阀位控制系统
戴连奎 浙江大学控制学院 2016/04/14
内 容
分程控制的概念与方法 分程控制的应用举例— 间歇反应器 与储罐气封控制 阀位控制方案与应用举例
间歇放热反应器的控制问题
TT 34
换热水 放热 反应器
Y
“A” “B”
冷却水
T
蒸汽
工艺背景：在反应开始时需要用蒸汽加热，以达到一定的 反应速度；而当反应正常进行时，需要用冷却水进行冷却， 以防止反应温度超高。对象控制特性分析 控制目标：希望实现反应温度全过程的自动控制
0
气 开
0.10
TC 34
I/P
阀
u
p
f (%)
“ B”
Tsp
A “ ”
关 气
间歇放热反应器 分程控制系统方块图
Tsp ＋ － Tm VA TC 34 u(t) VB fB fA 冷却水 回路 蒸汽 加热器 TT 34
100
＋ ＋
Tc
放热 反应器
T
1. 确定TC34的正反作用； 2. 当反应器温度为常温时，试确定 两控制阀的初始状态？ 3. 分析该控制系统如何具体工作？
间歇放热反应器分程控制方案
Tsp Tm
TT 34 TC 34
u
I/P
电/气 转换器
p
换热水 放热 反应器
Y
“A” “B”
冷却水
T
蒸汽
常规线性控制阀的特性
ym TC 34 u
100
I/P
气 关
f (%)
p
阀 气
0
开
阀
VA
0.02 0
0.06 50
0.10 100
p, MPa u, %
正常情况下，当电气转换器输出p全范围变化（0.02 ~ 0.10 MPa）时，控制阀从全关至全开或从全开至全关。
分程控制的基本设计思想
在分程控制系统中，仅有一个被控变量 CV，但通常有两个操作变量MVs。 分程控制的基本设计思想是，将两个MVs （或两个控制阀）合并成一个MV，再按 单回路方式进行控制； “分程”是指将控制器输出信号按范围划 分成几段，其中每一段只调节一个控制阀 的开度（另一控制阀的开度保持不变）。
循环线 FC
dPC 16
dPT 16
旁路线
多回路PID控制方案总结
为改善被控变量CV的动态性能 (1) 串级控制 (2) 前馈反馈控制 (3) 变比值控制 为满足工艺过程提出的特殊需要 (1) （液位与流量）均匀控制 (2) （两流量之间的）比值控制 (3) （两被控变量之间的）超驰控制或选择控制 (4) （两控制阀之间的）分程控制 (5) （主回路的）阀位控制
控制系统综合设计举例
TT 17 TC 17
液体产品 出料 连续放热 反应器
该放热反应为 A+B→C。试改 进现有的单回路控制方案。 具体的控制目标包括： (1) FB /FA = R
冷却水
气关阀 A 反应 进料
(2) 冷却水温度波动较大时， 如何改善TT17的控制性能？ (3) 当冷却水系统的冷量不足 时，如何控制TT17不超温
A”
“
f (%)
f (%)
” A
阀
“
阀
气
“
开
开
关
气
气
阀
“
“ A ”
B”
气
气
气 关 阀
关
阀
间歇放热反应器 分程控制系统设计分析
100
换器
问题讨论
阀
换热水
Y
“A” “B”
冷却 水
T
蒸汽
1. 0.02 选择两控制阀的气 0.06 开/气关形式； p, MPa 2. 两控制阀如何分程 协调工作？ 3. 画出该控制系统的 方块图
dPT 16
旁路线
导热油加热系统阀位控制
返回油 热油
TT 12 TC 12 TC 13
VPC 18
Tsp
TT 13
HS 18
问题讨论
(1) VPC18的正 反作用
(2) VPC18的 PID参数整定与 抗积分饱和 (3) 该系统如何 具体工作？
空气 FT 11 燃料
FC 11
FC
TC 14
TT 14
Pm
PT 41
u
Psp
返回油
导热油加热系统
TT 12 TC 13 TC 12 FC 11 FT 11 空气 燃料
热油
