化工过程控制

化工流程的自动控制仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。化工流程自动化控制的优点：①、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率；②、保证化工流程安全、稳定的运行；③、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；④、降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响；“CAC”－－－ComputerAidedControl“CAO”－－－ComputerAidedOperation化工流程中经常需要控制的部分工艺变量（参数）：温度压力流量液位搅拌转速PH值浊度、粘度、各种组份浓度对一个化工流程进行控制人工控制仪表和计算机控制（自动控制）自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断决策、手动操作。计算机自动控制系统示意图化工过程（或化工设备）一次仪表二次仪表（物理量）（变送器）计算机控制装置4～20mA0～5V执行机构（自控阀门）计算机自动控制系统仪表（一次和二次仪表）计算机控制装置动作机构（自控阀门）计算机主机（硬件、软件）A/D、D/A（模入、模出）控制软件（平台软件及二次开发的控制应用软件）序号名称符号序号名称符号1变送器4控制室仪表2就地安装仪表5孔板流量计3机组盘装仪表6转子流量计化工流程自控仪表的一些图形符号：自控参量代号：T——温度F——流量P——压力或真空度L——物位C——浓度pH——氢离子浓度A——分析V——黏度M——搅拌转速自控功能代号：I——指示C——控制Q——累积J——记录X——信号T——调节L——联锁A——报警R——人工遥控表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统，显示并控制该值。表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。FIC101TI101例如：8.1化工流程自控控制的一些基本概念一、自动控制术语TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水要求：热流股温度控制在80±1℃1、被控对象（被控过程、被控设备）TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。上述例子中，被控对象就是换热器。2、被控变量（被控参数）定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。上述例子中，热流股的温度。TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水3、控制变量（操纵变量）定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值的某个物理量。上述例子中，加热蒸汽的流量。4、干扰变量（扰动变量）定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生变化的一些物理量。上述例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水5、设定值与控制精度设定值－－－被控变量的工艺规定值。（注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。）控制精度－－－设定值允许的波动范围。上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。80℃就是被控变量的设定值，±1℃就是对热流股温度的控制精度要求。对连续过程，设定值是一个定值温度（℃）时间80温度（℃）时间对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线）TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水6、控制偏差控制偏差－－－被控变量的设定值与其实际测量值之差。上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。如果实际检测为80.6℃，那么0.6℃就是控制偏差。偏差在控制精度以内－－－控制有效（成功控制），如80.9℃偏差在控制精度以外－－－控制失控，如81.2℃控制失效的原因有多种。二、控制系统类型计算机自动控制系统开环控制系统闭环控制系统TI换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水1、开环控制系统人工预先给定蒸汽流量值计算机控制装置TI换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水FI2、闭环控制系统TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水闭环控制系统作用原理：通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向），反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。开环控制系统与闭环控制系统的几点显著区别：①、闭环控制系统是按被控变量的检测值与其设定值的偏差去操纵（影响）控制变量；而开环控制系统是按照控制变量本身的设定值或干扰变量的大小去操纵（影响）控制变量。②、闭环控制系统在被控变量控制装置控制变量之间形成了相互影响的回路。即：控制变量可以改变到被控变量，反过来，被控变量的信息有可以指导控制变量的调节。而开环控制系统不存在此相互影响的回路。③、闭环控制系统必须有被控变量的检测，而开环控制系统可以没有被控变量的检测。化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法）◆普通固定PID算法；◆自校正PID算法；◆自适应控制算法；◆自校正控制算法；◆模糊（FUZZY）控制算法；◆专家控制系统算法；在化工流程的实际控制中，经常遇到一些干扰变量多、大滞后等问题，对控制回路的控制算法提出了挑战。◆……控制要求为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：抑止外部扰动的影响使过程在优化的工况下操作控制要求为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：抑止外部扰动的影响扰动—外界因素变化如原料和公用工程流量、温度和压力的波动对系统的影响。