)；(7)“仪表安装材料的统计仪表安装材料的统计“(.7)：(8)(仪表辅助设备及电缆、管缆的编号仪表辅助设备及电缆、管缆的编号)(.8)3、自控专业工程设计文

9、件深度的规定自控专业工程设计文件深度的规定(HGT20638)4、自控专业工程设计用典型图表及标准目录自控专业工程设计用典型图表及标准目录(HGT20639)(1)“自控专业工程设计用典型表格自控专业工程设计用典型表格”(HGT20639.1)：(2)“自控专业工程设计用典型条件表自控专业工程设计用典型条件表”(.2)；(3)“自控专业工程设计用标准目录自控专业工程设计用标准目录”(.3)。五、自控工程设计阶段划分及内容五、自控工程设计阶段划分及内容 国际通用设计体制的工程设计分为两个阶段：国际通用设计体制的工程设计分为两个阶段：基础工程设计阶段和详细工程设计阶段基础工程设计阶段和详细工程设计

10、阶段基础工程设计阶段编制四版：基础工程设计阶段编制四版：(1)初版（简称初版（简称“A”版）；版）；(2)内部审查版（简称内部审查版（简称“B”版）版）(3)用户审查版（简称用户审查版（简称“C”版）版）(4)确认版（简称确认版（简称“D”版）版）详细工程设计阶段编制三版，详细工程设计阶段编制三版，(1)详详1版（或称研究版，简称版（或称研究版，简称“E”版）版）(2)详详2版（或称设计版，简称版（或称设计版，简称“F”版）版）(3)施工版（简称施工版（简称“G版版”）1基础工程设计阶段基础工程设计阶段在基础工程设计阶段主要的设计工作有以下几条：在基础工程设计阶段主要的设计工作有以下几条：(1

11、)设计开工前的技术准备；设计开工前的技术准备；(2)编制仪表设计规定；编制仪表设计规定；(3)编制设计计划；编制设计计划；(4)绘制工艺控制图，参加工艺方案审查会；绘制工艺控制图，参加工艺方案审查会；(5)配合系统专业完成配合系统专业完成P&ID A版、版、B版，参加版，参加B版内版内审会；审会；(6)接受和提交设计条件；接受和提交设计条件；(7)配合系统专业完成配合系统专业完成P&ID C版、版、D版版(8)提出分包项目设计要求；提出分包项目设计要求；(9)编制工程设计文件。编制工程设计文件。2、详细工程设计阶段、详细工程设计阶段在详细工程设计阶段，主要完成下列工作：在详细工程设计阶段，主要

12、完成下列工作：(1)提交仪表连接、安装设计条件；提交仪表连接、安装设计条件；(2)接受管道平面图和分包方技术文件；接受管道平面图和分包方技术文件；(3)配合系统专业完成配合系统专业完成P&ID E版、版、F版、版、G版；版；(4)完成工程设计文件。完成工程设计文件。六、自控工程设计的方法六、自控工程设计的方法1、熟悉工艺流程；、熟悉工艺流程；2、确定自控方案，完成工艺控制流程图、确定自控方案，完成工艺控制流程图(PCD)，并，并配合工艺系统专业完成各版管道仪表流程图配合工艺系统专业完成各版管道仪表流程图(P&ID)3、仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；、仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件

13、；4、控制室设计；、控制室设计；5、节流装置和调节阀的计算；、节流装置和调节阀的计算；6、仪表供电、供气系统的设计；、仪表供电、供气系统的设计；7、依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联、依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件；系的相关设计文件；8根据自控专业有关酌其他设备、材料的选用等根据自控专业有关酌其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件；情况，完成有关的设计文件；9设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件。件。七、自控设计体系表七、自控设计体系表(基础标准基础标准；通用标准；通用标准；专用标准；专用标准)1、基础标准、

14、基础标准(名词术语名词术语9个；图例、符号、制图个；图例、符号、制图 3个个)标准规范名称标准规范名称标准编号标准编号1执行器术语执行器术语GB 9223-882仪表元器件术语仪表元器件术语GB/T 13965-923分析仪器术语分析仪器术语GB/T 13966-924仪器仪表基本术语仪器仪表基本术语GB/T 13983-925传感器通用术语传感器通用术语GB 7665-876敏感元件名词术语敏感元件名词术语GB 4475-847无线电干扰名词术语无线电干扰名词术语GB 4365-838分散型控制系统术语分散型控制系统术语JB/T 9268-19999自控设计常用名词术语自控设计常用名词术语H

