最新过程控制工程第六章精编版

2020年过程控制工程第六章精编版

第6章选择性控制系统

6．l 概述

选择性控制又叫取代控制(override control )，也称超驰控制。

通常自动控制系统只能在生产工艺处于正常情况下进行工作。一旦生产出现事故状态，控制器就要改为手动，待事故排除后，控制系统再重新投入工作。对于现代化大型生产过程来说，生产控制仅仅做到这一步远远不能满足生产要求。在大型生产工艺过程中，除了要求控制系统在生产处于正常运行情况下能够克服外界干扰，维持生产的平稳运行，当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能采取一些相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况；或是使生产暂时停止下来，以防事故的发生或进一步扩大。像大型压缩机的防喘振措施、精馏塔的防液泛措施等都属于非正常生产过程的保护性措施。

属于生产保护性措施的有两类：一类是硬保护措施；一类是软保护措施。

所谓硬保护措施就是当生产操作达到安全极限时，有声、光警报产生。此时，或是由操作工将控制器切到手动，进行手动操作，进行处理；或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车；达到保护生产的目的。就人工保护来说，由于大型工厂生产过程中的强化、限制性条件多而严格，生产安全保护的逻辑关系往往比较复杂，即使编写出详尽的操作规程，人工操作也难免会出现错误。此外，由于生产过程进行的速度往往很快，操作人员的生理反映往往难以跟上，因此，一旦出现事故状态，情况十分紧急，容易出现手忙脚乱的情况，某个环节处理不当，就会使事故扩大。所以，在遇到这类问题时，常常采用联锁保护的办法进行

处理。即当生产达到安全极限时，通过专门设置的联锁保护线路，能自动地使设备停车，达到保护的目的。

通过事先专门设置的联锁保护线路，虽然能在生产操作达到安全极限时起到安全保护的作用，但是，这种硬性保护方法动辄就使设备停车，必然会影响到生产和造成经济损失。对于大型连续生产过程来说，即使短暂的设备停车也会造成巨大的经济损失。因此这种硬保护措施已逐渐不为人们所欢迎，相应地出现了软保护措施。

所谓生产的软保护措施，就是通过一个特定设计的选择性控制系统，在生产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车而又起到对生产进行自动保护的目的。在这种选择性控制系统中已经考虑到了生产工艺过程限制条件的逻辑关系。当生产操作趋向极限条件时，用于控制不安全情况的控制方案将取代正常情况下工作的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围时，正常情况下工作的控制方案又恢复对生产过程的正常控制。因此，这种选择性控制有时又被称之为自动保护性控制。某些选择性控制系统甚至连开：停车都能够由系统控制自动地进行而无需人的参与。

要构成选择性控制，生产操作必须具有一定选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器(高值选择器和低值选择器)或有关的切换装置(切换器、带接点的控制器或测量装置)来完成。

6．2 选择性控制系统的类型及应用

6．2．1 开关型选择性控制系统

在这一类选择性控制系统中，一般有A 、B 两个可供选择的变量。其中一个变量(例如A)是工艺操作的主要技术指标，它直接关系到产品的质量；另一变量B ，工艺上对它只有一个限值要求，生产操作在B 限值以内，生产是安全的，一旦超出限值，生产过程就有发生事故的危险。因此，在正常情况下，变量B 处于限值以内，生产过程按照变量A 进行连续控制，一旦变量B 达到限值，为了防止事故的发生，所设计的选择性控制系统将通过专门的装置(电接点、信号器、切换器)切断变量A 控制器的输出，而使控制阀迅速关闭或打开，直到变量B 回到限值以内，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。图6．1(b)所示的丙烯冷却器裂解气出口温度与丙烯液位选择性控制系统就是开关型选择性控制应用的一个实例。

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(工艺要求降到15℃)。为此，工艺上采用了液丙烯低温下蒸发吸热的原理，用它与裂解气换热，达到降低裂解气温度的目的。

为了保证裂解气出口温度达到规定的质量要求，一般的控制方案是选取经换热后的裂解气温度作为被控变量，以液丙烯流量作为控制变量，组成如图6—1(a)所示的温度控制系统。

图6—1(a)所示控制方案实际上是通过改变换热面积的方法来达到控制裂解气出口温度的目的。当裂解气温度偏离时，控制阀则开大，液丙烯流量也随之增大，冷却器中丙烯的液位将会上升，冷却器中列管被液丙烯浸没的数量增多，换热面积增大，因而，为液丙烯气化所带走的热量将会增多，因此裂解气温度下降。反过来，当裂解气温度偏低时，控制阀关小，丙烯液位将下降，换热面积则减小，丙烯气化带走热量减少，裂解气温度将会上升。因此，通过对液丙烯流量的控制就可以达到维持裂解气出口温度的目的。

