蒸发器e1201系统控制方案(编辑修改稿)

蒸发器e1201系统控制方案(编辑修改稿)内容摘要：

器温度稳定在 108℃ 提升负荷，调节阀 FV1202 S5 蒸发器的出口流量稳定在 S6 关闭阀 FV1202 设置控制器 FIC1202设定值并投自动 S7 关闭阀 FV1105 11 表 系统13 工作 状态表 表 14 条件列表 符号 内容 ready 所有阀门全部处于关闭状态 start 按下开车按钮 S8 关闭阀 FV1203 S9 关闭阀 FV1201 12 stop 按下停车按钮 a1 按下紧急停车按钮或紧急停车联锁自动启动 t1 蒸发器温度 T1201超过 200℃ t2 蒸发器液位高于 90％ 蒸发器特性分析 通过上述状态图描述可以知道被控对象 —— 蒸发器是一个复杂的控制系统。 其主要输入变量主要有过热蒸汽流量 FI1105和稀液流量 FI1201等，输出变量主要有二次蒸汽流量 FI120冷凝水、浓缩液流量 FI1202。 上述输入变量和输出变量之间相互关联。 如果在加入过热蒸汽后稀液流量的供给量发生变化，则输出量（二次蒸汽、冷凝水和浓缩液）都将发生变化；当输入系统一定量的稀液后，供给系统不同量的过热蒸汽，则输出量的值也按照一定的规律发生变化，因此该系统是一个多输入、多输出的 复杂控制系统，且各参数之间的相互影响关系可以用符号有向图 (Signed Directed Graph SDG)进行描述，如图。 FV1105开 度FI1105TI1201PI1201FV1201阀 后 压 力FV1201开 度LI1201AI1201FV1201开度稀 液 蒸 发 量FI1203蒸 发 器上 部 汽相 组 分FV1202阀 前 压力FV1202 图 蒸发器 SDG模型 SDG 是一种系统的定性描述方式，图中每一个圆圈代表一个参数，圆圈之间的箭头表达了参数之间的影响关系，箭头的始端代表影响变量，箭头的末端代表被影响变量。 箭头为实线表明上游变量增大（减小）时，下游变量也会增大（减少）；箭头为虚线则表明上 游变量增大（减小）时，下游变量减小（增大）。 通过加热炉 SDG 模型，可以直观地表达出各输入、输出变量以及中间变量 13 之间的相互影响关系以及参数之间的耦合关系。 被控参数特性分析 蒸发器控制系统中被控对象的主要有温度、液位和流量等三个参数。 不同对象参数具有不同的特性，需要采用不同的控制方法。 （ 1） 温度 温度对象通常是多容的。 温度动态特性具有惯性大，容易受其它因素干扰，且易于变化的特点。 由于容量滞后大，有些过程的时间常数达到十几分钟。 由于温度变化滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作 用环节。 在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。 温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。 温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。 因此，在工业生产中要实现对系统温度的准确控制常使用 PID控制器进行合理控制。 （ 2） 流量 流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，响应比较灵敏。 这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化， 滞后时间小、响应快。 对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。 流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。 这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。 特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。 噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，因此流量控制系统不能加微分控制环节。 由于噪声频率很高，尽管噪声幅度变化不大，但若加 上微分控制器，则其输出容易出现波动，反而使系统不稳定，降低系统的稳定性。 因此，在工业中对流量的控制常采用 PI控制器。 （ 3） 液位 液位特性的特点是负荷变化不大、滞后比较小、且在一定范围内允许变化。 基于液位特性的这 14 些特点，在工业生产中常选择比例控制器实现对它的控制。 观察该控制系统，影响蒸发器液位高低的主要因素是稀液的流入量、浓缩液的流出量以及冷凝水的排出量。 它们的共同作用使正常工作下的系统液位保持基本不变。 且容易实现对它的测量。 第二章 蒸发器控制方案设计 在充分考虑了蒸发器装置对象特性的基础上，下面对其进行控制方案的设计。 15 总体方案设计原则 系统控制方案设计在整个工程方案设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。 任何一种控制系统设计的目的都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。 因此，为实现此目的，设计加热炉装置的控制方案时，应遵循以下基本原则： （ 1）满足要求 最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计该控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。 进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。 （ 2）安全可靠 保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计中的重要原则。 为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。 （ 3）经济实用 在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。 （ 4）适应发展 考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当的扩展功能。 本参赛队以上述原则为基本出发点，根据蒸发器生产工艺要求，对蒸发器进行控制方案设计。 控制方案主要包括两大部分：基础过程控制系统（ Basic Process Control System， BPCS）的方案设计和安全相关系统（ Safety Related System， SRS）的方案设计。 基础过程控制系统 (BPCS) 基础过程控制系统设计原则 一、控制方案设计原则 控制方案的设计遵循合理性、可行性原则，即所设计的控制方案一 定是经过验证可以实施的。 