第5章4-选择性控制系统-12年

5.4选择性控制系统5.4.1概述5.4.2选择性控制系统的类型及应用5.4.3选择性控制系统的设计5.4.5积分饱和及其防止措施5.4.1概述控制系统可分为三类：物料平衡（或能量平衡）控制，质量控制和极限控制。选择性控制属于极限控制一类。它的特点是：在正常工况下，参数不会超限，所以也不考虑对它进行直接控制；而在非常工况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。选择性控制系统又叫取代控制，也称超驰控制。生产保护性措施的分类：硬保护和软保护2.软保护参数达到第一极限时报警→设法排除故障→若没有及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经连锁装置动作，自动停车。达到保护生产的目的。1.硬保护参数达到第一极限时报警→设法排除故障→在这同时，改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。这种操作方式一般会使原有的控制质量降低，但能维持生产的继续运转，避免了停车。选择性控制系统：把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常控制系统上去的一种控制方法。生产过程趋近于危险极限区，但未达到危险区时，一个用于控制不安全的控制方案取代正常情况下的控制方案，即用一个取代控制器的装置自动顶替正常情况下工作的控制器。当生产脱离危险时，再切换到正常工作下的控制器。要构成选择性控制，生产操作必须有一定选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要具有选择功能的自动选择器(高值选择器和低值选择器)或有关切换装置来完成。5.4.2选择性控制系统的类型及应用选择性控制系统的特点：采用了选择器。选择器在控制系统中的位置分类：1）选择器在测量变送器输出端；2）选择器在控制器的输出端，并在控制阀前A、对被控参数的选择B、对操纵变量的选择根据控制阀的结构分类：1)开关型选择性控制系统2)连续型选择性控制系统3)混合型选择性控制系统1）选择器位于调节器之前，对变送器输出信号选择选择的目的有两个：第一个：选出最高或最低测量值。图8-62a为反应器热点温度的选择性控制原理图。氢气和氮气在触媒的作用下合成为氨。合成塔内的反应温度是反映氨合成率的间接指标。热点温度过高会烧坏触媒，在触媒层的不同位置上插入热电偶，将测量的温度信号送至高选器，通过选择最高温度进行控制，保证不烧坏触媒。特点：几个变送器合用一个调节器第二个：选出可靠测量值。为防止仪器故障对装置可能造成的危害，对于关键性的检测点可同时安装三个变送器，通过选择器，选出可靠的测量信号进行自动控制，以提高系统运行的可靠程度。图8-63为反应器成分信号中值选择性控制。2）选择器位于调节器输出端，对调节器输出信号选择特点：几个调节器合用一个调节阀正常调节器在生产正常情况下工作；取代调节器处于备用状态。在正常情况下，两个调节器同时输出信号到选择器，选出适应生产安全状况的控制信号给调节阀，进行自动控制。在生产状况不正常时，通过选择器(低值或高值)选出能适应安全状况的控制信号，由取代调节器代替正常调节器工作，直到生产情况恢复正常，然后再通过选择器的自动切换，仍由原正常调节器来控制生产的正常进行。A、对被控量的选择性控制系统工程示例：冷却器出口温度与液氨液位选择性控制系统TC物料气氨液氨LC选择器为了防止液氨带液进入氨压缩机危及氨压缩机安全，控制阀应选气开式。物料出口温度是工艺的操作指标，温度控制器是正常情况下工作的控制器，由于温度对象的容量滞后比较大，因此，温度控制器应选择PID控制规律。系统中液位控制器为非正常情况下工作的控制器，因此，液位控制器应选用窄比例式。由于液位控制系统是在非正常情况下工作，液位大于给定值时，反作用控制器LC下降，所以选择器应低选器LS，以防事故的发生。GCT(S)GmL(S)GmT(S)GOL(S)GOT(S)GV(S)GCL(S)LSFTB、对操纵变量的选择性控制系统与被控量选择性控制系统的差别在于被控量有一个，而操纵变量有两个。