然而，有一种情况必须进行考虑，当裂解气温度过高或负荷过大时，控制阀势必要大幅度地被打开。当换热器中的列管已全部为液丙烯所淹没而裂解气出口温度仍然降不下来时，不能再使控制阀开度继续开大了。因为，一来这时液位继续升高已不再能增加换热面积，换热效果不再能够提高，再增加控制阀的开度，冷量则得不到充分的利用；二来丙烯液位的继续上升，会使冷却器中的丙烯蒸发空间逐渐缩小，甚至会完全没有蒸发空间，以致于使气丙烯出现带液现象。而气相丙烯带液进入压缩机将会给压缩机带来损害，这是不允许的。为此，必须对图

6 裂解气（88℃） 气丙烯 裂解气（88℃） 气丙烯

—1(a)所示的方案进行改进，即需要考虑到当丙烯液位上升到极限情况时的防护性措施，于是就构成了如图6—1(b)所示的裂解气出口温度与丙烯冷却器液位开关型选择性控制系统。

方案(b)是在方案(a)的基础上增加了一个带上限接点的液位控制器(或报警器)和一个连接于温度控制器输出去控制阀的气动信号管路上的电磁三通阀。上限接点一般设置在液位高度的75％位置，在正常情况下，液位低于75％，接点是断开的(常开接点)，电磁阀失电(电关阀)，温度控制器输出可直通控制阀，实现温度控制。当液位上升达到75％时，保护压缩机不受损害已上升为主要矛盾，于是，液位控制器上限接点闭合，电磁阀得电，将温度控制器输出切断，同时使控制阀的膜头与大气相通，使膜头压力很快下降为零，于是控制阀很快关闭，这就终止了液丙烯继续进入冷却器。待冷却器中液态丙烯逐渐蒸发，液位慢慢下降到低于75％时，液位控制器上限接点又复断开，电磁阀重新失电，于是温度控制器的输出又直接送往控制阀，恢复成温度控制系统。

此开关型选择性控制系统的方块图如图6—2所示。

上述开关型选择性控制系统也 可以通过图6—3来实现。在该系 统中采用了一个信号器和一个切换

器。 信号器的工作原理是： 当液位低于75％时，p z ＝0 当液位达到75％时，p z ＝0．1MPa

切换器的工作原理是： 当p z ＝0时， p Y ＝p x

当p z ＝0．1MPa 时，p Y ＝0

在信号器和切换器的配合下，当液位低于75％时，控制阀接受温度控制器来的控制信号，实现温度控制。当液位达到75％时，控制接受的信号为零，于是控制阀将全关，液位则停止上升，这就防止了气丙烯带液现象的发生，对后续的压缩机起着保护作用。

在乙烯工程中有不少这种形式的开关型选择性控制系统。图6—4所示的脱烷塔回流罐液位与丙二烯转化器进料蒸发器液位开关型选择性控制系统就是一例。在正常情况下，蒸发器液位L 2低于上限值

(75％)，液位控制器LC 2接点断开，电磁三通阀失电，液位控制器LC l 输出可直通控制阀(A ．O 表示阀为气开式)，从而构成按回流罐液位L l 控制的液位控制系统。当蒸发器液位上升到75％时，液位控制器LC 2接点接通，电磁三通阀得电，于是将液位控制器LCl 的输出切断，而将控制 阀膜头与大气连通，阀压很快降为零，于是控制阀全关，这就防止了蒸发器液位L 2的继续上升。当蒸发器液位降至低

液位 温度 裂解气（88℃） 气丙烯 丙二烯

于75％时，液位控制器LC2接点又复断开，

电磁三通阀又复失电，使控制器LC l输出

与控制阀膜头相通，于是恢复成按回流罐

液位Li进行控制的液位控制系统。

6．2．2 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

性控制系统的不同之处在于：当取代作用

发生后，控制阀并不是立即全关或全开，

而是在阀门原有开度基础上继续进行控制，

因此，对控制阀来说，控制作用是连续的。

在连续型选择性控制系统中，一般具

有两只连续型控制器，它们的输出通过一

只选择器(高选器或低选器)后，送往控制阀。

这两只控制器一只在正常情况下工作，一只在非正常情况下工作。在生产处于正常情况时，系统由正常情况下工作的控制器进行控制。一旦生产处于不正常情况，不正常情况下工作的控制器将取代正常情况下工作的控制器，对生产过程进行控制。直到生产恢复到正常情况，正常情况下工作的控制器又取代非正常情况下工作的控制器，恢复对生产过程的正常控制。

