过程控制单回路系统各部分的选择

施尚英,黄世瑜

(四川职业技术学院 电子工程学院,四川 遂宁 629000)

简单控制回路的组成一般由一个被控对象、一个检测变送机构、一个控制器、一个执行器组成[1].其组成框图如图1所示.其中,被控对象是过程控制的装置或设备.检测变送机构是把系统的输出变量按照比例转换成标准的电信号.控制器是根据设定值大小和检测信号比较求出偏差大小,按照某一设定的控制规律去控制执行器的开度.执行器通常是控制阀,执行器根据控制器送出信号的大小和方向控制阀体的开度,从而让被控对象按照设定值的数据输出,使过程控制系统满足控制的工艺要求[2].针对不同的系统,各个组成部分的选择对控制工艺的影响不同.下面根据不同的系统来分析每一部分的控制规律及正反控制作用.

图1 单回路控制系统组成框图

1 温控系统

换热器的温度控制系统如图2所示,其工艺要求是出口处的温度稳定,温度不能过高,如果温度过高,换热器内的物料容易受热分解.根据工艺要求确定换热器温度控制系统的各个组成部分的正反作用,来满足其工艺的要求[3].

图2 加热炉温度控制工艺流程图

根据图2的工艺流程图,我们先提取出加热炉的组成方框图.首先,加热炉温度控制的对象是换热器,换热器的输出变量是换热器的出口温度,换热器的操纵变量是蒸汽.以图2所示操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定对象的正反作用,当进入到换热器的蒸汽越多其温度就越高,变化趋势相同,对象为正作用,用“+”表示在组成方框图中.检测变送机构就是温度的检测与变送,没有特殊说明的情况下,这个部分均只能给正作用,用“+”表示在换热器的组成方框图中.根据给出的工艺要求,出口处的温度稳定,温度不能过高,如果温度过高,换热器内的物料容易受热分解.采用气动执行器时,没有气源的时候控制阀必须关闭,热的蒸汽才不能进入到换热器里面,换热器里面的物料就不会受热分解,选择气开式的执行机构.根据规定,气开式的执行机构是正的作用,气关式的执行机构是反作用,所以执行器的正反作用就确定下来是正作用,用“+”表示在换热器的组成方框图中.为了换热器的温度控制系统的稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.所以控制器的控制规律是反作用,用“-”换热器的组成方框图中,如图3所示.

图3 加热炉温度控制方框图

根据图4的工艺流程图,我们先提取出加热炉的组成方框图.首先,输出变量是换热器的出口温度.根据定义,加热炉温度控制系统的对象就是换热器.以图4所示操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定对象的正反作用当进入到换热器的冷流体越多,其换热器出口温度就越低,变化趋势相反,所以对象为反作用,用“-”表示在组成方框图中.检测变送机构就是温度的检测与变送,没有特殊说明的情况下,这个部分均只能给正作用,用“+”表示在换热器的组成方框图中.根据给出的工艺要求,出口处的温度稳定,温度不能过高,如果温度过高,换热器内的物料容易受热分解.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须打开,冷流体才能进入到换热器里面,换热器里面的物料就不会受热分解,选择气关式的执行机构,执行器的正反作用就确定下来是反作用,用“-”表示在换热器的组成方框图中.为了保证换热器温度控制系统的稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是反作用,用“-”换热器的组成方框图中,如图5所示.

图4 加热炉的温度控制工艺流程图

针对相同的安全工艺要求,图2、图4均要求换热器的出口温度不能过高,否则会引起安全隐患.不同的操作变量,图2操作变量是热的蒸汽,图4操作变量是冷流体.过程控制组成框图中,各个部分的正、反作用不一样,才能达到相同的工艺安全生产的控制要求,如图3、图5所示.

2 液位控制

储液槽液位控制系统如图6所示.控制储液槽输出的流量使储液槽液位保持在一定的高度,为了安全起见,储液槽液体严禁溢出.根据工艺要求确定这个液位控制单回路的各个组成部分的正反作用,来满足其工艺的要求[4].

