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一、二月份:
高级篇
第1章石油化工自动化基本知识
运用石油化工自动化技术,建立石油化工自动控制系统的目的,就是为了使石油化工生产装置安全、稳定、高效地运行,为此,必须了解自动控制系统的被控对象,研究其动态特性,为建立控制系统提供依据。
本章结合石油化工生产过程的特点,主要介绍被控对象的类型和特性参数等基本概念,为学****自动控制系统奠定基础。
被控对象
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系,而且被控对象的特性对控制质量的影响很大。本章着重研究被控对象的特性,而所采用的研究方法对研究其他环节的特性也是同样适用的。
在石油化工自动化中,常见的对象有各类换热器、精馏塔、流体输送设备和化学反应器等。此外,在一些辅助系统中,气源、热源及动力设备(如空压机、辅助锅炉、电动机等)也可能是需要控制的对象。本章着重研究连续生产过程中各种对象的特性,因此有时也称研究过程的特性。
各种对象千差万别,有的对象很稳定,操作很容易;有的对象则不然,只要稍不小心就会超越正常工艺条件,甚至造成事故。有经验的操作人员往往很熟悉这些对象。在自动控制系统中,当采用一些自动化装置来人工操作时,首先必须深入了解对象的特性,了解其内在规律,然后根据工艺对控制质量的要求,设计合理的控制系统,选择合适的被控变量和操纵变量,选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行时,也要根据对象特性选择合适的控制器参数(也称控制器参数的工程整定),使系统正常地运行。特别是一些比较复杂的控制方案设计,例如前馈控制、计算机优化控制等更是离不开对象特性的研究。
被控对象的通道
研究对象的特性,就是研究对象输入量与输出量之间的关系。在研究被控对象的特性时,一般将被控变量y看作对象的输出量,也叫输出变量,而将干扰作用ƒ和控制作用u看作对象的输入量,也叫输入变量。干扰作用ƒ和控制作用u都是引起被控变量y变化的因素。
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道。控制作用u至被控变量y间的通道称之为控制通道;干扰作用ƒ至被控变量的通道y称之为干扰通道。在研究对象特性时,应预先指明对象的输入变量是什么,输出变量是什么,因为对于同一个对象,不同通道的特性可能是不同的,如图2-1-1所示。
被控对象的类型
在描述被控对象类型时,常常用“自衡性质”来区别自衡对象与非自衡对象两类不同对象。如图2-1-2所示,q1表示进入水槽的流量,q2表示离开水槽的流量,h表示水槽中的水位高度,Δq1、Δq2和Δh分别表示上述变量的增量。
在图2-1-2(a)中,当q1=q2 时,水位稳定在h位置。若q1增加Δq1,则水位上升。当水位上升时,虽然出口阀开度不变,但由于压头的升高,q2也将增加。直到水位上升到h+Δh,Δq2=Δq1时,水位就稳定了。这种对象无需人工或自动装置改变出口阀的开度,即可自行达到新的平衡,即本身具备适应外界条件而自发地趋向平衡能力的对象,就是自衡对象。
在图2-1-2(b)中,当q1=q2时,水位稳定在h位置。若q1增加Δq1,水位上升。由于水槽出口是泵而不是阀,泵出口流量即水槽出口流量q2不受水位波动的影响,将稳定不变,故水位会无休止地上升,直到溢出。这种不具备适应外界而自发地趋向平衡能力的对象,是非自衡对象。
被控对象的特点
由于在石油化工过程的测量中,不仅有常温、常压等测量参数,还会遇到高温、高压、低温、低压、易燃、易爆、高黏度及腐蚀性等介质的参数测量问题。另外,被测参数的动态特性有的变化缓慢有的变化迅速,因此要求测量仪表具有耐高温、耐高压、耐低温及防腐蚀、放堵塞、防爆等性能指标和较好的动态特性。
下面就石油化工过程中的几大常用参数对象做一个简单的介绍:
(1)压力对象石油化工过程都是在一定的压力条件下进行的,并且所处的条件也不相同。有的过程需要高压,例如高压聚乙烯要在240MPa以上的高压下聚合;有的过程需要低压,甚至有的过程在真空条件下进行,例如炼油厂的减压装置在真空度3-6kPa的条件下操作。有些压力对象具有超高压、高度真空和脉动等特点,有时还需要测量高温、低温、强腐蚀及易燃易爆介质的压力。
(2)物位对象在石油化工过程的物为测量中,不仅有常温、常压、一般性介质的液位、料位、界面的测量,也常常会遇到高温、低温、易燃易爆、黏性及多泡沫沸腾状介质的物位测量问题。
(3)流量对象流体在流动状态方面有层流、紊流和脉动流,流体本身有低黏度、高黏度及强腐蚀性等,测量对象有气体、液体、固体和两相流体,测量范围从每秒钟数滴到每小时数百吨等等。面对如此复杂的情况和要求,必须针对不同的情况采用不同的测量方法和测量仪表。流量测量方法和仪表种类繁