過程控制單回路系統(tǒng)各部分的選擇

施尚英,黃世瑜

(四川職業(yè)技術學院 電子工程學院,四川 遂寧 629000)

簡單控制回路的組成一般由一個被控對象、一個檢測變送機構、一個控制器、一個執(zhí)行器組成[1].其組成框圖如圖1所示.其中,被控對象是過程控制的裝置或設備.檢測變送機構是把系統(tǒng)的輸出變量按照比例轉(zhuǎn)換成標準的電信號.控制器是根據(jù)設定值大小和檢測信號比較求出偏差大小,按照某一設定的控制規(guī)律去控制執(zhí)行器的開度.執(zhí)行器通常是控制閥,執(zhí)行器根據(jù)控制器送出信號的大小和方向控制閥體的開度,從而讓被控對象按照設定值的數(shù)據(jù)輸出,使過程控制系統(tǒng)滿足控制的工藝要求[2].針對不同的系統(tǒng),各個組成部分的選擇對控制工藝的影響不同.下面根據(jù)不同的系統(tǒng)來分析每一部分的控制規(guī)律及正反控制作用.

圖1 單回路控制系統(tǒng)組成框圖

1 溫控系統(tǒng)

換熱器的溫度控制系統(tǒng)如圖2所示,其工藝要求是出口處的溫度穩(wěn)定,溫度不能過高,如果溫度過高,換熱器內(nèi)的物料容易受熱分解.根據(jù)工藝要求確定換熱器溫度控制系統(tǒng)的各個組成部分的正反作用,來滿足其工藝的要求[3].

圖2 加熱爐溫度控制工藝流程圖

根據(jù)圖2的工藝流程圖,我們先提取出加熱爐的組成方框圖.首先,加熱爐溫度控制的對象是換熱器,換熱器的輸出變量是換熱器的出口溫度,換熱器的操縱變量是蒸汽.以圖2所示操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定對象的正反作用,當進入到換熱器的蒸汽越多其溫度就越高,變化趨勢相同,對象為正作用,用“+”表示在組成方框圖中.檢測變送機構就是溫度的檢測與變送,沒有特殊說明的情況下,這個部分均只能給正作用,用“+”表示在換熱器的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求,出口處的溫度穩(wěn)定,溫度不能過高,如果溫度過高,換熱器內(nèi)的物料容易受熱分解.采用氣動執(zhí)行器時,沒有氣源的時候控制閥必須關閉,熱的蒸汽才不能進入到換熱器里面,換熱器里面的物料就不會受熱分解,選擇氣開式的執(zhí)行機構.根據(jù)規(guī)定,氣開式的執(zhí)行機構是正的作用,氣關式的執(zhí)行機構是反作用,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是正作用,用“+”表示在換熱器的組成方框圖中.為了換熱器的溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.所以控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”換熱器的組成方框圖中,如圖3所示.

圖3 加熱爐溫度控制方框圖

根據(jù)圖4的工藝流程圖,我們先提取出加熱爐的組成方框圖.首先,輸出變量是換熱器的出口溫度.根據(jù)定義,加熱爐溫度控制系統(tǒng)的對象就是換熱器.以圖4所示操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定對象的正反作用當進入到換熱器的冷流體越多,其換熱器出口溫度就越低,變化趨勢相反,所以對象為反作用,用“-”表示在組成方框圖中.檢測變送機構就是溫度的檢測與變送,沒有特殊說明的情況下,這個部分均只能給正作用,用“+”表示在換熱器的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求,出口處的溫度穩(wěn)定,溫度不能過高,如果溫度過高,換熱器內(nèi)的物料容易受熱分解.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須打開,冷流體才能進入到換熱器里面,換熱器里面的物料就不會受熱分解,選擇氣關式的執(zhí)行機構,執(zhí)行器的正反作用就確定下來是反作用,用“-”表示在換熱器的組成方框圖中.為了保證換熱器溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”換熱器的組成方框圖中,如圖5所示.

圖4 加熱爐的溫度控制工藝流程圖

針對相同的安全工藝要求,圖2、圖4均要求換熱器的出口溫度不能過高,否則會引起安全隱患.不同的操作變量,圖2操作變量是熱的蒸汽,圖4操作變量是冷流體.過程控制組成框圖中,各個部分的正、反作用不一樣,才能達到相同的工藝安全生產(chǎn)的控制要求,如圖3、圖5所示.

2 液位控制

儲液槽液位控制系統(tǒng)如圖6所示.控制儲液槽輸出的流量使儲液槽液位保持在一定的高度,為了安全起見,儲液槽液體嚴禁溢出.根據(jù)工藝要求確定這個液位控制單回路的各個組成部分的正反作用,來滿足其工藝的要求[4].