它比普通单回路控制系统又增加了一个影响被控量的控制通道。控制器选择装置控制阀1控制阀2对象1对象2检测元件、变送器Y(s)工程示例：加热炉的燃料供热方案采用低值燃料A和高值燃料B供热。为了节约能源，要求只有在负荷增加后，在最大限度地使用低值燃料A仍然感到不足时，才把高值燃料B作为补充形式投入燃烧。串级控制系统：温度控制器的输出信号作为选择计算装置的输入值，经计算后，按照信号，作为低值燃料A和高值燃料B流量控制器的设定值。QBCQACTc冷物料热物料选择计算燃料A燃料B气开反Tr1)开关型选择性控制系统定义：一般设有A、B两个可供选择的变量。A变量：工艺操作的主要指标；B变量:工艺上对它只有一个限值要求。在限值以内时，生产过程按变量A进行连续控制，当B达到或超过限值时，选择控制系统将通过专门的装置切断A的输出，而控制阀迅速关闭或打开，直到B回到限值内，系统才重新恢复到按变量A进行连续控制。开关型选择性控制系统一般都用作系统的限值保护。丙烯冷却器的两种控制方案TC裂解气气丙烯液丙烯88℃15℃TC裂解气气丙烯液丙烯88℃15℃LS注：LS为液位开关工程示例：在乙烯分离过程中，裂解气经五段压缩后其温度已达到88℃。为了进行低温分离，必须将它的温度降下来。为此，工艺上采用了液丙烯低温下蒸发吸热原理，用它与裂解气换热，达到降低裂解气温度的目的。分析工作过程：非正常工况时：当裂解气温度过高或负荷过大时，控制阀已被大幅开大，并且冷却器中所有的列管都有已被淹没时，裂解气温度仍降不下来，则不能再使控制阀开度继续开大了，因为一来换热面积已无法再增加，二来丙烯液位的继续上升，会使冷却器中的丙烯蒸发空间缩小，使气丙烯出现带液现象，给压缩机带来损害。正常工况时下：液位低于限值（75%），液位开关LS断开，电磁阀失电，温度控制器输出直通控制阀，实现温度控制；TC裂解气气丙烯液丙烯88℃15℃LS非正常工况时，液位高于限值（75%），液位开关LS接通，电磁阀得电，将温度控制器输出切断，同时使控制阀膜头与大气相通，控制阀关闭，停止进液丙烯。待冷却器中液态丙烯逐渐蒸发，液位慢慢下降到低于75%时，液位开关LS断开，电磁阀重新失电，恢复温度控制系统。2)连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统与开关型选择性控制系统区别：在连续型性选择控制系统中，一般具有两个连续控制器，它们的输出通过一个选择器后，送往控制阀。一个控制器工作在正常情况下，另一个工作在非正常情况下，并通过选择器进行切换。当取代作用发生后，控制阀不是立即全关或全开，而是在原有开度基础上继续控制，因此，对控制阀来说，控制作用是连续的。工作机理：工程示例1：蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉是一个很重要的动力设备，它直接担负着向全厂提供蒸汽的任务。因此必须对锅炉的正常运行采取一系列的保护措施。问题：当燃料压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭，产生脱火现象。一旦发生脱火不仅会因未燃烧而导致烟囱冒黑烟，而且会在燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。PC2PC1LSPBPYPA供水燃料气蒸汽PC1为正常控制器：蒸汽压力为被控参数PC2为非常控制器：燃料压力为被控参数控制器PC2燃料气压力变送器蒸汽压力变送器蒸汽压力对象控制阀控制器PC1燃料气压力对象LSPBPAPYP1P2在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力，PC2感受到的是负偏差，因此它的输出PB呈现为高信号，而与此同时PC1的输出信号相对来说呈低信号。这样，低选器LS将选中PC1输出PA送往控制阀，构成蒸汽压力控制系统。当燃料气压力上升到超过PC2的给定值时，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此它的输出PB一下跌为低信号，于是低选器LS将选中PC2输出PB送往控制阀，构成燃料气压力控制系统，从而防止燃料气压力上升，达到防止脱火的产生。