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1、3过程控制系统设计,3.1 过程控制系统设计步骤3.2 确定控制变量与控制方案3.3 过程控制系统硬件选择3.4 节流元件计算3.5 调节阀选择3.6 计算举例,教学目的和要求,掌握过程控制系统的设计任务、步骤掌握过程控制系统的设计方法 掌握节流元件的计算方法掌握调节阀的选择方法 重点：过程控制系统的设计方法 难点：节流元件、调节阀的计算方法,过程控制系统设计步骤,过程控制系统设计的具体步骤：根据工艺要求和控制目标确定系统变量建立数学模型确定控制方案选择硬件设备选择控制算法，设计控制器软件设计设备安装、调试、整定、投运,确定控制变量与控制方案,确定控制目标：被控变量的选取：选择对控制目标起重要
2、影响的输出变量。选择可直接控制目标质量的输出变量。选择与控制变量之间的传递函数简单，动、静态特性较好的输出变量。若控制目标不可测，则测其他能可靠测量且与控制目标有一定关系的输出变量。,输入变量：含控制变量、扰动变量控制变量的选取：选择对被控变量影响较大的输入变量选择变化范围较大的输入变量选择对被控变量作用效应较快的输入变量，使控制的动态响应较快多个控制回路中，所选择的控制变量应直接影响对应的被控变量，使控制回路间的关联较小,确定控制方案：控制结构：反馈控制：利用被控变量的测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期值。特点：结构简单、适应性广。,前馈控制：利用扰动量的测量值调节控制变量，使被控变量
3、保持在预期值。特点：在系统存在较显著、频繁扰动时采取的补偿控制，以有效抑制扰动对被控变量的影响,控制算法： 确定控制方案后，选择合适的控制算法，以便设计控制器。简单控制PID控制复杂控制串级控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、补偿控制(前馈控制、Smith预估控制)先进控制解耦控制,过程控制系统硬件选择,硬件选择原则:原则：确保控制目标和控制方案的实施硬件：控制装置、测量仪表、传感器、执行机构和报警、保护、连锁等控制装置：简单过程控制系统可选择单回路控制器，比较复杂的系统可用计算机控制。模拟量控制回路较多、开关量较少时采用DCS模拟量控制回路较少、开关量较多时采用PLC,检测部件检
4、测部件相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。检测部件一般选用定型产品。即根据控制方案来选择测量仪表和传感器。可靠性原则：长期稳定运行的能力实用性原则先进性原则,节流元件计算,流量计算有关概念密度：在工作温度和压力下，节流装置前流体的密度。流量：流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面的数量。粘度：表征流体内摩擦力，可用动力粘度和运动粘度表示。动力粘度与密度的比值称为运动粘度。,雷诺数：管道内流量较小时，压差与流量成正比，流体的流动状态为层流；流量变大后，压差大致与流量的平方成正比，流体的流动状态为紊流。从层流到紊流的分界线不仅与流量有
5、关，而且与流体的密度、粘度和管道内径有关。在流体力学中，此现象可用雷诺实验验证，并用雷诺数表征，流体惯性力和粘性力之比,气体的压缩系数 由理想气体定律求得的气体密度和实际密度值，在高压和低温情况下有偏差，须加以校正。等熵指数 当气体流过节流装置后，会产生膨胀。假定向较低压力的膨胀是按多变过程进行的。对于多变过程，压力与体积有：,流量计压差式流量计：利用流体通过管道内节流装置时，由流量与节流装置前后压差的关系来计量速度式流量计：利用管道内流体的速度推动叶轮旋转，由叶轮转速与流体流速的关系来计量容积式流量计：流体连续通过一定容积之后，以流量累计的原理来计量。其他流量计：电磁流量计、超声波流量计等,
6、节流元件：在直线管道中设置的使流束产生局部收缩以测量管道中流体的流量的装置。标准节流装置：历史悠久、实验数据完整、产品已标准化。有孔板、喷嘴、文丘里喷嘴和文丘里管。特殊节流装置：利用已有实验数据估算。有双重孔、1/4圆喷嘴、双斜孔板、圆缺孔板等。节流元件的特点：结构简单、便于制造、工作可靠、寿命长、适应性强等。,流量检测原理：在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量就是基于上述原理实现的。 质量流量： 体积流量：,标准节流装置的取压方式 径距取压：其取压口与孔板的间距是取压口中心线与孔板某一规定端面之间的距离。法兰取压：须用专门带