导热油加热系 统控制问题： (1) 工艺过程 (2) 调节阀气开 气关选择 (3) 热与压力平 衡分析 (4) 如何节能？
Tsp
TT 13
FC
TC 14
TT 14
循环线 FC
dPC 16
双控制阀的分程组合
100 100
B”
0 0.02 0.06 0.10
0 0.02 0.06 0.10
p, MPa
100 100
p, MPa
f (%)
f (%)
“ A”
阀
0 0.02
0 0.06 0.10 0.02 0.06 0.10
气 开
p, MPa
p, MPa
“ B” 气 开 阀
B” “ 阀 关
f (%)
“ B”
0.06
“ A ”
0 0.02 0.10
p, MPa
气
开 阀
气
阀 关
油品罐顶封氮分程控制方案
排空 气关阀 VB VA 气开阀
PT 41 N2 N2 气源
问题讨论
1. 两控制阀如何分程协 调工作？ 2. 画出该控制系统的方 块图，并确定压力控 制器的正反作用； 3. 如何避免进气阀与排 空阀的频繁切换，以 节省氮气用量？
B
分程控制的内部结构
u
I/P
p
0.02~0.06MPa
0.06~0.1MPa
通过手工调节 阀门定位器， 使控制阀全范 围所需的控制 信号变窄。
VB
VA
上例中当输出p从0.02 变化至 0.06 MPa时，VA就可全范围变 化（此时，VB开度不变）；而当输出p从0.06 变化至 0.10 MPa时，VB就可全范围变化（此时，VA开度不变）
9.分程控制-过程控制(自动化)解析
本讲主要内容
分程控制的特点与适用场合； 分程区间的确定方法； 阀位控制的概念与设计方法。
例1：间歇聚合反应器的控制问题
T
Y
冷水
“A”
蒸汽
“B”
控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需 的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水 进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度，怎么实现？
氮封的技术要求
实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的 氮气压微量正压。储罐内储存物料量增减时， 将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否 则将使储罐变形，更有甚者，会将储罐吸扁。 因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充 氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液 面下降时应停止放出氮气。只有这样才能达到 既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。
多回路PID控制系统小结
用于改善控制系统性能的多回路PID系统 （1）串级控制系统； （2）前馈控制系统； （3）变增益/变比值控制系统。
用于满足工艺特定需要的多回路PID系统 （1）均匀控制系统； （2）比值控制系统； （3）分程控制系统； （4）阀位控制系统； （5）选择性控制系统。
练习
题1 下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2） 最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢， 哪个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是 气关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制 规律的选取。
0.10
调节阀气动信号（MPa）