15、G/T20699-2000 1过程检测和控制流程图用图形符号过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号和文字代号GB 2625-812炼油厂自动化仪表管线平面布置图炼油厂自动化仪表管线平面布置图图例及文字代号图例及文字代号SH/T3105-20003过程检测和控制仪表的功能标志及过程检测和控制仪表的功能标志及图形符号图形符号HG/T20505-2000(2)图例、符号、制图图例、符号、制图 2、通用标准（工程设计、通用标准（工程设计15个；自动化仪表个；自动化仪表 50个）个）标准规范名称标准规范名称标准编号标准编号1工业自动化仪表用电源、电压工业自动化仪表用电源、电压GB 3368-822不间

16、断电源设备不间断电源设备GB 7260-873工业自动化仪表用模拟气动信号工业自动化仪表用模拟气动信号GB 777-854工业自动化仪表用模拟直流电流信号工业自动化仪表用模拟直流电流信号GB 3369-895工业过程测量和控制系统用电动和气动工业过程测量和控制系统用电动和气动模拟记录仪和指示仪性能评定方法模拟记录仪和指示仪性能评定方法GB 3386-886工业过程测量和控制用检测仪表和显示工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级仪表精确度等级GB/T 13283-917工业自动化仪表用气源压力范围和质量工业自动化仪表用气源压力范围和质量GB 4830-848工业自动化仪表工作条件振动工

17、业自动化仪表工作条件振动GB 4439-849工业自动化仪表盘、柜、台、箱工业自动化仪表盘、柜、台、箱GB/T 7353-199910 流量测量仪表基本参数流量测量仪表基本参数GB/T 1314-91标准规范名称标准规范名称标准编号标准编号1工业自动化仪表盘盘面布置图的绘制方法工业自动化仪表盘盘面布置图的绘制方法JB/T 1396-912工业自动化仪表盘接线接管图的绘制方法工业自动化仪表盘接线接管图的绘制方法JB/T 1397-913工业自动化仪表公称通径值系列工业自动化仪表公称通径值系列JB/T 9234-19994工业自动化仪表公称工作压力值系列工业自动化仪表公称工作压力值系列JB/T 9

18、235-19995工业自动化仪表通用试验方法工业自动化仪表通用试验方法-接地影响接地影响JB/T9233.24-19996一般压力表一般压力表GB 1226-867精密压力表精密压力表GB 1227-868电位器式远传压力表电位器式远传压力表GB 11152-899工业锅炉水位控制报警装置工业锅炉水位控制报警装置GB/T 13638-9210浮筒式液位仪表浮筒式液位仪表GB/T 13969-9211电离辐射料位计电离辐射料位计GB 11923-893、专用标准、专用标准(工程设计工程设计 47个个)标准规范名称标准规范名称标准编号标准编号1石油化工自动化仪表选型设计规范石油化工自动化仪表选型设

19、计规范SH 3005-19992石油化工控制室和自动分析器室设计规范石油化工控制室和自动分析器室设计规范SH 3006-19993石油化工分散控制系统设计规范石油化工分散控制系统设计规范SH/T 3092-19994化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定 一、自控设计管理规定一、自控设计管理规定 HG/T20636-19985化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定 二、自控专业工程设计文件的编制规定二、自控专业工程设计文件的编制规定 HG/T 20637-19986化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定 三、自控专业工程设计文件深度的规定三、自控专业工程设计文件深

20、度的规定 HG/T 20638-19987化工装置自控工程设计规定化工装置自控工程设计规定 四、自控专业工程设计用典型图表及标准目录四、自控专业工程设计用典型图表及标准目录 HG/T 20639-19988自控专业施工图设计内容深度规定自控专业施工图设计内容深度规定HG 20506-929自动化仪表选型规定自动化仪表选型规定HG/T20507-2000八、自动化辅助设计系统八、自动化辅助设计系统/软件软件(1)中国石化中国石化/化工自动化辅助设计系统化工自动化辅助设计系统CCAS软件软件 包括设计标准库、设计文档库、仪表图文库、包括设计标准库、设计文档库、仪表图文库、仪表选型库、安装材料库、设