下面是几个连续型选择性控制系统的应用实例。

例一：在大型合成氨工厂中，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。它正常运行与否，将直接关系到合成氨生产的全局。因此，必须对蒸汽锅炉的正常运行采取一系列的保护性措施。锅炉燃烧系统的选择性控制是这些保护性措施项目之一。

蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其他燃料气。在正常情况下，根据产汽压力来控制燃料气量。当用户所需蒸汽量增加时，蒸汽压力就会下跌，为了维持蒸汽压力，必须在增加供水量(供水量另有其他控制系统进行控制，这里暂不研究)的同时，相应地燃料气量也要增加。当用户所需蒸汽器减少时，蒸汽压力就会上升，这时要减小燃料气量。关于燃料气压力对燃烧过程的影响，经过研究发现：当燃料气压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭，产生脱火现象。一旦脱火现象发生，大量燃料气就会因未燃烧而导致烟囱冒黑烟。这不但会污染环境，更严重的是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。为了防止脱火现象的产生，在锅炉燃烧系统中采用了如图6—5所示的蒸汽压力与燃料气压力选择性控制方案。图中采用了一只低选器，通过它选择蒸汽压力控制器与燃料气压力控制器两者之一的输出送往设置在燃料管线上的控制阀。

蒸汽

供水

低选器输出p Y与输入信号p A、p B的关系如下：

当p A＜p B时，p Y=p A

当p A＞p B时，p Y=

现在分析该选择性控制系统的工作情况。为便于分析，我们先承认这两个控制器均选为反作用(这是根据系统的要求确定，有关控制器正反作用的选择问题留待后面讨论)，其中PC1为正常情况下工作的控制器，PC2为非正常情况下工作的控制器，而且是窄比例的(即比例放大倍数很大)。

在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力(即低于给定值)，PC2感受到的是负偏差，因此，它的输出p B呈现为高信号(因为PC2为反作用、窄比例)。而与此同时PC1的输出信号相对来说则呈现为低信号。这样，低选器LS将选中PC1的输出p A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(脱火压力)时，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此PC2的输出p B一下跌为低信号。于是低选器LS就改选PC2的输出p B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的上升，达到防止脱火的产生。

B

制器PC1输出p A相对而言又成为低信号，为低选器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。

本系统方块图如图6—6所示。

位与去脱丙烷塔C3绿油流量选择性控制系统。

从脱丙烷塔的稳定操作考虑，维持进料流量恒

定是非常必要的。从绿油塔正常操作要求考虑，塔

液位不能低于下限值。综合考虑脱丙烷塔和绿油塔

的正常操作，设置了如图6—7所示的选择性控制

系统。

该系统中控制阀选用的是气开阀。流量控制器

FC为正常控制器，选为反作用。液位控制器LC为

非正常控制器，用窄比例式，选为正作用。选择器

用低选器LS 。

在正常情况下，绿油塔液位L 高于给定值Ls

(30％)，LC 感受到的是正偏差，其输出为高信号

(由于LC 为窄比例、正作用)，低选器则选中FC

输出送往控制阀，构成流量控制系统，以维持脱丙烷塔进料的稳定。

当绿油塔液位低于下限值Ls 时，系统处于不正常情况，这时维持绿油塔正常操作已上升成为主要矛盾。此时LC 感受到的是负偏差，其输出将迅速地转变成为低信号，于是低选器改选LC 的输出送往控制阀，从而构成以绿油塔液位作被控变量的液位控制系统。由于LC 的输出为低信号，因此控制阀将被关小，这就阻止了绿油塔液位的继续下降(当然，系统改为液位控制后，脱丙烷塔进料量流量将会有所波动)。

当液位上升到高于下限值Ls 后，LC 输入信号又呈现为正偏差，其输出又迅速转变成高信号，低选器LS 又改选FC 的输出送往控制阀，系统重又恢复成按流量控制的流量控制系统。

该系统的方块图如图6—8所示。图中：

G CL (s)，G CF (s)——分别为液位、流量控制器传递函数；

G oL (s)，G oF (s)——分别为液位、流量对象传递函数；

G mL (s)，G mF (s)——分别为液位、流量变送器传递函数；

G v (s)——控制阀传递函数。

比较图6—8与图6—6可以发现，该两系统的方块图是一致的。 6．2．3 混合型选择性控制系统

在这种混合型选择性控制系统中，既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的内容。例如锅炉燃烧系统既考虑“脱火”又考虑“回火”的保护问题，就可以设计一个混合型选择性控制系统来进行解决。

关于燃料气管线压力过高会产生脱火的问题前面已经作了介绍。当燃料压力不足时，燃料气管线的压力有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。因此，必须设法加以防止。为此，可在图6—5所示的蒸汽压力与燃料气压力连续型选择性控制系统的基础上增加一个燃料气压力过低的开关型选择内容。如图6—9所示。

图

蒸汽