避免两调节阀频繁开 闭的方法： （1）控制阀引入不 灵敏区。 （2）同时，控制器 引入调节死区（为什 么？）
调节阀定位器的工作原理
调节阀定位器的工作原理
调节阀定位器是压力可控系统的重要组成部分，它可以控制流体的流速和压力，是用于调节流量和压力的有效工具。
它的工作原理是：根据设定的参数，它能够使调节阀一直处于最佳的开度状态，以维持所需的压力。
调节阀定位器能够调整调节阀开度，从而控制系统中的压力。
它由一个电机和一组传感器组成，它可以检测到系统中的压力，根据压力的变化自动调节调节阀的开度。
它的工作原理是，当系统的压力值大于设定值时，定位器将指令发送给电机，电机会根据指令调整调节阀的开度，在调节阀开度变化后，系统中的压力值可以随之变化，但不会超过设定值。
调节阀定位器具有良好的精度，从而可以实现流量和压力的精准控制。
它通常包含电子和机械部分，其中电子部分可以检测到系统中的压力，并将其与设定值进行比较，进而发出指令到机械部分去调整调节阀的开度。
调节阀定位器也可以用于开关控制，其工作原理基本与压力控制相同，但可以根据系统中的压力值来控制开关的状态，即当压力值超过设定值时，开关可以关闭，反之则可以打开。
总之，调节阀定位器是一种有效的工具，用于控制系统中的压力、流量和开关状态，可以大大提高系统的运行效率，为企业提供一种可靠、稳定、低成本的运行维护服务。
除了以上介绍的压力控制和开关控制之外，调节阀定位器还可以
用于多种实际应用，如液压系统、空调控制、供水系统等，整个系统的运行安全性和稳定性也可以得到良好的保障。
调节阀定位器是一种重要的技术设备，它可以精确控制流量和压力，并保证运行效率和稳定性，是现代工业生产不可或缺的重要元素。
因此，相关行业的企业和工程师应该密切关注调节阀定位器的研发技术，以便更好地应用到实际生产环境中，更好地改善系统的性能。
控制调节阀的阀门定位器选型指南
控制调节阀的阀门定位器选型指南阀门定位器(又称：气动阀门定位器）是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。
在众多的控制应用场合中，阀门定位器是调节阀最重要的附件之一。
尤其是对于某个特定的应用场合，如果要选择一个最适用阀门定位器，那么就应注意考虑下列因素：1)阀门定位器能否实现“分程(Split_ranging)”实现“分程”是否容易、方便?具备“分程”功能就意味着阀门定位器只对输入信号的某个范围(如：4～12mA或0.02～0.06MPaG)有响应。
因此，如果能“分程”的话，就可以根据实际需要，只用一个输入信号实现先后控制两台或多台调节阀。
2)定位器的零点和量程的调校是否容易、方便?是不是不用打开盒盖就可以完成零点和量程的调校?但值得注意的是：有时候为了避免不正确的(或非法的)操作，这种随意就可进行调校的方式需要被禁止。
3)阀门定位器的零点和量程的稳定性如何?如果零点和量程容易随着温度、振动、时间或输入压力的变化而产生漂移的话，那么阀门定位器就需要经常地被重新调校，以确保调节阀的行程动作准确无误。
4)阀门定位器的精度在理想工况下，对应某一输入信号，调节阀的内件(TrimParts,包括球体/阀芯、阀杆、阀座等)每次都应准确地定位在所要求的位置，而不管行程的方向或者调节阀的内件承受多大的负载。
5)阀门定位器对空气质量的要求如何?由于只有极少数供气装置能提供满足ISA标准(有关仪表用空气质量的标准：ISA标准F7.3)所规定的空气，因此，对于气动(或电-气)阀门定位器，如果要经受得住现实环境的考验，就必须能承受一定数量的尘埃、水汽和油污。
6)零点和量程的标定两者是相互影响还是相互独立?如果相互影响，则零点和量程的调校就需要花费更多的时间，这是因为调校人员必须对这两个参数进行反复调整，以便逐步地达到准确的设定。
阀门三位定位器 说明