21、计计算库、回路图库仪表选型库、安装材料库、设计计算库、回路图库等等8大库及系统维护模块。大库及系统维护模块。(2)自控专业计算机辅助工程设计软件包自控专业计算机辅助工程设计软件包WINPCCAD(3)美国鹰图公司的美国鹰图公司的Intools软件软件 该软件已经成为国际仪表工程设计的标准软件，该软件已经成为国际仪表工程设计的标准软件，国内石化、化工、油田、海洋、电力等行业的部分国内石化、化工、油田、海洋、电力等行业的部分设计院（工程公司）已经引进设计院（工程公司）已经引进Intools软件。软件。(4)自动化仪表工程设计数据库自动化仪表工程设计数据库(5)仪表自控安装工程图（仪表自控安装工程图

22、（Hook-up）管理系统）管理系统 九、典型生产过程的控制要求九、典型生产过程的控制要求单元操作的基本任务单元操作的基本任务安全操作安全操作联锁保护，各种软保护（超驰控制、设备联锁保护，各种软保护（超驰控制、设备压力温度控制、压力温度控制、最小最小/最大流量控制等最大流量控制等）平稳操作平稳操作液面控制（或称物料平衡控制），重要操液面控制（或称物料平衡控制），重要操作参数作参数控制等控制等质量控制质量控制直接直接/间接质量控制间接质量控制，如成分，如成分控制控制/灵敏板灵敏板温度控制等温度控制等6.2 换热设备的控制换热设备的控制一、引一、引 言言二、热交换过程的静态特性二、热交换过程的静态

23、特性三、换热设备的控制三、换热设备的控制四、加热炉的控制四、加热炉的控制五、锅炉设备的控制五、锅炉设备的控制 一、引一、引 言言 许多工业过程如蒸馏、蒸发、干燥、结晶和许多工业过程如蒸馏、蒸发、干燥、结晶和化学反应器等均需要根据具体的工艺要求，对物料化学反应器等均需要根据具体的工艺要求，对物料进行加热或冷却，即冷热流体进行热量交换，以维进行加热或冷却，即冷热流体进行热量交换，以维持一定温度。例子：氮肥生产的变换工段：持一定温度。例子：氮肥生产的变换工段：冷热流体进行热量交换的形式有两大类：冷热流体进行热量交换的形式有两大类：一类一类是无相变情况下的加热或冷却是无相变情况下的加热或冷却；另一类是

24、相变情况另一类是相变情况下的加热或冷却下的加热或冷却。实际的传热过程常常由热传导、。实际的传热过程常常由热传导、对流换热和热辐射中两种或三种方式综合而成。对流换热和热辐射中两种或三种方式综合而成。热交换过程与反应过程的热交换过程与反应过程的对象特性比较复杂，对象特性比较复杂，迟后时间特性相当明显，而且不同的对象在控制方迟后时间特性相当明显，而且不同的对象在控制方式与调节品质方面有很大差异式与调节品质方面有很大差异。如裂解炉、烧结炉。如裂解炉、烧结炉要求恒温控制，而硫化炉与热处理炉要求按一定的要求恒温控制，而硫化炉与热处理炉要求按一定的温度时间程序进行控制，电炉加热过程控制的是电温度时间程序进行

25、控制，电炉加热过程控制的是电热丝的通断时间，反应釜控制的是两种调节介质热丝的通断时间，反应釜控制的是两种调节介质(热热与冷与冷)的气动阀门，常采用分程调节的气动阀门，常采用分程调节 因此，对一个自动化系统设计者来说，了解这因此，对一个自动化系统设计者来说，了解这些被控对象、不同控制要求、不同形式执行器组成些被控对象、不同控制要求、不同形式执行器组成系统的方法及其仪表参数设置是相当重要的。系统的方法及其仪表参数设置是相当重要的。换热设备简况换热设备简况化工过程的洋葱模型结构化工过程的洋葱模型结构二、无相变热交换过程的静态特性二、无相变热交换过程的静态特性问题问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知

