化工流程的自动控制 仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流 程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。 化工流程自动化控制的优点： ①、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率； ②、保证化工流程安全、稳定的运行； ③、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；
关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法） ◆普通固定PID算法； ◆自校正PID算法； ◆自适应控制算法； ◆自校正控制算法； ◆模糊（FUZZY）控制算法； ◆专家控制系统算法； ◆ ……
在化工流程的实际控制中，经常遇到一些干扰变量多、大滞后等问题， 对控制回路的控制算法提出了挑战。
控制要求 为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监 视和控制。控制系统应满足两项基本要求： 抑止外部扰动的影响 使过程在优化的工况下操作
控制要求
为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监 视和控制。控制系统应满足两项基本要求： 抑止外部扰动的影响 扰动—外界因素变化如原料和公用工程流量、温度和压力 的波动对系统的影响。 干扰不可避免
过程变量 x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部 因素影响时，可能有两种变化： （1）稳定系统——在开始时受到外界的影响而波动，但 随时间的变化，x 无需外界干预就能稳定，即不需要利用 控制机构就能回复到初值。
加热蒸汽
TI C
冷流股 换热器 冷 凝 水 3、控制变量（操纵变量）
热流股
定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值 的某个物理量。 上述例子中，加热蒸汽的流量。 4、干扰变量（扰动变量） 定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生 变化的一些物理量。 上述例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。
偏差在控制精度以外－－－控制失控，如81.2 ℃
控制失效的原因有多种。
二、控制系统类型
开环控制系统 计算机自动控制系统
闭环控制系统 1、开环控制系统 人工预先给定蒸汽流量值 计算机控制装置 加热蒸汽
TI
冷流股
换热器 冷 凝 水
热流股
加热蒸汽
FI TI
冷流股
换热器 冷 凝 水
热流股
2、闭环控制系统
控制系统的设计要点及步骤
1)确定达到设计要求所需测量的参数
2)选择控制变量
3)确定调节器的调节规律 目前广泛应用的调节规律有三种： • 比例调节 • 比例积分调节 • 比例积分微分调节
3)确定调节器的调节规律 • 比例调节 按照被调参数值与给定值的偏差大小和方向，发出与偏差 成比例的控制信号。 例如：盘管加热器处于稳态工况下的热量平衡式为：
控制要求 为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监 视和控制。控制系统应满足两项基本要求： 抑止外部扰动的影响 使过程在优化的工况下操作
设在某气固催化反应，其催化剂失活迅速，需定期切换， 副反应的活化能高于主反应。反应器全年利润：
T 利润＝N (产品销售收入－原料费 用－公用工程费用） dt 再生费用 0 －折旧费用－人工费用
对连续过程，设定值是一个定值
温度（℃）
80
时间
对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线） 温度（℃）
时间
加热蒸汽
TI C
冷流股 换热器 冷 凝 水 6、控制偏差
热流股
控制偏差－－－被控变量的设定值与其实际测量值之差。 上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。 如果实际检测为80.6℃，那么 0.6 ℃就是控制偏差。 偏差在控制精度以内－－－控制有效（成功控制），如80.9 ℃
苯 和乙烯气相烷基化流程图
(1)产品数量： 生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料 苯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控制 的目的应测量乙烯的进料量。
(2)产品质量：
乙苯的质量由乙苯精馏塔塔顶产品的组成决定。为确保该 组成为预期值，测量参数有以下三种方案：
• 反馈控制
• 前馈控制
化工流程自控仪表的一些图形符号： 序号 1 名称 变送器 符号 序号 4 名称 控制室 仪表 符号
2
3
就地安装仪 表
机组盘装仪 表
5
6
孔板流 量计
转子流 量计
自控参量代号： T——温度 L——物位 A——分析 F——流量 C——浓度 V——黏度 P——压力或真空度 pH——氢离子浓度 M——搅拌转速
计算机自动控制系统示意图 化工过程（或化工设备） （物理量） 一次仪表 执行机构 （自控阀门） 二次仪表 （变送器） 4～20mA 0～5V 计算机控制装置 仪表（一次和二次仪表） 计算机自动控制系统 计算机控制装置 动作机构（自控阀门）