干扰不可避免过程变量x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：变量时间稳定系统的响应特性（1）稳定系统——在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。过程变量x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：（1）稳定系统——在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。（2）不稳定系统——受到外界的影响不能随着时间的变化恢复原状。变量时间不稳定系统的一种响应特性设在冷却夹套的连续搅拌反应釜中，进行串联反应:CBA副反应为放热反应，其放热量通过器壁传给夹套中的冷剂。通过分析，可知反应放热量可用釜温T的S形函数A来表示，而冷剂吸收的热量是釜温T的线性函数B。TQT1P1P2P3T2T3T'2Q'2Q2AB控制要求为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：抑止外部扰动的影响使过程在优化的工况下操作设在某气固催化反应，其催化剂失活迅速，需定期切换，副反应的活化能高于主反应。反应器全年利润：－折旧费用－人工费用再生费用用－公用工程费用）产品销售收入－原料费利润＝TdtN0(N——每年反应器再生次数T——操作周期若反应器高温操作：反应选择性低，原料消耗费用增加；应采用变温操作，在操作周期内逐步升温。反应速度低，产率低；同样产量，催化剂再生费用增加若反应器低温操作：最优化控制控制系统的设计要点及步骤例如，苯（B)和乙烯（E）气相烃化的反应方程式如下：1)确定达到设计要求所需测量的参数EBBEDEBEBEMBDMBEB2乙苯二乙苯二甲苯甲苯反应采用的催化剂较易失活，若苯过量能减缓催化剂的失活并能提高反应的选择性。试决定需测量的参数。V101乙烯苯P101E101R101E102T101V102E103E104T102E106E105V103苯和乙烯气相烷基化流程图(1)产品数量：生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料乙烯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控制的目的应测量乙烯的进料量。V101C6H6P101E101R101E102T101V102E103E104T102E106E105V10328C2H4苯和乙烯气相烷基化流程图(1)产品数量：生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料苯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控制的目的应测量乙烯的进料量。(2)产品质量：乙苯的质量由乙苯精馏塔塔顶产品的组成决定。为确保该组成为预期值，测量参数有以下三种方案：•反馈控制•前馈控制•推断控制•反馈控制乙苯精馏塔产品质量反馈控制T10287AIC910E106E105------利用被控变量的直接测量值调节控制变量•前馈控制T10287FIC910E106E105乙苯精馏塔产品质量前馈控制-----利用直接测量的扰动来调节被控制变量的方法•推断控制T10287910E106E105T1T2T3乙苯精馏塔产品质量推断控制---利用塔板温度与馏出液组成的严格关系，控制精馏塔塔顶出口组成(3)安全：为了防止燃烧与爆炸事故，应防止设备的超温和超压。对于反应器R101应测量其进出口温度和床层温度，并设置超温报警及紧急情况下切断乙烯进料的装置。对于精馏塔应测量其塔顶或塔釜的压力。(4)可操作可操作的基本要求是满足各个设备内在的约束条件。例如储罐不应溢流或抽空，精馏塔不应液泛或漏液。因此，应设置储罐V101，V102，V103的液面测量，精馏塔T102，T103的压降测量等措施。(5)经济：•优化控制设备：例如反应器R101的优化控制问题，是否采用优化控制要根据可能性和经济评价结论确定；•在乙烯、苯、乙基苯、冷却水总管、蒸汽总管等管道上设置流量计，为计算车间成本提供所必须的产量和原料、辅助材料以及公用工程的消耗量。重要的流量计不仅能提供和显示瞬间值，而且有累计功能。V101乙烯苯P101E101R101E102T101V102E103E104T102E106E105V103127654381312111091514苯和乙烯气相烷基化流程图2)选择控制变量对于某个测量参数，可能有多个可任意调节的输入变量，需选择一个或多个变量作为控制变量，即确定控制方案。-----该项工作是过程控制的核心内容。若有多个方案可供选择而定性分析不能作出判断时，则有必要进行动态模拟以得出定量的结论。控制系统的设计要点及步骤1)确定达到设计要求所需测量的参数2)选择控制变量控制系统的设计要点及步骤1)确定达到设计要求所需测量的参数3)确定调节器的调节规律目前广泛应用的调节规律有三种：•比例调节•比例积分调节•比例积分微分调节3)确定调节器的调节规律•比例调节按照被调参数值与给定值的偏差大小和方向，发出与偏差成比例的控制信号。例如：盘管加热器处于稳态工况下的热量平衡式为：0)(02010TTCpFQ式中F、、Cp、T1和T2分别是物料的流量、密度、热容、进口和槽内温度。Q为蒸汽传递给物料的热量，上标0表示稳定状态。若有外界干扰T1升高，如果不改变Q，T2将随着时间t逐渐升高。设储槽内液体体积稳定为V，则)(212TTCpFQdtdTCpV)()]()[()(00220110222QQTTTTCpFdtTTdCpVdtdTCpV00022)(QTTQ要使偏差等于0，需要按照T2与T20的偏差调节Q。设控制规律使Q的变化与偏差T2-T20成比例，即比例增益)()]()[()(022022011022TTTTTTCpFdtTTdCpVtT2-T20a=1a=2a=0比例反馈控制的温度响应曲线比例调节不适用于负荷变化较大而又不允许有残余偏差的系统。确定调节器的调节规律目前广泛应用的调节规律有三种：•比例调节•比例积分调节•比例积分微分调节•比例积分调节比例积分调节是指它的输出不是与偏差保持比例关系，而与偏差对时间的积分保持比例关系。即：00022')(QdtTTQttdtTTTTTTCpFdtTTdCpV0022'022011022)()]()[()(tT2-T20a'=1a'=2a'=0a'=3比例积分反馈控制的温度响应曲线比例积分调节不适用于纯滞后和惯性滞后较大的系统。比例积分调节适用于负荷变化较大而又不允许有残余偏差的系统。确定调节器的调节规律目前广泛应用的调节规律有三种：•比例调