阀门三位控制器说明本定位器可根据控制室的指令，控制阀门处在：关位置、中间某个位置（可任意设定）、开位置；为了方便现场调试，具有手动控制功能、模拟控制室指令进行现场调试的功能，同时具有断电自动保存最后一次指令功能。
还可对阀门设定的某个中间位置进行顺时和逆时的延时控制（出厂延时设定为3秒）。
输入、输出安排：◆电源：+24V、-GND◆电位器信号：P1、P2、P3◆输入信号：（来自控制室指令：低电平脉冲有效、GND为公共端）1、CLOSE（要求阀门关闭）2、MID（要求阀门处于中间位置）3、OPEN（要求阀门打开）（说明：系统以最后接收到的控制指令作相应动作）◆输出信号：（输出到控制室的状态信号：24V、GND为公共端）OUTC：阀门处在关闭位置OUTM：阀门处在中间位置OUTO：阀门处在打开位置◆电磁阀信号：（控制双电控电磁阀）1、关闭阀门信号（VC+、VC-）2、打开阀门信号（VO+、VO-）◆手动控制按键：（3个）1、调试按键：3个（手动控制功能/模拟控制室指令----根据SW1:ON/OFF区分功能）K_C：手动关闭阀门/ 要求阀门关闭；K_M：设置功能键/ 要求阀门处在中间位置；K_O：手动打开阀门/ 要求阀门打开；2、设置功能：K_M键（当SW1=ON时有用，用于设定关闭位置、中间位置、打开位置）操作步骤：（进入设置状态后，可通过K_C、K_O键手动调整阀门位置）a)长按K_M键，LED黄灯闪烁几下，此时，松开此按钮，系统进入设置状态；b)按K_C键使阀门处于关闭位置，短按一下K_M键，LED黄灯闪一下，进入下一设置状态；c)按K_C或K_O键使阀门处于需设定的中间位置，短按一下K_M键，LED黄灯闪一下，进入下一设置状态；d)按K_O键使阀门处于打开位置，短按一下K_M键，LED黄灯闪烁几下，设置完毕，将SW1拨到OFF位置，系统自动进入正常工作状态。
（若黄灯不断闪烁，则表示位置有重叠或电位器在盲区，需调整电位器起始位置后重新设定）◆LED灯：（3个）（根据SW1：ON/OFF 区分功能）1、LED_C（红灯）：“关阀门电磁阀”线圈得电指示灯/ 阀门处在“关闭状态”指示灯2、LED_M（黄灯）：设置时，设置过程状态指示灯/ 阀门处在“中间状态”指示灯3、LED_O（绿灯）：“开阀门电磁阀”线圈得电指示灯/ 阀门处在“打开状态”指示灯◆跳线开关：（4位）1、SW1：ON/OFF-----手动设置功能/ （模拟）控制室指令2、SW2：ON/OFF--- --关闭阀门时延时/ 不延时（3秒）3、SW3：ON/OFF-----打开阀门时延时/ 不延时（3秒）4、SW4：ON/OFF----- 误差±3% / 误差±2%操作简要说明：1、SW1拨到ON位置，用3个按键进行先设定关闭位置、其次设定中间位置、最后打开位置的设定，确保设置准确；2、SW1拨到OFF位置，即可。
阀门限位开关工作原理
阀门限位开关工作原理
阀门限位开关是一种用于控制阀门位置的装置，它可以监测阀
门的开启和关闭状态，并将信号传输给控制系统，以便实现对阀门
的自动控制。
其工作原理主要包括机械传动、传感器检测和信号输
出三个方面。
首先，阀门限位开关通过机械传动实现对阀门位置的监测。
当
阀门处于开启或关闭状态时，限位开关内部的机械结构会随之变化，从而使得开关的状态发生改变。
这种机械传动可以通过不同的设计
实现对不同类型阀门的监测，包括旋塞阀、球阀、蝶阀等。
其次，传感器检测是阀门限位开关实现工作原理的关键。
通过
安装在限位开关上的传感器，可以实时监测阀门位置的变化，并将
这些信息传输给控制系统。
传感器的种类多样，包括接近开关、霍
尔传感器、光电传感器等，它们可以根据不同的工作环境和要求进
行选择和配置。
最后，阀门限位开关通过信号输出实现对阀门位置信息的传递。
一旦传感器检测到阀门位置发生变化，限位开关会立即将相应的信
号输出给控制系统，以便控制系统进行相应的调节和控制。