图6 储液槽液位控制工艺流程图

根据图6的工艺流程图,我们先提取出储液槽液位控制系统的组成方框图.首先,根据定义储液槽液位控制系统的对象就是储液槽,输出变量是储液槽的液位高度,操纵变量是流出储液槽的流体流量.以图6所示的操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定对象(储液槽)的正反作用,当储液槽中流体的流出量越多其液位高度就越低,一多一低,变化趋势相反,所以对象为反作用,用“-”表示在组成方框图中.检测变送机构就是液位的检测与变送,没有特殊说明这个部分都是只能给正作用,用“+”表示在储液槽液位控制系统的组成方框图中.根据给出的工艺要求使储液槽液位稳定,储液槽液位保持在一定的高度,为了安全起见,储液槽液体严禁溢出.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须打开,储液槽里的液体随控制阀打开往外流动,储液槽液体永远不会溢出,选择气关式的执行机构,所以执行器的正反作用就确定下来是反作用,用“-”表示在储液槽液位控制的组成方框图中.为了保证储液槽液位控制系统的液位控制稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是反作用,用“-”表示在储液槽液位控制的组成方框图中,如图7所示.

图7 液位控制系统方框图

根据图8的工艺流程图,我们先提取出储液槽液位控制系统的组成方框图.首先,根据定义储液槽液位控制系统的对象就是储液槽,输出变量是储液槽液位控制系统的液位高度,操纵变量是流入储液槽的流体流量.以图8所示的操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定储液槽的正反作用,当储液槽中流体的流入量越多其液位高度就越高,一多一高,变化趋势相同,所以对象为正作用,用“+”表示在储液槽液位控制系统组成方块图中.检测变送机构就是液位的检测与变送,没有特殊说明这个部分都是只能给正作用,用“+”表示在储液槽液位控制系统的组成方框图中.根据给出的工艺要求使储液槽液体稳定,储液槽液位保持在一定的高度,为了安全起见,储液槽液体严格禁止溢出.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须关闭,储液槽里的液位随控制阀关闭,停止往储液槽里面注入流体,储液槽液体永远不会溢出,选择气开式的执行机构,所以执行器的正反作用就确定下来是正作用,用“+”表示在储液槽液位控制的组成方框图中.为了保证储液槽液位控制系统的液位控制的稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是反作用,用“-”表示在储液槽液位控制的组成方框图中,如图9所示.

图8 储液槽液位控制工艺流程图

图9 液位控制系统方框图

3 压力控制

离心泵压力控制系统如图10所示.控制管道中的压力,使其保持在一定的压力值范围内,为了安全起见,不能让管道中的压力过大,压力过大容易撑破管道,破坏生产的安全进行.根据工艺要求确定这个压力控制单回路的各个组成部分的正反作用,来满足其工艺的要求[5].

图10 离心泵压力控制工艺流程图

根据图10的工艺流程图,我们先提取出离心泵压力控制系统的组成方框图.首先,根据定义,离心泵压力控制系统的对象就是离心泵.输出变量是离心泵压力控制系统的管道压力,操纵变量是进入离心泵的空气.以图10所示的操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定离心泵的正反作用,当离心泵转动越快,密闭管道的压力就越高,一快一高,变化趋势相同,所以对象为正作用,用“+”表示在离心泵压力控制系统组成方框图中.检测变送机构就是压力的检测与变送,如果没有特殊说明,这个部分均只能给正作用,用“+”表示在离心泵压力控制系统的组成方框图中.根据给出的工艺要求使管道中压力稳定,离心泵压力保持在稳定的数值,为了安全起见,不能让管道中的压力过大,压力过大容易撑破管道,破坏生产的安全进行.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须关闭,管道中的流体停止注入,管道中的压力就不会过大,保证生产的安全进行,选择气开式的执行机构,所以执行器的正反作用就确定下来是正作用,用“+”表示在离心泵压力控制系统的组成方框图中.为了离心泵压力控制系统的压力控制的稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是反作用,用“-”表示在离心泵压力控制的组成方框图中,如图11所示.

图11 离心泵压力控制原理方框图

离心泵压力控制系统如图10所示.控制管道中的压力,使其保持在一定的压力值,为了安全起见,管道中压力不能过小,压力过小管道中的流体容易被堵住,破坏生产的安全进行.根据工艺要求确定这个压力控制单回路的各个组成部分的正反作用,来满足其控制的要求[6].

