过程控制技术--第7章(2)概况

,7.3 分程控制系统,7.3.1 分程控制,1. 分程控制的出现,先看一个具体例子，然后由此引出分程控制系统（Split-ranging Control System）的概念、常见类型等内容。,图 7-14 为某化学反应器温度控制示意图，其中 TT 为温度检测器，TC为温度控制器，温度为被控参数，直接影响产品质量。当反应容器的物料填装完成后，由于初始温度过低，需对物料进行加热，才能开始反应过程。此时控制器输出大于 0.06MPa 信号（需经 420mA / 0.020.1MPa 的电气转换），打开 A 阀（气开式），见图 7-15，让蒸汽进入反应容器，开始化学反应。等到化学反应发生后，会释放大量的热，容器内温度迅速上升，A阀减小开度。由于反应必须在规定的温度下进行，温度过高，一来影响产品质量，二来可能出现事故。所以，必须尽快将过高的温度压下去，于是关掉蒸汽阀 A，并打开冷却水阀 B（气闭式），带走反应热，使容器降温。随着温度下降，B阀逐渐减小开度，见图 7-15，物料温度最终达到并维持在工艺要求的水平上。,上述这种根据工艺要求，将整个控制器的输出信号进行分段，以驱动两个或两个以上调节阀在各自的区段工作，称实现这种控制方式的系统为分程控制系统。,图7-15 调节阀分程关系,图7-14 化学反应器温度控制示意图,简单地说，分程控制系统就是在单回路控制系统的基础上增加了一个或多个调节阀（以增加一个居多）。两个调节阀工作在控制器输出的不同区段（具体实现将在后面具体介绍），两分程控制系统一般性结构方框图见图 7-16。,图7-16 二分程控制系统一般性结构,2. 两分程控制的类型,从以上叙述可以看出，分程控制系统本质上仍然是单回路控制系统，仅增多了一个调节阀（也可能多于两个调节阀）。由于调节阀有气开式和气闭式之分，在不同的信号区段，它们的开启与闭合是应该引起注意的。所以，这里就这个问题作进一步讨论。至于实践中究竟是选哪种形式，需由生产工艺和安全作业等因素决定。,（1）调节阀同向动作的分程控制,图 7-17 为调节阀同方向分程动作示意图，其中（a）为气开式调节阀动作走势，（b）为气闭式调节阀动作走势。在7-17（a）图中，当控制器输出信号为 0.02MPa 时，A 阀（逐渐）打开，B 阀关闭。输出信号为 0.06 MPa 时，A阀全开，同时 B 阀开始（逐渐）打开。当输出信号,图7-17 调节阀同向动作分程图,(a),(b),为 0.1MPa 时，B 阀全开；在图 7-17（b）中，当控制器输出 0.02 MPa 时，A 阀由原来的全开开始逐渐关闭，B 阀全开不变。当控制器输出为 0.06 MPa 时，A 阀全闭，B 阀开始逐渐关闭。当信号为 0.1MPa 时，B 阀全关闭。,（2）调节阀异向动作的分程控制,调节阀异向动作，是指两个调节阀，一个是气开式，另一个是气闭式，在一个系统中分程执行控制信号的情形。在图 7-18（a）中，当控制器输出信号为 0.02MPa 时，气开式A调节阀开始（逐渐）打开，气闭式调节阀B维持全开。当输出信号为 0.06MPa 时，A 阀全开，B阀开始关,(b),（a）,图7-18 调节阀异向动作分程图,小。当输出信号为 0.10 时，B 阀全关，A阀维持全开不变。在图 7-18（b）中，当控制器输出0.01MPa 时，气闭式调节阀B开始关小。当输出信号为 0.06MPa 时，B阀全关，气开式调节阀A开始打开。当输出信号为 0.10MPa 时，A 阀全开，B 阀仍关闭。前面的化学反应器温度分程控制系统就是采用这种形式。,调节阀按气开式和气闭式分类，进行两两组合，一共有四种选择结果。设计时应根据工艺要求、生产安全和经济节俭的原则来选择。,7.3.2 值得关注的问题及其解决方法,大体上说，分程控制系统的设计可按单回路控制系统进行。但是，由于使用了两个或两个以上的调节阀，因此产生了一些新的问题，需要有相应的解决办法。