这种信
号输出可以采用不同的方式，包括电信号、气动信号、液压信号等，以满足不同控制系统的要求。
总的来说，阀门限位开关的工作原理是通过机械传动、传感器
检测和信号输出三个方面相互配合，实现对阀门位置的监测和控制。
这种装置在工业生产中起着至关重要的作用，能够保证阀门的安全
运行和自动控制，提高生产效率和产品质量。
各类型阀门定位器构造及工作原理
各类型阀门定位器构造及工作原理阀门定位器是一种用于控制阀门位置的装置，它能够确保阀门在需要的位置上精确停止。
根据不同的阀门类型和工作原理，阀门定位器的构造和工作原理也会有所不同。
下面我将从不同类型的阀门定位器构造和工作原理的角度来进行详细解释。
首先，我们来看气动阀门定位器的构造和工作原理。
气动阀门定位器通常由气源接口、气动执行机构、位置反馈装置和控制单元组成。
气源接口用于连接气源管道，通过控制气源的压力来实现阀门的定位。
气动执行机构是阀门定位器的核心部件，它接收气源信号并将其转换为机械运动，从而驱动阀门实现开启、关闭或调节。
位置反馈装置用于监测阀门位置，并将实际位置信息反馈给控制单元，以便实现闭环控制。
控制单元则根据位置反馈信息和设定值来控制气源的输出，从而实现对阀门位置的精确控制。
其次，液动阀门定位器的构造和工作原理也有所不同。
液动阀门定位器通常由液压执行机构、位置传感器和控制系统组成。
液压执行机构通过液压力来实现阀门的定位，位置传感器用于监测阀门位置并将反馈信号传输给控制系统，控制系统则根据反馈信号和设定值来控制液压执行机构，从而实现对阀门位置的精确控制。
另外，电动阀门定位器的构造和工作原理也是不同的。
电动阀门定位器通常由电动执行机构、位置传感器和控制系统组成。
电动执行机构通过电动机驱动来实现阀门的定位，位置传感器用于监测阀门位置并将反馈信号传输给控制系统，控制系统则根据反馈信号和设定值来控制电动执行机构，从而实现对阀门位置的精确控制。
总的来说，不同类型的阀门定位器在构造和工作原理上有所不同，但它们的共同目标都是实现对阀门位置的精确控制，以确保系统的安全运行和有效控制。
希望以上信息能够对你有所帮助。
《阀门控制系统》课件
03
阀门控制系统的设计与实现
控制系统的硬件设计
01 硬件架构
介绍阀门控制系统的整体硬件架构，包括传感器 、执行器、控制器等关键组件。
02 传感器选择
根据阀门控制需求，选择合适的传感器类型和规 格，如流量计、压力传感器等。
03 执行器配置
根据阀门类型和控制需求，配置合适的执行器， 如电动阀、气动阀等。
建筑给排水中的阀门控制系统
总结词
保障供水安全及节能减排
详细描述
在建筑给排水系统中，阀门控制系统用于调节水流量、控制水压和水位，保障 供水安全。同时，通过智能控制阀门的开度，实现节能减排，降低能源消耗。
流体输送中的阀门控制系统
总结词ห้องสมุดไป่ตู้
确保流体输送安全可靠
详细描述
在石油、天然气等流体输送过程中，阀门控制系统对于保障输送安全可靠具有重 要意义。通过对阀门进行实时监控和控制，防止流体泄漏和意外事故的发生。
控制器根据接收到的信号 和设定值进行比较和计算 ，输出控制信号给执行器 。
执行器根据接收到的控制 信号对被控对象进行调节 和控制。
控制系统的信号传输与处理
控制系统的信号传输通常采用模拟信号或数字信号，模拟信号具有连续变 化的特性，数字信号则是一系列离散的二进制数。
在信号传输过程中，需要进行信号的调制解调、放大滤波等处理，以保证 信号的稳定性和可靠性。
气动控制
随着气动技术的发展，气动阀门控制 系统逐渐取代了手动控制，通过压缩 空气来驱动阀门动作。
智能控制
现代的阀门控制系统趋向于智能化， 通过微处理器和传感器实现自动控制 和远程监控，提高了系统的可靠性和 安全性。
02
阀门控制系统的工作原理
阀门的工作原理
汽机高低旁路