圖6 儲液槽液位控制工藝流程圖

根據(jù)圖6的工藝流程圖,我們先提取出儲液槽液位控制系統(tǒng)的組成方框圖.首先,根據(jù)定義儲液槽液位控制系統(tǒng)的對象就是儲液槽,輸出變量是儲液槽的液位高度,操縱變量是流出儲液槽的流體流量.以圖6所示的操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定對象(儲液槽)的正反作用,當儲液槽中流體的流出量越多其液位高度就越低,一多一低,變化趨勢相反,所以對象為反作用,用“-”表示在組成方框圖中.檢測變送機構就是液位的檢測與變送,沒有特殊說明這個部分都是只能給正作用,用“+”表示在儲液槽液位控制系統(tǒng)的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求使儲液槽液位穩(wěn)定,儲液槽液位保持在一定的高度,為了安全起見,儲液槽液體嚴禁溢出.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須打開,儲液槽里的液體隨控制閥打開往外流動,儲液槽液體永遠不會溢出,選擇氣關式的執(zhí)行機構,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是反作用,用“-”表示在儲液槽液位控制的組成方框圖中.為了保證儲液槽液位控制系統(tǒng)的液位控制穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”表示在儲液槽液位控制的組成方框圖中,如圖7所示.

圖7 液位控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)圖8的工藝流程圖,我們先提取出儲液槽液位控制系統(tǒng)的組成方框圖.首先,根據(jù)定義儲液槽液位控制系統(tǒng)的對象就是儲液槽,輸出變量是儲液槽液位控制系統(tǒng)的液位高度,操縱變量是流入儲液槽的流體流量.以圖8所示的操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定儲液槽的正反作用,當儲液槽中流體的流入量越多其液位高度就越高,一多一高,變化趨勢相同,所以對象為正作用,用“+”表示在儲液槽液位控制系統(tǒng)組成方塊圖中.檢測變送機構就是液位的檢測與變送,沒有特殊說明這個部分都是只能給正作用,用“+”表示在儲液槽液位控制系統(tǒng)的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求使儲液槽液體穩(wěn)定,儲液槽液位保持在一定的高度,為了安全起見,儲液槽液體嚴格禁止溢出.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須關閉,儲液槽里的液位隨控制閥關閉,停止往儲液槽里面注入流體,儲液槽液體永遠不會溢出,選擇氣開式的執(zhí)行機構,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是正作用,用“+”表示在儲液槽液位控制的組成方框圖中.為了保證儲液槽液位控制系統(tǒng)的液位控制的穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”表示在儲液槽液位控制的組成方框圖中,如圖9所示.

圖8 儲液槽液位控制工藝流程圖

圖9 液位控制系統(tǒng)方框圖

3 壓力控制

離心泵壓力控制系統(tǒng)如圖10所示.控制管道中的壓力,使其保持在一定的壓力值范圍內(nèi),為了安全起見,不能讓管道中的壓力過大,壓力過大容易撐破管道,破壞生產(chǎn)的安全進行.根據(jù)工藝要求確定這個壓力控制單回路的各個組成部分的正反作用,來滿足其工藝的要求[5].

圖10 離心泵壓力控制工藝流程圖

根據(jù)圖10的工藝流程圖,我們先提取出離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖.首先,根據(jù)定義,離心泵壓力控制系統(tǒng)的對象就是離心泵.輸出變量是離心泵壓力控制系統(tǒng)的管道壓力,操縱變量是進入離心泵的空氣.以圖10所示的操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定離心泵的正反作用,當離心泵轉(zhuǎn)動越快,密閉管道的壓力就越高,一快一高,變化趨勢相同,所以對象為正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)組成方框圖中.檢測變送機構就是壓力的檢測與變送,如果沒有特殊說明,這個部分均只能給正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求使管道中壓力穩(wěn)定,離心泵壓力保持在穩(wěn)定的數(shù)值,為了安全起見,不能讓管道中的壓力過大,壓力過大容易撐破管道,破壞生產(chǎn)的安全進行.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須關閉,管道中的流體停止注入,管道中的壓力就不會過大,保證生產(chǎn)的安全進行,選擇氣開式的執(zhí)行機構,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖中.為了離心泵壓力控制系統(tǒng)的壓力控制的穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”表示在離心泵壓力控制的組成方框圖中,如圖11所示.

圖11 離心泵壓力控制原理方框圖

離心泵壓力控制系統(tǒng)如圖10所示.控制管道中的壓力,使其保持在一定的壓力值,為了安全起見,管道中壓力不能過小,壓力過小管道中的流體容易被堵住,破壞生產(chǎn)的安全進行.根據(jù)工藝要求確定這個壓力控制單回路的各個組成部分的正反作用,來滿足其控制的要求[6].