26、入口：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（条件（G1,T1i,G2,T2i）,要求计算稳定条件下工要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（艺介质与载热体的出口温度（T1o,T2o）。其中）。其中c1,c2分别为相应介质的比热。分别为相应介质的比热。T1o为被控变量。为被控变量。热交换过程的热量平衡方程热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即热损失。即 被加热物料得到的热量被加热物料得到的热量/单位时间单位时间 =载热体放出的热量载热体放出的热量/单位时间单位时间)(11111ioTTGcq22222()ioqc

27、G TT21qq 热交换过程的传热速率方程热交换过程的传热速率方程mmTKFqK 为传热系数；为传热系数；Fm 为传热面为传热面积；积；Tm 为传热壁两侧流体的平为传热壁两侧流体的平均温差均温差.对于逆流单程换热器，对于逆流单程换热器，可取对数平均值可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若若在在1/3 3 之间，则可用算术平均近似之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTT热交换过程的静态方程热交换过程的静态方程)(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioT

28、TGcTTGcq)(121)()(112211121111ioiiiomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiio静态放静态放大系数大系数两式代入得到：两式代入得到：两边除以（两边除以（T2iT1i），化简得到：），化简得到：由上式可知，由上式可知，T2i、T1i为输入量，换热方案确定后，为输入量，换热方案确定后，K和和Fm就就确定，则通过调节冷热流体的流量就可以控制工艺控制量确定，则通过调节冷热流体的流量就可以控制工艺控制量T10。热交换过程的静态特性分析热交换过程的静态特性分析iiioTTTTy1211mKFcGx111mKFcGx22221

29、11211xxxy严重非线性，若其它环严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选节为线性，调节阀需选用等百分数阀。用等百分数阀。三、换热设备的控制方案三、换热设备的控制方案被控变量：被控变量：一般传热设备的被控变量在大多数情况下是工一般传热设备的被控变量在大多数情况下是工艺介质的出口温度。可选择：艺介质的出口温度。可选择：(1)被加热被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；冷却介质的出口温度（无相变）；(2)加热加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量塔底再沸器的蒸发量(不能直接检测）。不能直接检测）。控制变量：控制变量：控制变量的选择通常是控制变量

30、的选择通常是载热体的流量载热体的流量，然而在，然而在控制手段上有多种形式，从传热过程的基本方程式控制手段上有多种形式，从传热过程的基本方程式知道，为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须知道，为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对对传热量传热量进行调节。要调节传热量有以下几条途进行调节。要调节传热量有以下几条途径径1、两侧均无相变化的换热器调节方案、两侧均无相变化的换热器调节方案 (1)调节载热体的流量调节载热体的流量 改变载热体流量的大小，将引起传热系数改变载热体流量的大小，将引起传热系数K和和平均温差平均温差t tm m的变化对于载热体在传热过程中不的变化对于载热体在传热过程中不起相变化的

31、情况，通常起相变化的情况，通常K变化不大。如不考虑变化不大。如不考虑K的变的变化，从前述热量衡算式和传热速率方程式看，当传化，从前述热量衡算式和传热速率方程式看，当传热面积足够大时，热量衡算式可以反映静态特性的热面积足够大时，热量衡算式可以反映静态特性的主要方面。主要方面。改变载热体流量，能有效地改变传热平均温差，改变载热体流量，能有效地改变传热平均温差，亦即改变传热量，因此调节作用能满足要求。亦即改变传热量，因此调节作用能满足要求。方案：调节载热体流量串级控制方案方案：调节载热体流量串级控制方案如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以

32、温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统，采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统，如图所示。如图所示。(2)调节载热体的旁路流量调节载热体的旁路流量 当载热体是工艺流体，其流当载热体是工艺流体，其流量不允许变动时，可采用图示的量不允许变动时，可采用图示的方案。这种方案也是通过改变载方案。这种方案也是通过改变载热体流量来达到温度控制的目的。热体流量来达到温度控制的目的。这里采用三通控制阀来改变进入这里采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量换热器的载流体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又可以保证热器的载热体流量，又可以保