7、钻孔的法兰。上下游取压管中心位于距孔板两侧相应端面25.4mm处 角接取压：取压口的位置紧贴孔板的端面。有环室取压、钻孔式夹持环取压、环管取压,具有径距取压或法兰取压的孔板取压口间距1：流向2：径矩取压口3：法兰取压口4：法兰盘5：孔板6：管道,（a）环室式夹持取压（b）单独钻孔夹持环取1：前环室 2：取压口 3：后环室 4：孔板 5：钻孔式夹持环a：取压环隙宽度c：前环室宽度 ：后环室宽度g,h：环室内孔尺寸 f：环室厚度D：管道内径 d：孔口直径 j：取压口直径：取压口中心线的斜角,测量和计算方法流出系数的计算：流出系数为通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比值。在一定的安装条件下，对于
8、给定的节流装置C值仅与雷诺数有关。对于节流孔板有： (3-9),流量与压差的关系 (3-10)可膨胀系数 (3-11),选择标准节流装置时直径比的确定采用的节流装置命题，即求取的参数，如流量、孔径、差压 确定有关已知参数的值。当命题为求取孔径时，则应知：流量、压差管径、密度、粘度等。求孔径d时，先设 （3-12）,因C、未知，用迭代法计算：将(3-10)转换成质量流量 (3-13) (3-14)由雷诺数公式有：代入(3-14)得： (3-15)令： (3-16)得： (3-17),迭代步骤：假定 ：对于不可压缩流体 ；对于可压缩流体， (或1)；然后假定第一个C等于0.606。 按式(3-15
9、)，计算按式(3-16)，得第一个迭代值X，记为 按式(3-17)，求 按式(3-11)(3-9)，分别求 和 ，则 求差值 ，则 作第二次假定，用 、 作为第二个假定值，重复上述步骤，直到 小于某规定的值为止,在冶金工业，常取 ，n4。对于 和 以后的迭代值，可用具有快速收敛的弦截法公式计算，即：在确定 以后，即可确定孔径d：,最大刻度流量的确定流量分为：正常流量、最大流量、最小流量。最小流量一般为正常流量的30，或最大流量的25标准状态：0、101325Pa的状态。工作状态：在操作时的状态。仪表显示标准状态流量，但计算时应为工作状态流量，因此需换算。,压力损失流体流过节流装置时，部分能量用
10、来克服摩擦力和消耗于流束在其后形成的漩涡上。压力损失的计算： 对于孔板，压力损失近似为：,调节阀选择,调节阀的工作原理及流量方程式流量系数阻塞流压力恢复和压力恢复系数调节阀的可调比,调节阀选择,调节阀计算基础调节阀的工作原理设流体不可压缩且充满管道，根据能量不灭定律和流体的连续性定律：通过阀的体积流量与阀的有效流通截面积和通过阀前后的压差的平方根成正比，与流体的密度的平方根和阀的阻力系数的平方根成反比，即：,流量方程式 或 调节阀的流量系数：在给定条件下，流量系数与流量成正比调节阀的流量系数与截面积成正比流量系数与阀的阻力系数的平方根成反比,流量系数的定义公制单位：温度为5-10的水，在 Pa
11、的压降下，每小时流过调节阀水量的立方米数，以符号 表示。英制单位：温度为 下的水，在1psi的压降下，每分钟流过调节阀水量的加仑数，以符号 表示。换算关系式：,阻塞流在阀前压力一定时，通过阀的流量随阀上压降的增大而增大，当压降达到某一临界值时，流量将达到极限值，流体的流动状态称为阻塞流在阻塞流时，压差比X(即 ) 达到了极限值，即临界压差比。通常产生阻塞流的临界压差比 在阻塞流情况下，计算C值时，对不可压缩流体、低雷诺数流体、可压缩流体需进行修正,压力恢复和压力恢复系数流体通过节流孔时流束截面积最小，流速最大，静压力最低，以后流束截面逐渐扩大，流速减缓，压力逐渐恢复达到阀后压力压力恢复系数为阀
12、全开时压力恢复的程度。对不可压缩流体，在非阻塞流工况下： 对不可压缩流体，在阻塞流工况下：或,阀内压力恢复示意图(a)管道内流束的形状(b)流束压力变化曲线 1一调节阀，2一流向，3一管道， 4未考虑压力恢复的压降曲线 5一双座阀的压力恢复曲线； 6球阀的压力恢复曲线,可调比阀所能调节的最大流量和最小流量的比值。理想可调比：当调节阀两端压差不变。希望理想可调比越大越好。但由于受阀芯结构和加工工艺的限制， 不能太小,实际可调比：调节阀实际控制的最大和最小流量的比值串联管道：在管道系统的总压降一定时，随着流量的增加，串联管路的阻力损失增大，调节阀上的压降减小，使调节阀的最大流量减小。即串联管道调节
13、阀的实际可调比降低。,串联管道的实际可调比为： s值越小，实际可调比越小。在实际应用中，为确保调节阀的可调比，阀全开时的压降应在管路系统中占有一定比例， s常取0.3-0.6。,并联管道 实际可调比,旁路程度可调比,调节阀的流量特性,流量特性理想流量特性工作流量特性,改变调节阀的开度，即改变阀的流通截面及流量，从而改变管道的系统阻力及阀前后的压差,调节阀的流量特性指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的函数关系。,理想流量特性直线流量特性(曲线a)调节阀的单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化是常数。,对数流量特性(曲线b)调节阀单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量成正比