例如，控制器输出信号分几段、各调节阀如何实现各自的执行范围、各调节阀特性在选择上有什么值得注意的地方，以及因调节阀分程控制引起的控制性能变化等。,1. 分几程的问题,分程控制涉及：控制器输出信号分为几段？分别为几个调节阀提供操纵信号？要回答这类问题，必须了解生产工艺的要求。要求决定控制、要求决定方式。通过事先对生产工艺过程的深入了解，发现问题，提出具体的解决方案。实践中二分程的居多。就拿本节前面的化学反应器温度控制系统来说，反应初期，反应器中的物料温度低于设定值，反应不能发生，需要加温，蒸汽加温就可满足这一需要。再考虑节约和安全的原因，蒸汽加温调节阀选气开式的。当物料温度上升后，物料反应发生，并释放大量的热。由于反应器中温度过高，影响产品质量和安全，需关断蒸汽阀，并进行降温。于是，冷水阀开启，带走热量，温度下降，最终维持在设,定值上。由该过程可知，整个过程需加热和冷却两个调节阀即可，控制器输出信号经电气转换器后，也相应分为两段：0.060.10 MPa，0.020.06 MPa。,2. 分程控制的实现问题,分程控制系统中的调节阀与单回路控制系统中的调节阀，在输入信号工作范围上是不一样的。单回路控制系统只有一个调节阀，其输入信号范围是 0.020.1 MPa，而二分程控制系统中，有两个调节阀，其工作范围一个是 0.020.06 MPa，另一个为0.060.1 MPa。分程控制是通过调节阀的附件阀门定位器，如气动阀门定位器或电气阀门定位器，来实现的。具体说，根据每段输入信号范围，改变阀门定位器的弹簧或迁移输入信号零点，调整调节阀全行程动作所对应的信号区间。例如，当输入信号为 0.060.10 MPa 时，通过改变阀门定位器调节弹簧和零点，使其输出为 0.020.1 MPa，实现阀门从全关到全开，或全开到全关。当一个调节阀在其信号范围内工作时，另一个调节阀应保持先前状态不动作（全开或全闭）。,除了用阀门定位器实现控制信号的分程以外，如果用计算机进行过程控制，也可用计算机作工具，进行控制信号的分程。将计算机输出的控制信号进行区间划分、零点迁移、量程调整或标度变换等处理后，然后从不同的通道传输给相应的调节阀执行。,3. 因调节阀切换引起的问题,二分程控制系统的两个调节阀的选择一般与生产工艺过程要求有直接关系。从流量特性上来说，主要有两点要求：,第一是每个调节阀特性与过程特性的乘积应为常数，使得被控过程具有线性特征，并且每个控制通道（阀+过程）的特性应变化较小，或者基本不变化。在工艺允许的情况下，尽量选择相近或相同特性的调节阀，为达到预期控制效果创造条件。,第二是所选的调节阀在切换时，其流量变化应连续、平滑。如果两个阀在流通能力、增益大小等方面有差异，它们切换时，流量会有变化，只是大小不同而已。一般来说，工艺上要求流量连续、过度平滑，应该在选择调节阀时有所考虑，或采取一定的补救措施。当然，如果工艺上对于这种变化无关紧要，可以置之不理。,图 7-19 为两线性调节阀组成的分程控制综合流量特性图。图7-19（a）表明由于线性阀A和B 流量特性相差较远，在由 A 阀切换至 B 阀时，出现大的转折，呈现较为严重的非线性。这对于一些严格的工艺过程可能是不允许的。图 7-19（b）显示，线性阀 A 和 B 流量特性较为接近，由阀A切换至阀 B 后，基本上仍维持原线性特性。,(a) A、B两阀特性相差较远,图7-19 两线性调节阀组成的分程控制系统综合流量特性曲线,(b) A、B两阀特性较为接近,当二分程控制系统采用的是两个对数流量特性的调节阀时，由 A 阀切换至 B 阀，很容易产生图 7-20（a）所示的情形，即在两调节阀流量衔接处出现弯曲。这种不平滑的过渡对一些工艺过程是不希望出现的。为此，可采取切换区域重叠的方法进行解决。