1、,化工设计竞赛培训,自动控制系统,主讲人：DUT石化小妖 李桂平（化工1302）CHEMBLOCK 王舒婷（化工1303）,人工控制与自动控制,（1）用眼观察温度计的指示值；,人工控制过程：,（2）将观察值与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向，并传递给大脑；,（3）大脑根据偏差的大小和方向，依据经验决定开关阀门开度的大小和方向，并指令手去执行；,（4）手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。,以换热器为例,人工控制与自动控制,自动控制过程：,（1）由测温度元件热电阻测的出口物料的温度，并转换成电信号，再由温度变送器将电信号转换成标准信号；,（2）将变送器得出的信号与要求值进行比较，得出偏差的大
2、小和方向；,（3）根据偏差的大小和方向，按照一定的控制规律输送出一个对应的信号去控制阀的动作；,（4）控制阀接受信号，改变控制阀的开度大小，从而改变了进入换热器的蒸汽量，达到调整温度的目的,以换热器为例,被控制的设备或工作机械,被控制对象内要求实现自动控制的物理量,控制器与被控对象的总称,在控制系统中影响系统输出量的外界输入量,给定输入量,扰动输入量,系统的输入量 ,被控对象 ,被控量（输出量）,自动控制系统 ,在没有人的直接参与下，利用控制装置 使设备、生产过程的某些物理量、工作状态自动地按照预定的规律运行、变化。,自动控制,控制系统的基本概念,比赛中常用的控制系统,集散控制系统（DCS）,
3、基本过程的控制、操作、监视、管理 顺序控制 能与其他系统实时通讯,作为过程控制系统的核心，DCS 提供了生产过程的基本控制、数据采集、生产报表打印、历史数据的记录、操作人员通过操作界面对装置进行监视、操作。其它控制系统(如SIS)均具有与DCS 的通讯能力，重要信息将传送到DCS监视和控制。DCS系统除完成基本过程控制、操作、监视、管理之外，同时还完成顺序控制。DCS 系统由操作站、工程师站、辅助操作台、打印机、PC 机、控制站、I/O 机柜、配电柜及网络设备等组成。DCS系统采用冗余技术与系统自诊断，DCS 系统的中央处理器卡、通信卡、控制及关键I/O卡、电源卡、接口卡等应冗余容错配置。,比
4、赛中常用的控制系统,系统独立，采用通讯方式进行数据共享 故障安全型设计，3取2设置 SIS回路的测量仪表独立设置。,安全仪表系统（SIS）,SIS为基于PES(可编程电子系统，Programmable Electronics System)的冗余容错系统，独立于DCS或子系统单独设置。SIS系统按照故障安全型设计，可与DCS系统实时数据通信。SIS系统设工程师站，顺序事件记录（SER）站，相应的报警及操作通过辅助操作台上的开关、按钮及DCS 系统的操作站来完成。SIS系统具有报警顺序事件记录功能(SER)，工程师站用于SIS系统的组态、下装、调试和日常维护，SER工作站用于报警顺序事件的记录。
5、工程师站和SER工作站互为备用。,比赛中常用的控制系统,可燃和有毒气体检测系统（GDS）,可燃气体和有毒气体检测报警系统与分散控制系统DCS合并设计（输入/输出卡件独立设置），在控制室设置1台单独的DCS操作站显示可燃气体检测器、有毒气体检测器的信号，该操作站并配有声光报警，以不同颜色和声音可区分可燃气体报警和有毒气体报警。可燃和有毒气体检测系统把需要与安全联锁的信号以硬线接到SIS。,界区内设置1套工业电视监视系统，在控制室内设置视频服务器、管理软件、操作站等设备，视频服务器通过管理软件用于对摄像机图像进行存储、切换及摄像机控制，以及进行操作站的权限分配。室外摄像机设置三合一浪涌保护器。防爆
6、场所设置防爆一体化摄像机，摄像机至中央控制室的距离在400米以内传输介质采用综合视频电缆，超过400米传输介质采用单模光缆。视频服务器、网络交换机及操作站的交流电源引自UPS，现场摄像机供电采用控制室集中供电，引自UPS。,工业电视监视系统,比赛中常用的控制方案,以单回路为主根据工艺过程特点及要求采用串级、分程、比值等复杂控制,压缩机的自动控制,对于压缩比很高的多段压缩机，从出口直接旁路回到入口是不适宜的。这样控制阀前后压差太大，功率损耗太大。为了解决这个问题，可以在中间某段安装控制阀，使其回到入口端，用一只控制阀可满足一定工作范围的需要。,旁路调节,压缩机的自动控制,压缩机的自动控制,压气机
7、的流量控制可以通过调节原动机的转速来达到，这种方案效率最高，节能最好。问题在于调速机构一般比较复杂，没有直接调节和旁路控制的方法简便。,转速调节,简单的防喘振方案,压缩机的自动控制,当负荷降低到一定程度时,气体的排送会出现强烈的振荡,从而引起机身的剧烈振动。这种现象称为“喘振”。喘振会造成事故,操作中必须防止喘振现象产生。防喘振的控制方案有很多种,其中最简单的是旁路控制方案。,防喘振控制,换热器的自动控制,左图表示利用控制载热体流量来稳定被加热介质出口温度的控制方案。采用传热基本方程式的工作原理。,（不考虑传热过程中的热损失）,改变换热介质流量控制温度,1. 控制换热介质的流量,一、两侧均无相
8、变化的换热器控制方案,换热器的自动控制,1. 控制换热介质的流量,一、两侧均无相变化的换热器控制方案,如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统。,换热器串级控制系统,采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，可以改变进入换热器的载热体流量，还可以保证载热体总流量不受影响。旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，因为在换热器内部流体阻力小的时候，控制阀前后压降很小，这样就使控制阀的口径要选得很大，而且阀的流量特性易发生畸变。,用换热介质旁路控制温度,换热器的自动控制,一、两侧均无相变化的换热器控制方案,2. 控制换热介质的旁路
9、,只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。,用介质自身流量调温度,换热器的自动控制,一、两侧均无相变化的换热器控制方案,3. 控制工艺介质自身流量,当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热器的传热面积有余量时，可将一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温度。,用工艺介质旁路调温度,换热器的自动控制,一、两侧均无相变化的换热器控制方案,4. 控制工艺介质自身流量的旁路,注意两股物料进行换热时，若两股物料流量均有要求，只能采用旁路调节换热介质有特殊要求（如熔融盐），且物料自身流量固定，采用旁路调节,在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到2