按照这一原则，本方案以工业上常见的控制方案为参照，以单回路控制、串级控制、前馈控制、 PID 控制前馈 反馈控制等为基本方案，这样可以保证方案具有较高的可实施性和工业应用价值。 16 二、控制阀选型原则 （ 1）阀门开闭形式选择原则 对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。 一般来说，要根据以下几条原则进行选择： ① 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能 源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。 ② 从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。 ③ 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。 ④ 从介质的特点考虑。 一般来说，根据上面介绍的几条原则，调节阀开、闭形式不难选择。 不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。 第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。 如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。 第二种情况是某些生产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。 (2) 阀门流量特性选择原则 调节阀的流量特性指流过调节阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。 根据调节阀两端的压降，调节阀流量特性分固有流量特性和工作流量特性。 固有流量特性是调节阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为理想流量特性。 工作流量特性是在工作状态（压降变化）下调节阀的流量特性。 调节阀出厂所提供的流量特性是理想流量特性。 国内常用的理想流量特性有线性、等百分比（对数）和快开等几种。 图 所示为调节阀的流量特性曲线，可以看出流过调节阀的流量随调节阀开度的变化曲线，其中 1 为线性流量特性， 2 为等百分比流量特性， 3 为快开流量特性。 实际应用时，由于调节阀两端的压降下降不是恒定的，因此，调节阀理想流量特性会发生畸变。 所以在调节阀流量特性选择时，先选好工作流量特性，然后根据压降比 S 来确定理想流量特性。 17 0 1 0 05 01 0 08 06 02 04 0123行 程 %流 量 系 数 % 图 调节阀流量特性曲线 根据控制系统稳定运行的原则，扰动或设定值变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各 开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。 选择调节阀工作流量特性的目的是通过调节阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成的开环总增益变化的影响。 总开环增益 K 开 =KcKv1Kv2KpKm， 一般已整定好的调节器增益 Kc、 执行机构增益 Kv1和检测变送环节增益 Km 不 随负荷或设定值而变化。 为使 K 开恒定，需用调节阀增益 Kv2 的变化补偿过程对象增益 K p。 当 K p 随负荷或设定值变化时，通过选择合适的调节阀流量特性，使 Kv2Kp 保持基本不变。 对于流量控制回路，被 控变量与操纵变量相同，都为流量，所以流量对象 K p=1。 若使用流量变送器时，变送器输出与流量成正比， KM=常数，为使系统稳定，选 Kv2 恒定的调节阀，即线性调节阀。 若使用差压变送器而又没有加开方器时，变送器输出与压差成正比，即 YM=KQ2； KM=d Y/d Q=2KQ，使KM K p 与流量 Q 成正比，为补偿该非线性关系，应选择 Kv2 与流量 Q 的倒数成正比的调节阀流量特性，即选用快开调节阀。 由于调节阀出厂所提供的流量特性为理想流量特性，因此工作流量特性选定后，根据压降比 S 来确定理想流量特性。 当 S 时，应选理想流量特性与所需工作流量特性相同；当 S 时，应该采用特殊的低 S 调节阀；当 S 时，对应关系如表 21 所示。 18 表 21 S 三、控制器正反作用选择原则 从控制原理可知，对于一 个反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时，其过渡将会是衰减的。 反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到干扰，过渡过程将会发散。 系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈，即控制回路各个环节的符号之积为负值。 在控制回路中，对象、调节阀、测量变送装置和偏差环节的符号是很容易确定的，这样就可以确定控制器的正反作用。 需要注意的是，对于 DCS 而言，偏差为设定值减去测量值，因为该环节的输入为测量值，当测量值减少的时候，偏 差增加；当测量值增加的时候，偏差减少，因此，该环节的符号一直为负。 四、控制器规律选择原则 工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例 积分控制、比例 微分控制、比例 积分 微分控制等。 过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温度，这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。 有一些基本原则可以在选择时加以考虑： 对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制； 对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考 虑采用比例 微分控制。 但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例 微分控制； 对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例 积分控制； 对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例 积分 微分控制或者是先进控制算法。 浓缩液流量单回路控制系统 所需工作流量特性 应选理想流量特性 线性 等百分比 等百分比 等百分比 快开 线性 19 浓缩液流量是生产过程。