一、高压旁路控制系统：
（1）BP阀控制主汽压力。
（2）BPE阀控制再热器入口温度。
（3）BD阀是一个隔离阀。
（4）保护功能。
二、低压旁路控制系统：
1、LBP阀控制再热器压力。
2、LBPE控制凝汽器入口温度。
3、保护功能。
三、高压旁路的三种运行方式
1、阀位方式：从锅炉点火开始到主汽参数达到冲转参数止。
2、定压方式：从冲转开始到高压旁路全关止。
3、滑压方式：高压旁路全关后。
四、阀位控制阶段：
1、最小开度阶段：疏水、暖管、回收工质、消除噪音。
2、最小压力保持阶段（旁路渐开阶段）：升温。
3、最大开度阶段：升压。
五、定压运行阶段
当主蒸汽压力上升到汽轮机冲转压力时，旁路系统自动转入“定压运行”。
此时，压力设定值保持不变，以保证汽机启动时的主蒸汽压力，实现定压启动。
六、滑压运行阶段
进入滑压运行方式后，主蒸汽压力设定值自动跟踪主蒸汽压力实际值，并且只要新蒸汽压力的变化率小于所设定的升压率，则压力定值总是稍大于压力实际值，来保证高压旁路调节阀保持在关闭状态。
七、主汽压力控制1、阀位阶段：锅炉燃烧率和旁路控制
2、定压阶段：锅炉燃烧率、汽轮机和旁路控制。
3、滑压阶段：旁路跟踪或热备用方式，泄流减压。
分程及阀位控制系统-
图7-6 油品储罐氮封分程控制
加氮阀A.放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
8
大家有疑问的, 可以询问和交流
可以互相讨论下, 但要小声点
9
7.1.3 分程控制器参数整定
控制器
A阀 B阀 变送器
对象
1例子两个阀通道相同, 若阀的特性也相同, 按一个阀通道整定即可
例1 线性阀
d
F F m ax
K
dl
F／Fmax＝Kl十Kl
13
（1）连续分程法:
例2 等百分比阀
d
F Fmax dl
K
F Fmax
缺点: 如果两个阀的流通能力相差很大时，会有一个阀的 分程信号变得非常小，调节困难。
14
7.1.4 分程阀流量特性问题
（2）间隔分程法: 事先确定分程点, 再分别作出各自的流量曲线, 如果在分程点流量特性突变较小, 可把突变部分信号去掉
Cmax均为100，可调范围R为30。由于控制阀的可调 范围为：
R=Cmax/Cmin
Cmin=Cmax/30=3.33 当采用两只控制阀组成分程控制时，最小流通能力 不变，而最大流通能力应是两阀都全开时的流通能力， 即： R' Cm' ax 200 60 C' max＝CCmAinma1x0十0 CBmax＝2Cmax＝200 因此A.B两只控制阀30构成分程控制时，两阀组合后的 5
11
7.1.4 分程阀流量特性问题
100%
0
0.02
0.06
0.1
图7—11 A.B分程阀特性
0.02
0.06
0.1
图7—12 A.B分程阀组合特性
阀门执行器原理
阀门执行器原理
阀门执行器是一种用于控制阀门开闭的装置，它通常由电动机、传动系统和控制系统组成。
当执行器接收到控制信号时，控制系统将信号转化为电能供给电动机。
电动机通过传动系统的作用，驱动阀门进行开闭。
传动系统通常由传动带、传动轴和传动齿轮等组成，它们能够将电动机的旋转运动转化为阀门的线性运动。
传动系统中的传动齿轮通常采用蜗轮蜗杆结构，这样可以增加执行器的输出扭矩。
而传动带则可以调节输出扭矩的大小。
通过合理设计传动系统，可以实现对阀门的精确控制。
执行器的控制系统通常配备了位置传感器，用于实时监测阀门的开闭状态。
控制系统会根据位置传感器的反馈信号，不断调整电动机的工作状态，使阀门能够达到预定的开闭程度。
除了上述基本原理外，阀门执行器还可以根据具体应用需求，配置不同的附加功能，比如手动操作装置、限位开关和防止过载装置等。
总的来说，阀门执行器通过电动机和传动系统的配合，实现对阀门的精确控制。
它在工业生产、水处理、能源等领域中起到了非常重要的作用。