工作过程：工程示例2：乙烯工程中，C3绿油塔液位与去脱丙烷塔绿油流量的选择性控制系统脱丙烷塔绿油塔FCLCLS进料FLS(30%)GCL(S)GmF(S)GmL(S)GOF(S)GOL(S)GV(S)GCF(S)LSFL控制阀：气开阀FC：反作用LC：正作用工作过程:(1)在正常情况下，绿油塔液位L高于给定值LS(30%)，LC感受的是正偏差，其输出为高信号（LC为正作用），低选器LS将选中FC输出送往控制阀，构成流量控制系统，以维护脱丙烯塔进料的稳定。(2)当绿油塔液位L低于给定值LS(30%)时，LC感受到的是负偏差，其输出迅速地转变为低信号（LC为正作用），低选器LS将选中LC输出送往控制阀，从而构成液位控制系统，因此控制阀将被关小，防止液位继续下降。脱丙烷塔绿油塔FCLCLS进料FLS(30%)GCL(S)GmF(S)GmL(S)GOF(S)GOL(S)GV(S)GCF(S)LSFL“正”“反”3)混合型选择性控制系统定义：既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的系统。问题：当燃料压力不足时，燃料气管线压力有可能低于燃烧室压力，这样可能会出现回火现象。PC2PC1LSPBPYPA供水燃料气蒸汽解决：在方案中增加一只带下限节点的压力控制器PC3和一只三通电磁阀。PC2PC1LSPBPYPA供水燃料气蒸汽PC3分析：当燃料气压力正常时，PC3下限节点是断开的，电磁阀是失电的，低选器LS输出直通控制阀。一旦燃料气压力下降到低于下限值时，电磁阀得电的，于是切断低选器LS控制阀的通路，使得控制阀关闭，以防回火现象。当燃料气压力恢复正常，电磁阀失电，恢复正常工作状态。5.4.3选择性控制系统的设计选择性控制系统的设计步骤1、根椐生产安全要求选择控制阀的开、闭形式2、根椐对象的特性和控制要求，选择控制器的控制规律及正、反作用。3、最后根椐控制器的正、反作用和选择性控制系统设置的目的，确定选择器的类型。选择器的类型可以根据生产处于不正常情况下、正常情况控制器的输出信号高、低来确定；如果在非正常情况下它的输出信号为高信号，应选高选器；如果在这种情况下它的输出信号为低信号，应选低选器。工程示例：氨冷却器出口温度与液氨液位选择性控制系统TC物料气氨液氨LC选择器LSGCT(S)GmL(S)GmT(S)GOL(S)GOT(S)GV(S)GCL(S)LT++--+控制阀：气开LC：反作用TC：正作用为了防止液氨带液进入氨压缩机危及氨压缩机安全，控制阀应选气开式。物料出口温度是工艺的操作指标，温度控制器是正常情况下工作的控制器，由于温度对象的容量滞后比较大，因此，温度控制器应选择PID控制规律。系统中液位控制器为非正常情况下工作的控制器，因此，液位控制器应选用窄比例式。由于液位控制系统是在非正常情况下工作，液位大于给定值时，反作用控制器LC下降，所以选择器应低选器LS，以防事故的发生。分析：TC物料气氨液氨LC选择器“反”“正”5.4.4积分饱和及其防止措施1)积分饱和的产生及其危害2)抗积分饱和措施1)积分饱和的产生及其危害积分饱和：一个具有积分作用的控制器，当处于开环工作状态时，如果偏差一直存在，那么，由于积分作用控制器的输出将不断增加或不断减少，一直达到极限为止，这种现象称之为积分饱和。积分饱和产生的条件：（1）控制器具有积分作用。（2）控制器处于开环工作状态。（3）偏差信号长期存在。内因：控制器具有积分作用；外因：偏差长期存在得不到消除。危害：积分饱和造成了控制阀的工作死区，使控制阀不能即时地发挥作用，因而导致控制品质的恶化，甚至还会导致事故。2)抗积分饱和措施抗积分饱和措施的分类：(1)限幅法定义：通过采取一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制阀工作在信号范围内。(2)积分切除法定义：当控制器处于开环状态时，将控制器的积分作用切除掉的方法。在回路处于正常工作状态时，又回复原来的积分作用。(3)外反馈法定义：不选用其自身的输出信号作为反馈信号。采用外部信号作为控制器的反馈信号，这样，当控制器处于开环状态时，就不会形成对偏差的积分作用。外反馈法只适用于气动控制器。