第九,第十章过程控制.ppt

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1、第三十八讲 间歇过程控制（1）,主要内容,一、间歇过程的概念 二、间歇过程的特点 三、间歇生产过程控制系统,一、间歇过程的概念,2,间歇过程是将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。在典型的间歇操作过程中，要依次执行一系列操作步骤，而每一步包含了在特点的时刻按规定的顺序来开启和关闭一些相应的阀门。它是一种生产方式（生产的操作形式），和连续生产方式相对应，可以用同一套多用途、多功能的设备生产多种类型的产品 。,间歇过程与连续过程的比较：是两种不同的生产方式,研究背景,1,现代过程控制工业逐渐由生产大批量、通用型的基础材料向即生产基础

2、材料又生产小批量、多品种、系列化、高附加值的专业产品发展。,典型的间歇精馏过程,利用冷凝器的冷却功能，使塔顶馏分冷却，并采用回流R来调节精馏塔顶部的组分xD以满足生产指标，其余的塔顶馏分D流入产品罐。在产品馏分都蒸馏出来以后，精馏塔关闭，其塔底部分的剩余馏分和产品罐中的物料用泵送到各自的储罐中，而精馏塔准备下批次生产时再使用。,打开进料阀，给精馏塔加入原料，代加满后，关闭进料阀门，然后开启加热蒸汽。,在间歇生产过程操作中，要依次执行一系列操作步骤，而每一步包含了在特定的时刻按规定的顺序来开启和关闭一些相应的阀门。,在回流恒定情况下，乙烯醇和水的间歇精馏分离过程中，乙烯醇浓度在塔底和塔顶馏分中的

3、组成随蒸馏时间的变化过程情况。,时变性 从初始状态转变为一个完全不同的终止状态，在一个间歇运行周期内，温度、组分浓度、反应速率在不断地变化。 无稳定工作点 间歇过程的动态过程是一个一直在“进行中”的过渡过程，运行区间内一般没有稳态工作点。,二、间歇过程的特点,过程不可逆 一旦生产出了不合格产品也不可能采取补救措施 ；而连续过程在一次操作波动后，往往能采取适当的控制作用使其回到希望的稳定状态。,模型不精确 间歇工艺过程开发的主要目的是要缩短产品上市时间，因此，不可能花费大量的人力物力建立精确的过程模型。 有限测量手段 产品质量的测定，通常采用采样和离线分析的方法来确定。但在间歇工艺过程研究中，为

4、了缩短产品上市时间，不可能花费时间去测试新的、可能有应用前景的产品质量测定仪（传感器）。,由间歇生产过程的特点可知，一个批次的生产操作，既有安全联锁和按顺序的逻辑控制，也有类似于连续生产过程中的变量连续控制，还有批次之间的质量优化控制和间歇生产过程的优化管理。,三、间歇生产过程控制系统,（1）批处理顺序和逻辑控制 按照一定的生产工艺或制造模式，制定出一系列的控制步骤：加料、混合、加热、反应、冷却、放料等。这些操作是一些离散控制信号，用来开启或者关闭泵、阀门以及为了安全生产的联锁系统，确保按照规定的时间完成所规定的操作顺序。,（2）间歇生产过程中的控制 在间歇生产过程中，物料流量、温度、压力、液

5、面以及组分的控制与连续生产过程的控制方式一样，都是要求稳定地控制在设定值上。但在间歇生产过程中，有些被控变量参考轨迹是时变的，例如反应温度是时间的函数，或者是预先设定的轨迹（线性增加、线性减少、在一段时间内保持不变等）。,（3）Run-to-Run控制 Run-to-Run控制也称为批次对批次控制。由于间歇生产过程设备的特性随着生产过程的运行而逐渐发生变化，使得每个批次生产出来的产品质量会不一样。同时，产品质量很难实时在线测量，通常都是等待这个批次生产完毕，取出样品进行离线分析，才能得到产品质量数据。 Run-to-Run控制就是利用每批次结束后产品的离线质量分析数据，使用优化方法，改进后续批