33、证载热体总流量不受影响。这种方载热体总流量不受影响。这种方案在载热体为工艺主要介质时极案在载热体为工艺主要介质时极为常见。为常见。同理，对于冷流体也可以采同理，对于冷流体也可以采用上述两种方案。用上述两种方案。(3)综合调节（前馈反馈控制）综合调节（前馈反馈控制）例子：废热综合利用。目的充分回收废热热源例子：废热综合利用。目的充分回收废热热源qv1的能量，因此不希望对加热介质的流量进行调节。的能量，因此不希望对加热介质的流量进行调节。被控变量：被加热介质被控变量：被加热介质Tc2操纵变量：被加热介质流量操纵变量：被加热介质流量qv2 根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则根据稳态时的热平

34、衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热量应该等于被加热介质吸收的热加热介质释放的热量应该等于被加热介质吸收的热量，即量，即静态前馈函数的实施线路静态前馈函数的实施线路如图虚线框中所示。当如图虚线框中所示。当Th1、Th2、Tc1或或qv1中的任意一个变量变化时，其变化都中的任意一个变量变化时，其变化都可以通过前馈函数部分及时调整流量可以通过前馈函数部分及时调整流量qv2，使这些变，使这些变量的变化对被控制变量量的变化对被控制变量Tc2的影响得到补偿。的影响得到补偿。Tc2温度变送器、温度变送器、PID调节器、调节器、PI调节器、调节器、qv2流量变流量变送器、电气转换器与送器、电气转换器

35、与qv2控制阀门组成一个控制阀门组成一个串级调串级调节系统节系统，Tc2为主被调节变量，为主被调节变量，qv2为副被调节变量。为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个复合调节系统复合调节系统。仪表静态参数的设定见教材。仪表静态参数的设定见教材。2、载热体进行冷凝的加热器自动调节、载热体进行冷凝的加热器自动调节 对于载热体有相变的情况要复杂得多，例如对对于载热体有相变的情况要复杂得多，例如对于蒸汽加热器来说，蒸汽冷凝放热，当传热面积有于蒸汽加热器来说，蒸汽冷凝放热，当传热面积有裕量时，进入多少蒸汽，冷凝多少，且冷凝后继续裕量时，

36、进入多少蒸汽，冷凝多少，且冷凝后继续冷却，即改变了传热量。而传热面积受到限制时，冷却，即改变了传热量。而传热面积受到限制时，蒸汽的冷凝量取决于传热速率方程式。蒸汽的冷凝量取决于传热速率方程式。因此，当被加热介质的出口温度为被控变量时，因此，当被加热介质的出口温度为被控变量时，常采用下述两种控制方案：一种是控制进入的蒸汽常采用下述两种控制方案：一种是控制进入的蒸汽流量流量(a)；另一种是通过改变冷凝液排出量以控制冷；另一种是通过改变冷凝液排出量以控制冷凝器的有效面积凝器的有效面积(b)。为了改善两者的控制滞后，采。为了改善两者的控制滞后，采用串级控制方案用串级控制方案(c)可以有效提高控制系统的

37、品质。可以有效提高控制系统的品质。方案方案a：调节载热体流量单回路控制方案：调节载热体流量单回路控制方案方案方案b：调节载热体冷凝流量的控制方案：调节载热体冷凝流量的控制方案方案方案c：串级控制方案：串级控制方案3 冷却剂进行汽化的冷却器自动调节冷却剂进行汽化的冷却器自动调节 当用水或空气作为冷却剂不能满足冷却温当用水或空气作为冷却剂不能满足冷却温度的要求时，需要用其他冷却剂。这些冷却度的要求时，需要用其他冷却剂。这些冷却剂有液氨、乙烯、丙烯等。这些液体冷却剂剂有液氨、乙烯、丙烯等。这些液体冷却剂在冷却器中由液体汽化为气体时带走大量潜在冷却器中由液体汽化为气体时带走大量潜热，从而使另一种物料得

38、冷却。热，从而使另一种物料得冷却。以氨冷器为例，其控制方案有：以氨冷器为例，其控制方案有：调节冷却剂液氨的流量；调节冷却剂液氨的流量；温度与液位的串级调节；温度与液位的串级调节；调节氨的汽化压力；调节氨的汽化压力；方案：用汽化压力调节氨冷器温度的方案方案：用汽化压力调节氨冷器温度的方案TCLC氨气液氨四、加热炉的控制问题四、加热炉的控制问题被控变量被控变量：工艺介质的出口温度。：工艺介质的出口温度。控制变量控制变量：燃料油或燃料气的流量。：燃料油或燃料气的流量。主要干扰主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃

39、料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。阻力，炉膛压力等。对象特性建模方法对象特性建模方法：定性分析：定性分析+实验测试，通实验测试，通常可用常可用一阶加纯滞后环节一阶加纯滞后环节来近似。来近似。加热炉的单回路控制加热炉的单回路控制加热炉的串级控制加热炉的串级控制加热炉的安全联锁保护系统加热炉的安全联锁保护系统LS：低选器；：低选器；BS：火焰检测器；：火焰检测器；GL1：燃料气流量：燃料气流量过低联锁装置；过低联锁装置；GL2：进料流量过：进料流量过低联锁装置。低联锁装置。6.3 单回路控制系统的应用单回

40、路控制系统的应用 单回路控制系统具有结构简单，投资少，单回路控制系统具有结构简单，投资少，易于调整投运，又能满足一般生产过程的工易于调整投运，又能满足一般生产过程的工艺要求。单回路控制系统一般由被控过程、艺要求。单回路控制系统一般由被控过程、测量变送、调节器和调节阀等环节构成。下测量变送、调节器和调节阀等环节构成。下面通过一牛奶干燥过程的工程设计实例来说面通过一牛奶干燥过程的工程设计实例来说明单回路控制系统的应用。明单回路控制系统的应用。一一、生产工艺简况、生产工艺简况牛奶干燥过程流程简图见图牛奶干燥过程流程简图见图6-4；实验证明：要保证产品质量，需严格控制干燥器实验证明：要保证产品质量，需

41、严格控制干燥器的温度波动小于的温度波动小于 2；试分析：试分析：（1）影响干燥器温度的因素有哪些？影响干燥器温度的因素有哪些？（2）通过比较，合理选择系统控制变量，并说通过比较，合理选择系统控制变量，并说明原因。明原因。（3）试确定调节器调节规律、调节阀的类型及试确定调节器调节规律、调节阀的类型及它们的正反作用方向。它们的正反作用方向。二二、系统设计、系统设计1 被控参数与控制参数的选择被控参数与控制参数的选择（1）被控参数选择：）被控参数选择：根据生产工艺情况，产品质量与干燥温度密切相关。根据生产工艺情况，产品质量与干燥温度密切相关。由于测量水分的仪表的精度不够高，采用对应间接参数由于测量水

42、分的仪表的精度不够高，采用对应间接参数干燥温度，因为水分与温度一一对应。故选用干燥器温度干燥温度，因为水分与温度一一对应。故选用干燥器温度为被控参数。为被控参数。（2）控制参数选择）控制参数选择 影响干燥器温度的主要因素有乳液流量影响干燥器温度的主要因素有乳液流量f1(t)、旁路空、旁路空气流量气流量f2(t)、加热蒸汽量、加热蒸汽量f3(t)等。等。选取其中任一变量作为选取其中任一变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。下面为三种控制方案控制参数，均可构成温度控制系统。下面为三种控制方案系统框图。系统框图。混合过程风管干燥器换热器风管干燥器调节器调节阀干燥器测量变送-Y(t)x(t)f2(t

43、)f3(t)乳液流量为控制参数乳液流量为控制参数混合过程风管干燥器换热器风管干燥器调节器调节阀干燥器测量变送-Y(t)f1(t)f3(t)x(t)风量为控制参数风量为控制参数换热器风管干燥器混合过程风管干燥器调节器调节阀干燥器测量变送-Y(t)f1(t)f2(t)x(t)蒸汽流量为控制参数蒸汽流量为控制参数 三种控制方案系统框图的分析；三种控制方案系统框图的分析；综合考虑通道的特性和工艺的可调整性，选择综合考虑通道的特性和工艺的可调整性，选择旁路空气流量为被控变量最为合适，其调节通道的旁路空气流量为被控变量最为合适，其调节通道的滞后较小，调节的工艺性也最好。滞后较小，调节的工艺性也最好。2 过

