关于过程控制系统中基本变量的检测问题
前言
在过程控制系统中，对于不同的工艺对象，尽管有各种各样的变量，最基本的变量总离不开：流量，压力，温度，液位。

这四个变量是过程控制系统的基本变量，良好深入地掌握基本变量的控制问题，成为过程控制系统工程师必须具备的基础理论。

1.流量控制
图1所示是一个液体流量稳定供应系统，
它是流量控制最普通的构成形式。

这里，
流量传感器使用孔板a 。

当流体流过孔板时，
孔板前后产生差压，由流体理论可知，
该孔板差压的平方根与流过孔板的流量
成线性正比关系。

F = β√⊿P
式中，β是一个与流体物理性质有关的系数。

采用差压变送器b ，把对应于孔板差压的流量F变换成标准电信号4—20mA，送到流量调节指示器c ，调节器按照流量设定值SV，对流量进行“积分+比率”运算，即PI调节，并经由电/气转换器e ，把运算出来的操作电信号4—20mA，变换成气压信号0.2—1kg/cm2，送到流量调节阀d 。

由于流量调节阀具有输入气压与阀门开度成线性关系的制造特性，即输入气压0.2—1kg/cm2对应开度0—100%，因此从孔板检测差压到调节阀调节流量，构成整个线性系统。

关于调节阀，在制造特性上，还有更复杂的内容。

以下的三种特性是选择调节阀时必须确定的问题。

这些特性的选取，不仅关系到调节器的调节方向，而且关系到在故障发生时，工艺对象应该投向哪个方向的安全位置。

a)FC动作特性（Failure Close）
FC动作具有输入气压0.2—1kg/cm2对应开度0—100%的特性。

并且当输入气压异常消失时，阀板在自身弹簧的作用下，恢复到全关位置。

这种特性的调节阀，通常应用在烧嘴的燃气管路上。

b)FO动作特性（Failure Open）
FO动作具有输入气压0.2—1kg/cm2对应开度100%—0的特性。

并且当输入气压异常消失时，阀板在自身弹簧的作用下，恢复到全开位置。

这种特性的调节阀，通常应用在冷却水管路上。

c)FL动作特性（Failure Lock）
FL动作具有输入气压0.2—1kg/cm2对应开度0—100%的特性。

并且当输入气压异常消失时，阀板被锁定在当前位置不动，直到下一次操作气压回到故障前的操作值后，才被解锁重新恢复调节动作。

这种特性的调节阀，往往用在特定的工艺对象上。

2.压力控制
关于压力控制，现以蒸馏塔为例进行说明。

蒸馏塔通常是用来对物质的组分进行分离。

这种分离，不是针对物质的成分进行直接提炼，而是利用各组分的沸点温度不同，进行分馏。

为此，在一定温度下，使蒸馏塔顶部的压力，维持在目标组分的蒸汽压力值，就可以把目标组分分离出来。

进一步讲，蒸馏塔顶部的气体被冷凝器冷却以后，根据不同的组分，会出现不同的物理状态：
第一类组分：该组分一旦被蒸发气化以后，即使被冷却器深度冷却，也不再凝缩成液体，这类组分可归类为”轻质燃气”。

第二类组分：该组分被蒸发气化以后，被冷却器冷却后，可以再重新凝缩为液体。

正常情况下，它们
不会在冷却器内凝缩，而是在收集槽内凝缩。

第三类组分：该组分被蒸发气化以后，一旦被冷却器冷却，就很容易凝缩成液体，并且还很容易在冷却器内就凝缩成液体了。

针对以上三类组分，需要构成不同的压力控制系统。

图2，是压力控制系统的第一种构成形式。

这种构成形式，适用于第一类组分，即不再凝缩组分。

在该系统中，当冷凝器的冷却量一定时，通过调节阀调节
排
出呈气态的“不再凝缩组分”气体量，就可以稳定蒸馏塔
顶部的压力，此时蒸馏塔上部的凝缩的组分，就是目标组
分物质，将其导出，再通过其他工序，即可把该目标组分
制成产品。