6、次的操作条件或加工方案，从而改进产品质量。,（4）间歇生产过程管理 因为间歇生产过程比连续生产过程复杂，操作者必须及时了解生产过程工况，提示整个生产方案与操作顺序，离散控制与连续调节之间交互动作。需要保存每个产品质量等级的全部生产信息，包括产品名称、数量、过程被控变量的设定值与其变化过程、加工时间及步骤等，还需要保存每个班次、每日或者每周的原始生产数据和统计每个批次的物料和能量平衡数据。如果有多套间歇生产设备和多种产品需要生产，则需要根据可用原料和设备进行优化调度，使整个生产系统经济效益最好。,小结,一、间歇过程的概念 二、间歇过程的特点 三、间歇生产过程控制系统,谢 谢,第三十九讲 间歇过程

7、控制（2）,主要内容,一、间歇生产过程中的控制 二、批次对批次控制 三、间歇生产过程管理,一、间歇生产过程中的控制,2,1、间歇生产过程的特殊控制方法 （1）零负荷生产过程控制 间歇生产过程具有“零负荷”的特性。例如，对只进不出的容器进行加料过程的液位控制，若反馈回路具有延时，则会导致进料门延时关闭，进而导致液位超过设定值。在这种情况下，这一液位系统的被控对象实际上是一个积分对象。因此，应选用比例微分控制器。,2,（2）间歇过程终点控制,假设在容器中先放入浓度为x0和体积为V的物料，然后用添加剂进行调节，使最终容器中的物料浓度为x的产品。,2,容器内组分的非稳态物料平衡式 V为容器内液体容积，

8、x为容器内该组分的浓度，F为产品流量，t为时间。 假设在容器中先放入浓度为x0和体积为V的物料，然后用添加剂进行调节，使最终容器中的物料浓度为x的产品。同时，假设添加剂加入的量很少，即可认为是恒体积过程,2,这种以成分为目标的终点控制比液位控制更困难，因为：在线分析仪、混合、采样系统和中和剂输入系统都会有延迟时间，混合过程具有非线性。同时，存在超调的不可逆转性，而且当达到设定值时中和剂流量应为0，故控制器需要用PD调节器。,2,2、间歇反应器的控制,（1）顺序地加入3种反应原料 （2）加热反应器以达到初始反应温度 （3）在恒温恒压的条件下进行反应 （4）对反应混合物进行冷却 （5）将产品混合物

9、传送到后续的分离过程,（1）顺序地加入3种反应原料 （2）加热反应器以达到初始反应温度 （3）在恒温恒压的条件下进行反应 （4）对反应混合物进行冷却 （5）将产品混合物传送到后续的分离过程,2,在整个控制过程中，放热反应器的温度控制比较难，因为化学反应过程本质上都是非线性的，而且反应器又工作在非稳态操作条件下，有时候，因反应器温度过高可能导致反应失控。而且生产开始阶段又由于温度设定值变化较大可能导致控制器饱和。,二、批次对批次控制,2,在间歇生产过程中，由于产品质量参数缺乏在线测量仪器，无法实施产品质量的实时监控。同时，生产设备的特性会随着生产批次而发生漂移，如果用固定工艺方案进行生产和控制，

10、往往导致不同批次间的产品质量有差异。 批次对批次控制的思想：假设生产过程工艺方案与产品质量的关系为一阶动态线性预测模型，然后利用指数加权移动平均 算法构建设定最佳生产过程工艺制造方案，即每个批次完成后，根据该批次产品质量信息，对该生产工艺进行调整，以减少后续批次产品质量的波动。,2,批次对批次控制包括3个部分： （1）过程模型：由于批次对批次控制是基于模型的控制，用模型来关联可测参数与指标参数的关系，给控制律提供更新生产工艺方案的依据。目前最常用的是基于实验设计方法得到输入输出数据，利用线性回归建立输入输出之间的关联模型。 （2）状态观测器：由于历史批次反馈得到的信息包含有各种噪声，为了确保输

11、出噪声不被放大，需要通过滤波器来尽可能的获取过程的真实状态。,2,（3）控制律：控制律是批次对批次控制器用来决定工艺方案如何调整的算法，最简单的控制律就是对模型进行逆运算，复杂的可采用非线性优化估计算法等。,三、间歇生产过程管理,2,（1）处方和配方管理 间歇生产过程工艺称为“处方”，是指为了生产合格质量产品而需要的加工和操作步骤、工艺参数、原材料性质和种类以及相应数据。 配方是指处方中的各种数据和参数。 处方和配方是生产合格产品的标准依据。处方管理是指：对每个批次生产过程的不同阶段都要按照处方进行跟踪，包括在不同设备上的操作顺序及控制。当批次需要从一个设备转移到另一个设备时，处方管理的任务时