根据图10的工艺流程图,我们先提取出离心泵压力控制系统的组成方框图.首先,输出变量是离心泵压力控制系统的管道压力.根据定义离心泵压力控制系统的对象就是离心泵.以图10所示的操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定对象(离心泵)的正反作用,当离心泵转动越快,密闭管道的压力就越高,一快一高,变化趋势相同,所以对象为正作用,用“+”表示在离心泵压力控制系统组成方框图中.检测变送机构就是压力的检测与变送,没有特殊说明这个部分均只能给正作用,用“+”表示在离心泵压力控制系统的组成方框图中.根据给出的工艺要求使管道中压力稳定,离心泵压力保持在稳定的数值,为了安全起见,不能让管道中的压力过小,压力过小容易把管道堵住,破坏生产的安全进行.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须打开,管道中的流体继续注入,管道中的压力就不会过小,从而保证生产的安全进行,选择气关式的执行机构,所以执行器的正反作用就确定下来是反作用,用“-”表示在离心泵压力控制系统的组成方框图中.为了离心泵压力控制系统的压力控制的稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是正作用,用“+”表示在离心泵压力控制的组成方框图中,如图12所示.

图12 离心泵压力控制原理方框图

离心泵流量控制系统如图13所示.控制管道中的流量,使其保持一定,为了安全起见,不能让管道中的流量过大,流量过大容易撑破管道,破坏安全生产.根据工艺要求确定这个流量控制单回路的各个组成部分的正反作用,来满足其工艺的要求.

图13 离心泵流量控制工艺流程图

根据图13的工艺流程图,我们先提取出离心泵流量控制系统的组成方框图.首先,输出变量是离心泵压力控制系统的管道流量.根据定义离心泵流量控制系统的对象就是离心泵.以图13所示的操纵变量和输出变量的变换趋势为依据,确定对象(离心泵)的正反作用,当离心泵转动越快,密闭管道的输出流量就越高,一快一高,变化趋势相同,所以对象为正作用,用“+”表示在离心泵流量控制系统组成方框图中.检测变送机构就是流量的检测与变送,没有特殊说明这个部分均只能给正作用,用“+”表示在离心泵流量控制系统的组成方框图中.根据给出的工艺要求使管道中流量稳定,离心泵流量保持在一稳定的数值,为了安全起见,不能让管道中的流量过大,流量过大容易撑破管道,破坏生产的安全进行.如果采用气动执行器,没有气源的时候控制阀必须关闭,管道中的流体停止流动,管道中的流量就不会过大,保证生产安全进行,选择气开式的执行机构,所以执行器的正反作用就确定下来是正作用,用“+”表示在离心泵流量控制系统的组成方框图中.为了保证离心泵流量控制系统的流量控制稳定性,整个闭环控制系统必须是负反馈的控制.因此,控制器的控制规律是反作用,用“-”表示在离心泵流量控制的组成方框图中,如图14所示.

图14 离心泵流量控制方框图

4 结论

过程控制系统的温度、流量、液位、压力等简单回路控制系统的各个部分的正反作用选择依据如下:首先是对象的确定,在不同物理量的简单回路控制系统中,先看操纵变量对对象的影响,如果变化的趋势相同就是正作用的对象特点.反之,如果变化的趋势相反,就是反作用的对象特点.其次是确定检测变送机构的控制作用,这个没有特殊说明,根据传感器的定义和特点,检测变送机构的控制作用都是正作用.再次是确定执行机构的正反控制作用,都以气动执行机构为例,主要根据生产现场工艺安全条件来确定正反控制作用.当出现起动执行机构的气源消失或是停电等紧急情况,必须保证生产的人和设备的安全,作出气开(正作用执行器)、气关(反作用执行器)选择.最后是控制器的控制规律的正反作用选择.前面的三个部分分别是对象、检测变送器、执行器.要保障过程控制系统的稳定性,这个性能是自动化控制系统最基本的性能要求.所以闭环控制系统必须是负反馈.换言之,对象、检测变送机构、执行机构、控制器四个部分的乘积等于负值,才能保证系统稳定运行.系统的稳定性也是过程控制系统最基本的控制要求.根据这个结论来确定任何简单回路的过程控制系统的各组成部分的正反作用,均简单易行,对于初学者也会很快上手.这个结论也适用于任何单回路系统控制,具有普遍性.