14、。积分得：或放大系数：,抛物线流量特性(曲线c)阀的相对流量与相对开度的平方根成正比积分得：放大系数：,快开流量特性(曲线d)在阀开度很小时，将流量放大，随开度的增加，流量很快达到最大值。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。积分得：其放大系数为：,工作流量特性串联管道的工作流量特性阀与管道串联时，在总压降一定时阀上的压降随流量而变化。,当阀全关时：当阀全开时：,串联管道时的工作流量特性曲线当管道阻力损失为零时s1，系统总压降全部落在调节阀上，工作流量特性与理想特性一致随管道阻力损失增加，s值减小，阀全开时流量减少，实际可调比也减小；随着s值减小，流量特性曲线发生畸变。,并联管道的工作流量特性
15、,旁路阀全关时B1，工作特性为理想特性旁路阀逐渐开启，旁路流量增加，B值减小，可调比下降。希望B值不低于0.5，最好不低于0.8,调节阀口径计算调节阀流量系数的计算,平均密度修正公式,调节阀口径的选定阀径计算步骤：根据工艺专业委托条件，初选阀的形式、流向及流量特性，确定 值的计算方法确定计算 值的各参数值。判别工况是阻塞流还是非阻塞流。选定合适的 值计算公式，计算 值。按圆整的 值在所选阀型的标准系列中，找与 靠近的额定值。校验，进行压力、压差、开度和可调比校验,计算参数的确定最大工作流量：若 选得过小，不能满足生产要求；若选得过大，将使调节阀经常处于小开度下工作，可调范围变小，严重时会引起系
16、统振荡、噪声、不稳定和降低阀芯的寿命最大工作流量，由工艺根据设备生产能力物料平衡计算得到，同时考虑其它因素后确定。一般取正常流量的1.25-2倍,计算参数的确定阀上压差，关系到阀径计算选定的正确性、控制特性的好坏和设备动力消耗的经济性。确定压差时从节省能耗和工艺设备投资考虑，希望阀上的阻力损失尽可能小。从阀的工作流量特性考虑，必须使阀在系统中占有一定的压差，以保证调节阀的调节性能。,阀上压差的确定方法 按管路系统的压差比来确定阀上的压差 或 按管路系统中阀前后定压点的压差确定 定压点：该点压力不随流量的变化而变化阀前定压点压力为 阀后定压点压力为 ，则：,已知原动机的特性和管路系统的阻力变化特
17、性已知最大流量时管路的阻损,及管路起点的最小压力，则阀的压差：要求阀后保持恒压的系统，已知管路中阀前最小压力和控制器整定值的范围，则阀的压差：,已知最小流量，阀的开度最小，阀压差为 ，已知最大流量，则：根据工艺管道的直径来估算阀径：,开度验算：在 时，开度为90。过小则可调范围缩小，阀门口径偏大，调节特性变差。最小开度不小于10，否则流体对阀芯、阀座冲蚀严重，致使特性变坏，甚至调节失灵。全行程偏差(不带定位器为-4，带定位器为-1)和流量系数偏差(-10)不带定位器：直线特性 对数特性带定位器：直线特性对数特性,开度验算阀与管路串联时，设开度直线特性阀：对数特性阀：,可调比的验算调节阀的理想可
18、调比一般为30，但在实际运行中受工作特性的影响，是难以达到理想值的，同时工作开度并不是从全关到全开，而是在 10-90的范围内工作。实际可调比只能达到10左右，验算时取R=10，得实际可调比：,计算举例,步进式加热炉过程控制系统步进式加热炉用于加热高合金钢、易脱碳钢或坯料较厚较长的普碳钢，燃料为煤气和重油。加热炉设预热段、加热段和均热段。各段的设定值不同，并和生产率之间实现动态平衡。为保证轧制要求的温度和坯料表面与中心温度差尽量小，坯料在均热段的停留时间要足够长。加热炉的过程控制主要包括各加热段的温度控制，燃料燃烧的空燃比控制，炉膛压力控制，热风压力及热风温度控制等。,加热炉温度控制系统,炉温
19、控制采用的是煤气流量和空气流量比值调节为内环，炉温调节为外环的串级控制系统。温度调节器的输出为煤气流量给定和对应的空气流量给定。 流量检测元件为孔板，调节阀为蝶阀。孔板检测的压力差经差压变送器，变换为4-20mA的标准信号，经开方运算变换为流量，调节器输出信号给电动执行器或气动执行机构控制蝶阀。温度、流量、压力调节、燃料燃烧控制等控制算法均由DCS完成。,角接取压标准孔板计算已知条件：被测流体：空气；最大流量：常用流量；3238 (标况)；最小流量：标准状态：0、101325Pa；工作压力：p9000Pa；平均温度：t450当地大气压：相对湿度：标准状态下介质密度：被测介质动力粘度：等墒指数：k1.4；管道口径：D0.478m；管道粗糙度：K0.1,解：工作绝对温度： 工作绝对压力：工况空气密度：管道相对粗糙度：求工况体积流量：雷诺数：,计算不变数：求：由：得：计算孔径：流量验算：相对误差：,作业布置：习题：3.1、3.2 本章结束,