12、保证使用和确认正确的设备，并认定该设备没有被占用，以及将原料运送到正确的批次设备中。,2,（2）间歇生产过程计划与调度 一个间歇生产的工厂有许多生产操作单元、设备和存储装置，可能有多种要求生产的产品，如何有效地组织和配置这些生产设备，生产出更多的产品，使工厂效益最大，这是间歇生产工厂的重要管理内容，也是间歇生产过程的优化计划与调度问题。 生产什么产品，包括产品的数量、批量大小和批次； 什么时候开始生产，包括生产时间多长、每批运行的时间； 在什么设备上生产，包括生产场地、操作单元和生产装置； 用什么原料生产，包括原材料和辅料的种类和数量。,2,需要提供的信息： （1）要生产的产品信息，包括什么时

13、间范围内提供需求的产品、货物清单； （2）生产的操作步骤，包括生产过程的操作命令、原材料等可用的资源； （3）生产设备，包括设备型号及生产能力； （4）资源的限制条件，包括可用的原材料种类、数量以及流率等。,2,一个间歇生产工厂的管理控制一体化的控制系统如图，其中间歇生产管理和操作包括：处方管理、生产调度和优化以及管理系统所必需的过程数据库。间歇过程控制系统包括：间歇生产过程中的控制、顺序控制以及安全联锁。,小结 一、间歇生产过程中的控制 二、批次对批次控制 三、间歇生产过程管理,谢 谢,第四十讲 锅炉设备的控制,2,锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压

14、蒸汽，既可以作为驱动发电机的动力源，又可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。 由于锅炉的燃料种类、燃烧设备、炉体型式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。按燃料种类分，在各个工业部门中，应用最多的有燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉。在石油化工、炼油的生产过程中，会产生各种不同的残油、残渣、释放气及炼厂气。为充分利用这些燃料，有油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。例如，在化工厂，利用可燃的废料产生的热量，来生产需要的蒸汽，形成了废热锅炉。,2,锅炉设备的主要工艺流程图,燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds，然后经过热器，形

15、成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，输送给后续的负荷设备。燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送烟囱，排入大气。,2,锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量为负荷（蒸汽需求量）、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等；主要输出变量为汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，输入输出关系如图。,2,锅炉设备的控制问题划分为若干个控制系统： （1）锅炉汽包水位的控制 被

16、控变量为汽包水位，操作变量为给水流量。主要任务：考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。 （2）锅炉燃烧系统的控制 使燃料燃烧所产生的热量能适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧，提高效率；使引风量与送风量相适应，保证炉膛负压在一定的范围内。相对应的操作变量：燃料量、送风量、引风量。 （3）过热蒸汽系统的控制 被控变量是过热器出口温度、操纵变量是减温器的喷水量，控制的任务是维持过热器出口温度在允许范围内，保证管壁温度不超过工艺允许范围。,2,汽包水位是锅炉运行的主要指标，如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很

17、大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢，使过热蒸汽温度因传热阻力增大而急剧下降。,（1）锅炉汽包水位的控制,2,被控变量：汽包水位 H (s) 操作变量：给水流量 F (s) 主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基本平衡） D (s),似乎是典型的非自衡单容系统，但更复杂。水循环系统中充满了夹带着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽汽泡的总体积会随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化。如果某种原因导致蒸汽汽泡的总体积改变，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生

18、变化。,2,（2）锅炉燃烧系统的控制 燃烧过程控制基本任务： 使锅炉出口蒸汽压力稳定，当蒸汽负荷变化时，通过调节燃料量使之稳定。 既要防止因空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失。当增加燃料时，空气量应先加大；在减少燃料时，空气量也要相应减少。 应使排烟量与空气量相配合，保持炉膛负压不变。如果负压太小，则炉膛内热烟气往外冒出；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，降低燃烧效率。,2,MVs 与 CVs 配对：烟气量 炉膛压力，空气量 烟气氧含量（或过剩空气量），燃料量 蒸汽压力,2,（3）蒸汽过热系统的控制 蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制的任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，保护过热器使壁管温度不超过允许的工作范围。,过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操作变量的串级控制系统，以减温器蒸汽出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制性能。,谢 谢,