10、00以上或30以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。 这种传热过程分两段进行，先冷凝后降温。,当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为,换热器的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,当被加热介质的出口温度t2为被控变量时，常采用下述两种控制方案。,1.控制蒸汽流量,通过改变加热蒸汽量来稳定被加热介质的出口温度。当阀前蒸汽压力有波动时，可对蒸汽总管加设压力定值控制，或者采用温度与蒸汽流量（或压力）的串级控制。,用蒸汽流量调温度,换热器的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,26,2.控制换热器的有效换热面积,用凝液排出量调温度,温度-液位串级系统,温度-流量串级系统,换热器的自动控
11、制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,两种方案比较,控制蒸汽流量法,缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排放不连续，影响均匀传热。优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。,换热器的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,控制换热器的有效换热面积法,缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优点：防止局部过热，对一些过热后会引起化学变化的过敏性介质比较适用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以可以选用尺寸较小的控制阀门。,两种方案比较,换热器的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热
12、器自动控制,1.控制冷却剂的流量,该方案不以液位为操纵变量，但液位不能过高，过高会造成蒸发空间不足，使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操作事故。这种控制方案带有上限液位报警，或采用温度-液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时自动把液氨阀关小或暂时切断。,用冷却剂流量控制温度,换热器的自动控制,三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,2.温度与液位的串级控制,该方案的实质是改变传热面积。但采用了串级控制，将液氨压力变化而引起液位变化的这一主要干扰包含在副环内，从而提高了控制质量。,温度-液位串级控制,换热器的自动控制,三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,3.控制汽化压力,基于当控制阀的开度
13、变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。,用汽化压力调温度,换热器的自动控制,三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变化，就能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出口温度的目的。但是由于控制阀安装在气氨出口管道上，故要求氨冷器要耐压，并且当气氨压力由于整个制冷系统的统一要求不能随意加以控制时，这个方案就不能采用了。,精馏塔的物料流程图,（1）进料流量F的波动 （2）进料成分ZF的变化 （3）进料温度及进料热焓QF的变化 （4）再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量的变化 （5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化 （6）环境温度的变化,干扰因素,精
14、馏塔的自动控制,精馏塔的自动控制,精馏塔对自动控制的要求,保证质量指标保证平稳操作 满足约束条件,精馏塔的自动控制,1.精馏塔的提馏段温控,以提馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，以改变回流量作为控制手段。,提馏段温控的控制方案示意图,精馏塔的自动控制,提馏段温控的主要特点与使用场合：,（1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。（2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。,精馏塔的自动控制,2.精馏塔的精馏段温控,以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，以改变回流量作为控制
15、手段,精馏段温控的控制方案示意图,精馏塔的自动控制,精馏段温控的主要特点与使用场合：,（1） 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。（2）如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。,精馏塔的自动控制,在采用精馏段温控或提馏段温控时，当分离的产品较纯时，由于塔顶或塔底的温度变化很小，对测温仪表的灵敏度和控制精度都提出了很高的要求，但实际上却很难满足。解决这一问题的方法，是将测温元件安装在塔顶以下或塔底以上几块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温度作为被控变量。,精馏塔的自动控制,灵敏板,精馏塔的自动控制,
16、塔顶汽相采出量 DV 塔压 P,冷凝器冷却量 QC 塔压 P,精馏塔的压力控制,加压塔和减压塔有特殊要求,精馏塔的自动控制,塔顶压力,精馏塔的自动控制,精馏塔温度,精馏塔的自动控制,塔釜液位,精馏塔,精馏塔的自动控制,泵出口采出量控制液位高度,进料流量,精馏塔温度,塔顶压力,回流罐液位,回流比,塔釜液位,39,精馏塔的自动控制,进料流量控制不能与前边的流程有冲突,一、化学反应器的控制要求,(1)质量指标,化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。,如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为,反应器的自动控制,以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量稳定。当有干扰