图3，是压力控制系统的第二种构成形式。

这种构成形式，适用于第二类组分，即可凝缩组分。

为了稳定地控制蒸馏塔顶的压力，需要外部注入
“轻质燃气”。

图3所示的压力系统，又是一个分程控制系统。

包括a ，b 两个阀门。

其控制曲线如图4所示。

轻质燃气缓缓注入，阀门a 从全开逐渐关闭，
该期间阀门b ，始终关闭。

随着输出信号持续增加，
越过（b ）点，阀门a 完全关闭，阀门b 逐渐开启，
收集槽内的气体，向外逃逸，实现蒸馏塔顶的压力控制。

根据压力设定值SV 不同，
在正常情况下，塔顶压力通常在工作点（a ）附近波动。

此外，分程控制系统两个阀门的行程，可以通过对阀门
定位器的设置来实现信号的分程动作。

图5，是压力控制系统的第三种构成形式。

这种构成形式，适用于第三类组分，即易凝缩组分。

从蒸馏塔顶导出的气体，经过冷凝器流到收集槽，
随着气体被冷凝成液体，压力会随之降低。

为了控制塔顶压力，调节阀逐渐开启，未经冷凝的
气体直接进入收集槽，会使收集槽相对于冷凝器的
液位降低，即液位差压⊿P 下降，而该⊿P 实际上
就是调节阀的差压。

在蒸馏塔顶压力设定值SV
不变情况下，塔顶压力升高会使得调节阀关小，
从而使流经旁通管路的流量减小，导致收集槽的
液位上升，⊿P 增加，从而实现稳定控制。

以上三种控制方式表明，只有在工艺对象具备自平衡能力
能力的基础上，才能实现的稳定控制。

换言之，良好
的控制系统，仅仅是巧妙地利用工艺对象的自平衡能
力，没有自平衡能力的工艺对象，是不可能稳定控制
的。

3. 温度控制
图6所示是一个蒸馏塔顶温度控制的一般形式。

从收集槽返回的一部分冷凝介质，送到蒸馏塔顶
， 可以有效地调整塔顶的温度。

这种控制方法也称
为“外部环流控制”。

在该系统中，温度控制器与流量调节环构成一个
串级系统，在温度设定值SV 一定时，塔顶温度
超高，将导致回流冷凝介质流量增加，从而使塔
顶温度恢复到正常范围内。

图7所示是一个蒸馏塔底温度控制的一般形式。

根据塔顶温度设定值，利用蒸汽回暖锅炉，
对蒸馏塔下部的介质进行加热处理。

在正常情况下，回暖锅炉应该有一定量的蒸汽流动。

从而当塔顶温度过低时，自动增加蒸汽量；当塔顶
温度超高时，自动减少蒸汽量。

以保证塔底的温度
跟随塔顶的温度。

一般而言，温度控制系统，都是把温度作为控制
对象，利用介质的传热特性，通过不同的传热手段
来实现温度的稳定控制。

针对温度而言，根据介质
的传热特性和所选择的传热手段，其换热强度往往
呈非线性变化规律，因此一般都要采样串级调节
系统来间接调节换热强度。

正是因为这样的特点，
温度控制系统往往存在较大的热惯性，对于温度
变化频繁的对象，需要在传热手段上，采取各种必要措施。

4. 液位控制
容器内的液位控制，简单地分为流出量调节液位，
注入量调节液位，以及流出注入协调调节液位。

图8所示的液位控制系统，是最简单的形式。

其优点
是液位控制灵敏，缺点是流出量不稳定。

尤其在调节阀后
存在压力扰动时，调节阀的开度也会随之波动。

因此，该
系统适用于常压或低压放流的工艺对象。

图9所示的液位控制系统，可以有效地解决流出量不稳定
的问题。

由于是一个液位-流量串级调节系统，尽管采用
“积分+微分+比率”的PID 控制，仍然存在液位控制灵敏度
低的问题。

因此，该系统适用于容器容量相对于流出量较大，液位变动缓慢，
流出液体需要装载到其它容器等的工艺对象。

工艺对象，可以采用图10所示的系统。

在该系统中，流出量是一个独立的定流量流出系统。

其流出流量，独立设定，不受容器液位以及调节阀后
压力变化的影响。

而容器的液位，是通过调节注入流量
来实现，注入平均流量与流出平均流量越接近，液位的
控制就越灵敏，容器容量相对于流出量越大，液位就越
安定。

结语
衡量一个控制系统是否优越，不在于控制系统的构成多么复杂，软件功能多么完善，重要的是是否使
工艺对象处于稳定地运行状态。

这种稳定运行状态的建立，首先要求工艺对象的设备配置合理，介质
的运行量能够平衡，进而再要求传感器的量程，执行器的运行范围，切中工作点，只有在这个基础上，
才能够构筑出一个有效的控制系统。

因此，一个成熟的控制工程师，首先要着眼对工艺过程进行深入理解，对工艺设备各个量的平衡，高
度重视。

合理有效的工艺设备配置，是构筑控制系统成败的关键所在。