假如原分程控制在气压为0.06 MPa 时，由 A 阀切至 B 阀，现在气压为 0.06 MPa 前后分别扩展一小区，作为由 A 阀向 B 阀切换的重叠区，在该区两阀均工作，从而消除衔接处的弯曲，使流量平滑，过了该区后，A 阀停止工作。于是，解决了因阀切换而产生流量不平滑的问题，见图 7-20（b）。,(a) 原两阀切换前后流量特性曲线,图7-20 两对数调节阀组成的分程控制系统综合流量特性,(b) 处理后两阀切换前后流量特性曲线,4. 控制器参数整定的问题,如果所选的两个调节阀在流量特性上相近，且调节阀的切换不会带来工艺流程上的明显差别，此时不会给控制性能带来较大影响。问题是如果两个调节阀相差较大，或切换调节阀还带,来工艺流程上的不同，此时将引起被控过程不小的变化，由于不能实时调整控制器参数，会给系统的控制质量带来影响。对于这种情况，通常是采用折中的办法处理，整定的参数对任何一程工作状况虽不是最好的，但双方均可接受。当然，也可采用一些高等级的控制规律来解决问题，但这不是本节要讨论的内容。,7.3.3 应用举例,分程控制的应用主要表现在两方面：一是满足工艺要求，实现分程分段控制，实践中以二分程居多；二是扩大调节阀的可调范围，一个调节阀用大流量的，另一个用小流量的，两者衔接使用，扩展流量控制范围，提高控制系统质量。,1. 废液的中和过程控制,在前面比值控制系统中，我们曾经叙述过用酸性液体来中和废碱液的变比值控制系统的例子，这里再举一个与其相似的例子，以此来说明分程控制的应用。,在一些诸如印染、造纸和化工等生产过程中，常常排除一些酸性的，或者碱性的废弃液体。如果不对其进行处理，直接排入江河湖泊，将会污染环境，危害人和动物的健康。为此，需要对这些废弃液体进行中和无害化处理。由于废弃液体有酸性的（ ），也有碱性的 ( ),所以，需要对废弃液体进行 pH 值检测，根据检测结果，施加酸溶液或碱溶液，对废液进行中和，中和的理想结果应该是 ，然后排出中和液体。图 7-21 是废液中和过程分程控制示意图，其中 pHT 为检测器，也称 pH 计，pHC 为控制器。,设两个调节阀均为气开式，由于这里的中和液（被控量）比较特殊，可以考虑被控过程为正作用，而控制器取反作用方式，整个闭环构成负反馈。pH 检测器是通过测量废弃液中氢离子,图7-21 废液中和过程分程控制示意图,浓度来检测酸碱度的。氢离子浓度越大，pH 值越小，但 pH 计输出的电流越大。设 时，检测器输出电流为 ，若 pH 检测器的输出电流为 ，则废弃液体呈碱性，此时应开启控制酸液的A阀（ B 阀应处在关闭状态），加入适量的酸性溶液，中和废碱液；相反，如果 ，则废弃液体呈酸性，此时应开启控制碱液的B阀（A 阀应处在关闭状态），加入碱性溶液，中和酸性废液。,2. 扩大调节阀的可调范围,目前国产调节阀的可调范围一般为 30，在一些场合，这显得不够用。借助分程控制，将两个阀作一个阀使用，可实现扩大可调范围，即扩程。,扩程要求调节阀一个是大流通能力的，一个是小流通能力的，而且所用阀应为同向动作阀，大阀的泄漏量原则上不应超过小阀的正常工作调节量。,例如，大调节阀A的最大流通能力为 ，可调范围为 30，泄漏量为 0.9，则该阀最小流通能力为 （流通能力单位为：体积单位时间单位）。,小阀 B 的最大流通能力为 ，可调范围为 30，则该阀最小流通能力为 泄漏量为 0。由此可算得总可调范围为,7.4 选择性控制系统,由此可见，可调范围提高了不少。,7.4.1 选择性控制的产生与概念,在生产过程中，生产设备和系统昼夜不停地工作，时间久了，难免会发生这样或那样的故障。以前碰到这种情况，往往会停车或停机检查、修理。对于较为复杂的控制系统，从发现问题，到排除，往往需要几小时、十几小时，甚至几天的时间。这严重地影响了生产，在经济上造成较大损失。随着技术的进步和需求的增加，生产也在向大规模、联动化和自动化的方向发展，一处的故障，可能引起全线的停机。于是，生产的安全性、控制系统的保护性问题就