44、程检测控制仪表的选用过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求，选用电动单元组根据生产工艺和用户的要求，选用电动单元组合仪表（合仪表（DDZ型）。型）。（1 1）测温元件和变送器）测温元件和变送器被控温度在被控温度在500500以下，选用铂热电阻温度计。并以下，选用铂热电阻温度计。并用三线制接法提高检测精度。用三线制接法提高检测精度。（2）调节阀）调节阀 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选用根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选用气关形式的调节阀；根据过程特性与控制要求选用气关形式的调节阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀；根据被控流量选择调节阀对数流量特性的调节阀；根

45、据被控流量选择调节阀的公称直径和阀芯直径的具体尺寸。的公称直径和阀芯直径的具体尺寸。（3）调节器）调节器 根据工艺要求和过程特性，知道温度要求无余根据工艺要求和过程特性，知道温度要求无余差，因此可选择差，因此可选择PI控制规律，如果被控对象滞后较控制规律，如果被控对象滞后较大，可选大，可选PID控制规律。控制规律。因为调节阀为气关式，作用方向为负，测量便因为调节阀为气关式，作用方向为负，测量便送环节作用方向为正，被控对象输入空气量增加，送环节作用方向为正，被控对象输入空气量增加，输出水分散发也增加，故作用方向为正，根据负反输出水分散发也增加，故作用方向为正，根据负反馈原则，调节器的作用方向为正

46、。馈原则，调节器的作用方向为正。3 画出温度控制流程图及其控制系统方框图画出温度控制流程图及其控制系统方框图调节器W(s)调节阀Wv(s)干燥器Wo(s)测量变送Wm(s)-Y(s)X(s)F(s)4、调节器的整定、调节器的整定 为了使温度控制系统能运行在最佳状为了使温度控制系统能运行在最佳状态，可以按照调节器工程整定方法中任一态，可以按照调节器工程整定方法中任一种进行调节器参数的整定。种进行调节器参数的整定。6.4 精馏塔的控制精馏塔的控制一、工艺流程一、工艺流程二、精馏塔的控制目标二、精馏塔的控制目标三、精馏塔的静态特性三、精馏塔的静态特性四、精馏塔质量指标的选取四、精馏塔质量指标的选取五

47、、精馏塔的基本控制方案五、精馏塔的基本控制方案六、精馏塔的其它控制方案六、精馏塔的其它控制方案一、连续精馏装置的工艺流程一、连续精馏装置的工艺流程操作目的操作目的：通过反复的部分汽化通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组液中沸点不同的各组分分离成产品。分分离成产品。操作代价操作代价：消耗能量，塔底需要消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；塔顶组分冷凝；二、精馏塔的控制目标二、精馏塔的控制目标质量指标质量指标 对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用

48、塔顶与塔底料中关键组分的纯度来质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。表示。产品产量和能量消耗产品产量和能量消耗 在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的产量并设法降低装置的能耗。的产量并设法降低装置的能耗。精馏塔产品纯度、产品回收率精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系和能耗之间的相互关系产品回收率产品回收率：进料中每单位产品组分所能得进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；到的可售产品的数量；能耗指标能耗指标：用单位进料的塔底上升蒸气量用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；来表示；定性规律定性规律：若能耗指标一定，产：若能耗指标

49、一定，产品纯度越高，其回收率越低；若品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越高。耗指标越高，其回收率越高。三、精馏塔的静态特性三、精馏塔的静态特性BDF总与轻组分的物料平衡方程：总与轻组分的物料平衡方程：BDFBxDxFx能耗与分离度能耗与分离度S的关系：的关系：)1()1(lnlnDBBDxxxxSFVBDFDBDBFxxxxFBxxxxFD或结论结论：对于给定的进料，若：对于给定的进料，若D/F和和V/F保持一定，则该塔的保持一定，则该塔的分离结果分离结果xD,xB就完全确定。就完全确定。精馏塔的控制问题精馏塔的控制问题四、

50、精馏塔质量指标的选取四、精馏塔质量指标的选取直接质量指标直接质量指标（1）产品质量在线分析仪）产品质量在线分析仪/软测量仪软测量仪间接质量指标间接质量指标（1）灵敏板温度灵敏板温度，与塔顶，与塔顶/塔底温度相比，塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；（2）温差信息温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；压力波动对产品质量的影响；（3）双温差信息双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶度控制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。塔底产品纯度均适中。五、精馏