计算机主机（硬件、软件）
A/D、D/A（模入、模出） 控制软件（平台软件及二次 开发的控制应用软件）
而开环控制系统是按照控制变量本身的设定值或干扰变量的大小去操纵（影 响）控制变量。
②、闭环控制系统在被控变量 的回路。 控制装置 控制变量之间形成了相互影响
即：控制变量可以改变到被控变量，反过来，被控变量的信息有可以指导控 制变量的调节。 而开环控制系统不存在此相互影响的回路。 ③、闭环控制系统必须有被控变量的检测，而开环控制系统可以没有被控变量的 检测。 化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。
例如储罐不应溢流或抽空，精馏塔不应液泛或漏液。因此， 应设置储罐V101，V102，V103的液面测量，精馏塔 T102，T103的压降测量等措施。
(5)经济：
• 优化控制设备：例如反应器R101的优化控制问题，是 否采用优化控制要根据可能性和经济评价结论确定； • 在乙烯、苯、乙基苯、冷却水总管、蒸汽总管等管道上 设置流量计，为计算车间成本提供所必须的产量和原料、 辅助材料以及公用工程的消耗量。重要的流量计不仅能 提供和显示瞬间值，而且有累计功能。
自控功能代号：
I——指示 J——记录 L——联锁
C——控制 X——信号 A——报警
Q——累积 T——调节 R——人工遥控
例如：
FIC 101 TI 101
表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统，显示并控制该值。
表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。
8.1 化工流程自控控制的一些基本概念 一、自动控制术语
苯和乙烯气相烷基化流程图
(1)产品数量： 生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料 乙烯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控 制的目的应测量乙烯的进料量。
E103
C2H4
2
R101 E101 E102 T101
V102 E105 V103
8
C6H6
V101
T102 P101 E104 E106
0
dT2 d (T2 T20 ) VCp VCp dt dt FCp[(T1 T10 ) (T2 T20 )] (Q Q 0 )
要使偏差等于0，需要按照T2与T20的偏差调节Q。设控制 规律使Q的变化与偏差T2- T20成比例，即
加热蒸汽
TI C
冷流股 换热器 冷 凝 水 闭环控制系统作用原理：
热流股
通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向）， 反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。
开环控制系统与闭环控制系统的几点显著区别： ①、闭环控制系统是按被控变量的检测值与其设定值的偏差去操纵（影响）控制 变量；
E B EB 乙苯
E EB DEB 二乙苯 EB DMB 2MB 甲苯
二甲苯
反应采用的催化剂较易失活，若苯过量能减缓催化剂的失 活并能提高反应的选择性。试决定需测量的参数。
E103
乙烯 苯
V101 E101
R101 T101 E102
V102 E105 V103 T102
P101 E104 E106
加热蒸汽
TI C
冷流股 换热器 冷 凝 水 5、设定值与控制精度 设定值－－－被控变量的工艺规定值。
热流股
（注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。） 控制精度－－－设定值允许的波动范围。 上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。 80℃就是被控变量的设定值， ±1℃就是对热流股温度的控制精度要求。
N ——每年反应器再生次数
T
——操作周期
若反应器高温操作： 反应选择性低，原料消耗费用增加； 反应速度低，产率低；同样产量，催 若反应器低温操作： 化剂再生费用增加 最优化控制 应采用变温操作，在操作周期内逐步升温。
控制系统的设计要点及步骤
1)确定达到设计要求所需测量的参数 例如，苯（B) 和乙烯（E）气相烃化的反应方程式如下：
加热蒸汽
TI C
冷流股
换热器 冷 凝 水
热流股
要求：热流股温度控制 冷 凝 水 1、被控对象（被控过程、被控设备）
热流股
定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。 上述例子中，被控对象就是换热器。 2、被控变量（被控参数） 定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。 上述例子中，热流股的温度。
8
10
乙苯精馏塔产品质量推断控制 ---利用塔板温度与馏出液组成的严格关系，控制精馏塔 塔顶出口组成
7
E106
9
(3)安全： 为了防止燃烧与爆炸事故，应防止设备的超温和超压。 对于反应器R101应测量其进出口温度和床层温度，并 设置超温报警及紧急情况下切断乙烯进料的装置。 对于精馏塔应测量其塔顶或塔釜的压力。 (4)可操作 可操作的基本要求是满足各个设备内在的约束条件。
6
12
E103
乙烯
2
3
R101 E101
5
V102