根據(jù)圖10的工藝流程圖,我們先提取出離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖.首先,輸出變量是離心泵壓力控制系統(tǒng)的管道壓力.根據(jù)定義離心泵壓力控制系統(tǒng)的對象就是離心泵.以圖10所示的操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定對象(離心泵)的正反作用,當離心泵轉(zhuǎn)動越快,密閉管道的壓力就越高,一快一高,變化趨勢相同,所以對象為正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)組成方框圖中.檢測變送機構就是壓力的檢測與變送,沒有特殊說明這個部分均只能給正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求使管道中壓力穩(wěn)定,離心泵壓力保持在穩(wěn)定的數(shù)值,為了安全起見,不能讓管道中的壓力過小,壓力過小容易把管道堵住,破壞生產(chǎn)的安全進行.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須打開,管道中的流體繼續(xù)注入,管道中的壓力就不會過小,從而保證生產(chǎn)的安全進行,選擇氣關式的執(zhí)行機構,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是反作用,用“-”表示在離心泵壓力控制系統(tǒng)的組成方框圖中.為了離心泵壓力控制系統(tǒng)的壓力控制的穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是正作用,用“+”表示在離心泵壓力控制的組成方框圖中,如圖12所示.

圖12 離心泵壓力控制原理方框圖

離心泵流量控制系統(tǒng)如圖13所示.控制管道中的流量,使其保持一定,為了安全起見,不能讓管道中的流量過大,流量過大容易撐破管道,破壞安全生產(chǎn).根據(jù)工藝要求確定這個流量控制單回路的各個組成部分的正反作用,來滿足其工藝的要求.

圖13 離心泵流量控制工藝流程圖

根據(jù)圖13的工藝流程圖,我們先提取出離心泵流量控制系統(tǒng)的組成方框圖.首先,輸出變量是離心泵壓力控制系統(tǒng)的管道流量.根據(jù)定義離心泵流量控制系統(tǒng)的對象就是離心泵.以圖13所示的操縱變量和輸出變量的變換趨勢為依據(jù),確定對象(離心泵)的正反作用,當離心泵轉(zhuǎn)動越快,密閉管道的輸出流量就越高,一快一高,變化趨勢相同,所以對象為正作用,用“+”表示在離心泵流量控制系統(tǒng)組成方框圖中.檢測變送機構就是流量的檢測與變送,沒有特殊說明這個部分均只能給正作用,用“+”表示在離心泵流量控制系統(tǒng)的組成方框圖中.根據(jù)給出的工藝要求使管道中流量穩(wěn)定,離心泵流量保持在一穩(wěn)定的數(shù)值,為了安全起見,不能讓管道中的流量過大,流量過大容易撐破管道,破壞生產(chǎn)的安全進行.如果采用氣動執(zhí)行器,沒有氣源的時候控制閥必須關閉,管道中的流體停止流動,管道中的流量就不會過大,保證生產(chǎn)安全進行,選擇氣開式的執(zhí)行機構,所以執(zhí)行器的正反作用就確定下來是正作用,用“+”表示在離心泵流量控制系統(tǒng)的組成方框圖中.為了保證離心泵流量控制系統(tǒng)的流量控制穩(wěn)定性,整個閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋的控制.因此,控制器的控制規(guī)律是反作用,用“-”表示在離心泵流量控制的組成方框圖中,如圖14所示.

圖14 離心泵流量控制方框圖

4 結論

過程控制系統(tǒng)的溫度、流量、液位、壓力等簡單回路控制系統(tǒng)的各個部分的正反作用選擇依據(jù)如下:首先是對象的確定,在不同物理量的簡單回路控制系統(tǒng)中,先看操縱變量對對象的影響,如果變化的趨勢相同就是正作用的對象特點.反之,如果變化的趨勢相反,就是反作用的對象特點.其次是確定檢測變送機構的控制作用,這個沒有特殊說明,根據(jù)傳感器的定義和特點,檢測變送機構的控制作用都是正作用.再次是確定執(zhí)行機構的正反控制作用,都以氣動執(zhí)行機構為例,主要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場工藝安全條件來確定正反控制作用.當出現(xiàn)起動執(zhí)行機構的氣源消失或是停電等緊急情況,必須保證生產(chǎn)的人和設備的安全,作出氣開(正作用執(zhí)行器)、氣關(反作用執(zhí)行器)選擇.最后是控制器的控制規(guī)律的正反作用選擇.前面的三個部分分別是對象、檢測變送器、執(zhí)行器.要保障過程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,這個性能是自動化控制系統(tǒng)最基本的性能要求.所以閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是負反饋.換言之,對象、檢測變送機構、執(zhí)行機構、控制器四個部分的乘積等于負值,才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行.系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是過程控制系統(tǒng)最基本的控制要求.根據(jù)這個結論來確定任何簡單回路的過程控制系統(tǒng)的各組成部分的正反作用,均簡單易行,對于初學者也會很快上手.這個結論也適用于任何單回路系統(tǒng)控制,具有普遍性.