17、作用时，转化率和反应生成物组分等仍会受到影响。特别是在有些反应中，温度、压力等工艺变量与生成物组分间不完全是单值对应关系，这就需要不断地根据工况变化去改变温度控制系统的给定值。在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改变。,反应器的自动控制,(2)物料平衡,为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料量恒定，配比符合要求。,(3)约束条件,对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。,反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,(1)控制进料温度,改变进料温度调釜温,反应器的自动控制,(2)控制传热量,由于
18、大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。,改变加热剂或冷却剂流量调釜温,反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,(3)串级控制,为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。,釜温与冷剂流量串级控制示意图,反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,釜温与夹套温度串级控制示意图,釜温与釜压串级控制示意图,反应器的自动控制,(3)串级控制,二、釜式反应器的温度自动控制,三、固定床反应器的自动控制,固定床反应器是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。,常见的温度控制方案有：,控制进
19、料浓度 控制进料温度 控制段间进入的冷气量,反应器的自动控制,改变进料浓度调反应器温度,用载热体流量调温度,反应器的自动控制,三、固定床反应器的自动控制,用旁路调温度,用改变段间冷气量调温度,用改变段间蒸汽量调温度,反应器的自动控制,三、固定床反应器的自动控制,四、流化床反应器的自动控制,流化床反应器原理示意图,改变入口温度调反应器温度,反应器的自动控制,流化床差压指示系统,改变冷剂流量调温度,反应器的自动控制,四、流化床反应器的自动控制,进料温度,52,丙烷脱氢 （移动床膜反应器）,旁路调节,反应器的自动控制,进料温度,反应器压力,反应器压差,催化剂浓度,53,丙烷脱氢 （移动床膜反应器）,
20、反应器的自动控制,反应器温度的测量 （5点测温取中间值）,54,丙烯氨氧化（流化床反应器）,反应器温度&进料流量 串级调节,反应器的自动控制,55,丙烯/空气流量 双闭环比值调节,丙烯/氨流量 双闭环比值调节,丙烯氨氧化（流化床反应器）,反应器的自动控制,丙烯/氨流量 双闭环比值调节,丙烯/空气流量 双闭环比值调节,反应器温度的测量 （5点测温取中间值）,反应器温度&进料流量 串级调节,56,丙烯氨氧化（流化床反应器）,反应器的自动控制,安全仪表系统（SIS）,Supervisory Information System,SIS仪表安包含全控制功能，也可包含仪表安全保护功能，或包含这两者。 需
21、要说明的是，这里所说的仪表控制功能，是指以连续模式操作并具有特定的安全评级,用于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规的DCS控制功能是完全不同的概念。,DCS与由PES构成的SIS的主要区别有：,安全仪表系统（SIS）,DCS和SIS的区别,系统的组成：DCS一般是由人机界面操作站、通信总线及现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和最终元件三部分组成。及DCS不含检测执行部分。 实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）操作控制管理使生产过程在正常情况下运行至最佳工况；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。 工作状态：DCS是主动的、动态的
22、，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的 。,安全仪表系统（SIS）,DCS和SIS的区别,安全级别：DCS安全级别低，不需要安全认证；而SIS系统级别高，需要安全认证。 应对失效方式：DCS系统大部分失效都是显而易见的，其失效会在生产的动态过程中自行显现，很少存在隐性失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系统是否还能正常工作的唯一方法，就是对该系统进行周期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进行周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统则带有内部自诊断。,安全仪表系统（SIS）,DCS和SIS的区别,原则上
23、应独立设置（含检测和执行单元）； 中间环节最少； 应为故障安全型； 采用冗余容错结构。,安全仪表系统（SIS）,SIS设置原则,组成SIS的各环节自身出现故障的概率不可能为零， 且供电、供气中断亦可能发生。当内部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。 具体体现： 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。,安全仪表系统（SIS）,故
24、障安全,安全仪表系统（SIS）,故障安全,送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。 作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。,安全仪表系统（SIS）,SIS典型回路,a）反应器安全保护联锁： 反应器压力高高（3取2设置，如果确有两个压力数值异常，触发连锁机制）、空气/丙烯比高高、氨/丙烯比低低、空气流量低低、反应器温度高高、空压机蒸汽透平停车，联锁关闭丙烯及氨进料阀，停空压机，同时打开事故氮气吹扫阀及空压机放空阀； 丙烯、氨、空气进料流量的检测元件均采用3取2设置。b）开工炉安全保护联锁： 火焰熄灭（火焰监测元件采用3取2设置）、燃料气压力高高或低低、空气流量低低、炉膛温度高高、加热炉出口空气温度高高，联锁关闭燃料气阀及点火燃料气阀。c）防止反应器飞温： 反应器供水泵出口压力低低，启动备用泵。,安全仪表系统（SIS）,吉化丙烯腈反应器SIS设置,祝大家竞赛取得好成绩！,
